автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Повышение точности моделирования механических процессов в радиоэлектронных средствах на основе разработки автоматизированной подсистемы САПР

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВАХ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ САПР

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

005531740

мискНА - 2013

005531740

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА ВО ВЛАДИМИРСКОМ ФИЛИАЛЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ ПРИ ПРЕЗИДЕНТЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

Шалумов Александр Славович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Чудинов Станислав Михайлович - доктор технических наук, профессор (Заместитель Генерального директора по научной работе ОАО «НИИ Супер ЭВМ»)

Полесский Сергей Николаевич - кандидат технических наук, доцент (МИЭМ НИУ "Высшая школа экономики")

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

Защита состоится "19" сентября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 217.047.01 во ФГУП "Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования" по адресу: 105187, Москва, ул. Кирпичная д.39-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП "Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования"

Автореферат разослан июля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 217.047.01 —

доктор технических наук, старший научный сотрудник Варламов О.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день для проведения механических расчётов радиоэлектронных средств (РЭС) на различные механические воздействия, как правило, используют компьютерные системы инженерного анализа (Computer-Aided Engineering, CAE). CAE-системы являются частью средств управления жизненным циклом изделия.

Эти программные продукты базируются на методе конечных элементов. При этом модель объекта представляется в виде набора геометрических примитивов, таких как: балки, тетраэдры, оболочки и т. д. Как правило, CAE-система состоит из таких функциональных частей как: препроцессор, решатель и постпроцессор. Входные данные для препроцессора, геометрическую модель изделия, которое подвергается расчету, как правило, получают из подсистем автоматизированного проектирования (CAD). Функция препроцессора заключается в представлении рассчитываемого изделия в конечно-элементном виде. Функция решателя заключается в преобразовании модели, состоящей из набора конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и расчете этой системы методами разреженных матриц. Постпроцессор производит визуализацию, полученных при расчете результатов в удобном для конечного пользователя виде. В современных САПР используется графическая форма отображения результатов моделирования. При отображении результатов в графической форме конструктор имеет возможность анализировать перемещения, напряжения в виде наглядных цветных графических изображений. Цвет элементов конструкции при визуализации в постпроцессоре определяет значения параметров полученных при проведении моделирования.

Развитие CAE-систем происходит за счет постоянного прогресса в компьютерной индустрии. Постепенно окрепло понимание того, что успеха в производственной деятельности в современных условиях можно добиться, только используя компьютерное моделирование. Это позволяет повысить качество продукции, ускорить её выпуск и сократить затраты на разработку. Но стоит отметить, что достаточно длительное время CAE-системы не находили признания в производстве, уступая место традиционным методикам расчетов и испытаний. Но постепенно ряд успешных проектов, выполненных с применением CAE-систем, завоевал им популярность. Параллельно с развитием программного обеспечения, происходит постоянное развитие аппаратного обеспечения, а его стоимость снижается, следовательно, компьютерные аппаратные ресурсы становятся доступнее, что является очень важным в виду большой вычислительной емкости инженерных расчетов. Несколько лет назад для них использовались дорогие мощные серверы, а сейчас настольные персональные компьютеры справляются с теми же задачами.

Однако, работа с современной CAE-системой остается крайне трудоёмким и наукоёмким, требующим наличия большого опыта в той области знаний, в которой проводится моделирование, занятием. Также, несмотря на значительно возросшую роль производительности вычислительной техники, ее мощностей все еще на данном этапе развития остается недостаточно для построения модели механических процессов, позволяющей в полном объеме отразить все свойства реального объекта с максимальной точностью. Это является достаточно серьезной проблемой, так как для получения точных результатов расчета необходимо, чтобы расчетная модель максимально точно отражала характеристики реального объекта с геометрической точки зрения. На данном же этапе для проведения механических расчетов в основном используются упрощенные с геометрической точки зрения модели. Процесс упрощения исходной модели требует тесного сотрудничества конструктора и расчётчика, так как зачастую при упрощении модели человек без конструкторского опыта может кардинально изменить модель, а, следовательно, и изменить адекватность последующих результатов, полученных при ее расчете в САЕ-системе.

Помимо геометрических характеристик весьма весомую роль при моделировании механических процессов играют физико-механические параметры математических моделей, используемые в расчётах. Одной из серьёзных проблем при современном компьютерном моделировании реальных физических процессов, является процесс идентификации физико-механических параметров рассчитываемой конструкции. При идентифицированных параметрах, учитывая, что геометрически расчётная модель максимально схожа с реальной конструкцией, удаётся добиться совпадения расчётных амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) конструкции с экспериментальными. В современных компьютерных системах механического моделирования, таких как NASTRAN, Patran, ADAMS, Dytran, MARC, ANSYS, LS-DYNA, ABAQUS, COSMOS, отсутствует механизм идентификации физико-механических параметров и учёта нелинейности физико-механических свойств, при возникающих в конструкции напряжениях. С другой стороны, учитывая тот факт, что, несмотря на бурное развитие электронно-вычислительной техники в последнее десятилетие, появление достаточно мощных суперкомпьютеров, возможность массового использования такого рода оборудования все еще далека от потребностей проектирования, учитывая высокую стоимость такого рода вычислительных средств. Также отметим, что развитие аппаратных средств происходит очень быстрыми темпами, а, следовательно, при дальнейшем развитии элементной базы, используемой при создании компьютеров, удастся максимально решить проблемы построения геометрической модели по всем геометрическим параметрам, совпадающей с реальным объектом. Но проблемы идентификации физико-механических параметров конструкции и учета нелинейности физико-механических свойств конструкции в зависимости от возникающих напряжений решать сложнее, так как в данной ситуации приходится принимать во внимание постоянное появление новых наиболее технологичных материалов, используемых при конструировании.

Процесс идентификации параметров математических моделей позволяет:

• провести экспериментальные исследования конструкции однократно и далее, проведя процесс идентификации физико-механических параметров конструкции работать уже непосредственно с электронной моделью изделия;

• как следствие из вышесказанного: сокращение сроков производства, увеличение надежности продукции, снижение влияния человеческого фактора на процесс производства высокотехнологичной, наукоёмкой и дорогостоящей продукции;

• путем проведения научных исследований накапливать электронные модели изделий с параметрами расчётных моделей наиболее близкими к параметрам реальных конструкций, что при современных условиях производства является наиболее важным;

• существенно снизить стоимость готовой продукции, максимально используя компьютерное моделирование конструкции с идентифицированными параметрами на ранних этапах проектирования, учитывая, что процедура натурных испытаний является крайне дорогостоящей и длительной во времени.

О том, что задача идентификации является крайне актуальной, свидетельствует наличие большого числа научных трудов по данной тематике. Проблемам идентификации посвятили свои научные труды такие учёные, как Хо Б.Л. (Но B.L.), Кальман P.E. (Kaiman R.E.), Астром К.Д. (Astrom K.J.), Эйкхофф П. (Eykhoff Р.), Сейдж Э.Г. (Sage Е. G.), Мелса Дж.Л. (Melsa J.L.), Аоки М. (Aoki М.), Райбман Н.С., Цыпкин Я.З., Ибрагимов И.А., Хасьминский Р.З., Шалумов A.C., Сольницев Р.И., Альбрэхт Э.Г., Нанахара Т. (Na-nahara Т.), Катсикаделис Д.Т. (Katsikadelis J.T.), Мирошник И.В., Черноруцкий И.Г. и другие. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику решения задач идентификации и, в частности, в идентификацию физико-механических параметров РЭС. Однако, в данных работах отсутствует описание средств автоматизации процесса идентификации физико-механических параметров математических моделей

РЭС, позволяющих в минимальные сроки и с минимальными затратами проводить идентификацию физико-механических параметров математических моделей РЭС и принимать решение об адекватности идентифицированных параметров при сравнении расчетных графиков АЧХ и амплитудно-временных характеристик (АВХ) с экспериментальными. Кроме того, отсутствуют методы и алгоритмы расчёта идентифицированных параметров математических моделей РЭС.

Таким образом, для создания конкурентоспособных и высоконадежных РЭС актуальной проблемой является решение задач автоматизированной идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС, как на программном, так и на методическом уровнях.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение точности моделирования механических процессов в РЭС для обеспечения требований нормативно-технической документации по механическим характеристикам за счет применения средств автоматизации идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС. Для реализации цели данной работы согласно вышеизложенным предложениям необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование особенностей конструкций РЭС с точки зрения идентификации физико-механических параметров математических моделей.

2. Разработка алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов, блоков и шкафов РЭС в точке и по графику при вибрационных воздействиях.

3. Разработка алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов, блоков и шкафов РЭС в точке и по графику при ударных воздействиях и линейном ускорении.

4. Разработка алгоритмов моделирования механических процессов в типовых конструкциях шкафов РЭС.

5. Практическая реализация разработанных алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС.

6. Разработка графических интерфейсов ввода-вывода для моделирования механических процессов в шкафах РЭС и практическая реализация автоматизированной подсистемы анализа типовых конструкций шкафов и стоек РЭС на механические воздействия.

7. Разработка методики идентификации и моделирования механических процессов в ПУ, блоках и шкафах РЭС на ранних этапах проектирования.

8. Внедрение созданной методики в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач используются принципы системного подхода, теория идентификации параметров моделей, численные методы решения задач идентификации и оптимизации, методы компьютерной графики и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке:

- алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов (ПУ), блоков и шкафов радиоэлектронных средств (РЭС) в точке и по графику при вибрационных воздействиях, позволяющих определять модуль упругости, коэффициент Пуассона, коэффициент механических потерь (КМП), коэффициент зависимости КМП от напряжения для моделирования при вибрационных воздействиях;

- алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов ПУ, блоков и шкафов РЭС в точке и по графику при ударных воздействиях и линейном ускорении, позволяющих определять модуль упругости, коэффициент Пуассона, КМП, коэффициент зависимости КМП от напряжения для моделирования при ударных воздействиях и линейном ускорении;

- структуры автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС, обеспечивающей удобный проектировщику РЭС язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода и позволяющей конструктору по идентифицированным параметрам проводить анализ ускорений в частотной и временной областях с учётом нелинейности модели демпфирования;

- методики идентификации и моделирования механических процессов в ПУ, блоках и шкафах РЭС на ранних этапах проектирования, позволяющей в минимальные сроки и с минимальными затратами осуществлять автоматизированное построение математических моделей ПУ, блоков и шкафов, проводить расчет на различные механические воздействия и принимать решение об обеспечении стойкости ПУ, блоков и шкафов к механическим воздействиям.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование созданных методических и программных средств позволяет повысить эффективность моделирования и сократить сроки и стоимость ранних этапов проектирования РЭС с соблюдением требований нормативной документации по механическим

характеристикам.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 14 научных работ, в том числе 7 статей, 5 (пять) из них в журналах из перечня ВАК.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: XVI международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ-2010» (г. Нижний Новгород, 2010г.), девятом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (г. Москва, 2010г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2009)» (г. Сочи, 2009г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2010)» (г. Сочи, 2010г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2011)» (г. Сочи, 2011г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2012)» (г. Сочи, 2012г.), конференции «Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск, 2010г.), всероссийской научно-методической конференции «Повышение качества высшего профессионального образования» (г. Красноярск, 2009г.).

Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы (алгоритмы, методики и программное обеспечение) внедрены в практику

проектирования и производства ОАО "Научно-производственный центр "САПСАН" (г. Москва).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и используются при выполнении студентами специальности «Управление качеством» курсовых и дипломных работ.

Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 318 страницах машинописного текста, и состоит из основной части, изложенной на 174 листах, которая иллюстрируется 78 рисунками и 2 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований и четырех приложений.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи настоящей работы, отмечены её научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассматриваются основные современные автоматизированные средства для проведения расчётов РЭС на механические воздействия - САЕ-системы.

Описывается структура и механизм функционирования CAE-систем. Также рассматриваются предпосылки к развитию CAE-систем, а также факторы, замедляющие положительную динамику в их развитии. Делается вывод о признании основополагающей роли CAE-систем в процессе современного проектирования РЭС с минимальными временными и финансовыми затратами. Анализируются преимущества и недостатки наиболее известных, на сегодняшний день CAE-систем с точки зрения их функциональности и удобства для использования в работе. Рассматривается влияние геометрических и физико-механических параметров моделей на результаты моделирования. Делается вывод об отсутствии в современных компьютерных системах механического моделирования, таких как NASTRAN, Patran, ADAMS, Dytran, MARC, ANSYS, LS-DYNA, ABAQUS, COSMOS механизма идентификации физико-механических параметров и учёта нелинейности физико-механических свойств конструкции при возникающих при моделировании напряжениях.

Отмечается, актуальность задачи идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС. Выделяются преимущества использования механизма идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС в современном проектировании и производстве.

Во второй главе решается задача разработки алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС и моделирования произвольных конструкций шкафов РЭС. Для решения поставленной во второй главе диссертации задачи проводится анализ существующих методов идентификации, которые предполагается использовать для создания автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС. Особое внимание уделяется численным методам идентификации. Численные методы создания математических моделей (ММ) состоят из набора операций по обработке и анализу заранее известной и полученной опытным путем числовой информации об объекте. Теория идентификации рассматривается в привязке к теории систем автоматического управления (САУ), так как готовый материал для идентификации в привязке к физико-механическим параметрам математических моделей РЭС в литературе отсутствует. Идентификацией в теории САУ обычно называют построение ММ объектов по заранее известной и эмпирически полученной информации, например по известным их входным и выходным сигналам. Наибольшее распространение получили методы параметрической идентификации.

Здесь структура ММ является заданной, а найти требуется только необходимые её параметры в соответствии с заранее заданными критериями адекватности ММ и объекта. Для нахождения ММ динамики системы необходимо произвести идентификацию оператора Ь в следующем выражении:

Ш=ДЛГ(/),ЛМ,С( 0]

где У = - вектор выходных сигналов САУ; х = <хпх2.....*„) _ вектор входных

сигналов САУ; л = (Л,,Дг.-.Л.) _ вектор параметров системы; С = 'С|,Сг.....вектор сигналов помех, которые возникают внутри системы; Ь - искомый оператор, который в общем случае является нелинейным.

Наиболее продуктивными методами идентификации оператора Ь, являются методы, созданные по принципу настраиваемой модели. Основная суть этого метода приводится в схеме, которая представлена на рисунке 1. Эта обобщённая схема включает в себя достаточно широкий набор вариантов, которые различаются протеканием процесса настройки модели в смысле выбранного критерия идентификации. Определение такого критерия это сложная задача.

В наибольшей степени получили распространение выражения критериев в виде функционалов. Интеграл от квадрата ошибки

г(0 = П0-?(0

у

г/,=}е2(0А

о

интеграл от ошибки с весовой функцией времени

и2 =}д/М/)Л

о

ошибка будет тем больше, чем позже она появилась по отношению к входному сигналу; интегральный критерий вида

\e\Ddt

и,'-? -¡х2т

о

)

который позволяет производить нормированную по входному сигналу х(1) оценку ошибки

В качестве критериев идентификации в основном используются распространенные в теории оптимальных систем функции потерь или штрафа, в идентификации под ними понимается штраф, связанный с невыполнением абсолютно точной идентификации. Этот критерий в общем виде можно представить в виде условного математического ожидания штрафа за ошибку:

и, = }с[е(

»

где °И'>] - эхо штраф за ошибку = У -У(') у - это истинное значение вектора выходных координат; - оценка У, которая основана на каком-либо его наблюдении;^ -условная плотность вероятности параметров е и У.

Рисунок 1 - Структурная схема идентификации на основе настраиваемой модели

При использовании схем с настраиваемой моделью структура модели является известной, а настраиваются лишь параметры модели. В наибольшей степени распространены градиентные и итерационные алгоритмы настройки.

Способ, который наиболее правильно использовать для построения ММ САУ при создании соответствующей подсистемы САПР, ориентированной на идентификацию физико-механических параметров, является совместное использование аналитических и численных методов. Аналитические методы используются для построения наиболее полных ММ. С помощью численных методов идентификации производится количественная оценка параметров модели и гарантируется её адекватность реальному объекту. В этом случае процедура построения ММ состоит из трёх этапов:

1) создание полной ММ в аналитической форме, основываясь на классических принципах и формализмах динамики;

2) упрощение и преобразование ММ в соответствии с ее назначением и особенностью;

3) параметрическая идентификация упрощённых ММ на основании результатов экспериментов и испытаний.

Также в рамках исследования рассмотрены существующие методы оптимизации. Особое внимание уделяется методу Нелдера-Мида. Метод Нелдера-Мида является дополнением симплексного метода Спендли, Хекста и Химсворта. Множество (п+1)-й равноудалённой точки в п-мерном пространстве носит название - регулярный симплекс. Такая же конфигурация используется в методе Спендли, Хекста и Химсворта. В двумерном пространстве симплекс это равносторонний треугольник, в трёхмерном -правильный тетраэдр. Основная идея метода заключается в сравнении значений функции в (п+1) вершинах симплекса и дальнейшем перемещении симплекса в направлении наиболее оптимальной точки с использованием итерационной процедуры. В методе симплексов, который был предложен изначально, на каждом этапе использовался регулярный симплекс. Нелдер и Мид реализовали несколько модификаций данного метода, которые допускают, чтобы симплексы были неправильными. В итоге был создан достаточно надежный метод прямого поиска, который является одним из наиболее эффективных, когда " - 6. Поэтому в данной работе этот метод был взят за основу.

На основе выбранного метода идентификации и оптимизации разрабатываются алгоритмы идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков, шкафов, ПУ РЭС в точке и по графику при вибрационных воздействиях. Также разрабатываются алгоритмы идентификации фи-

зико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС, ПУ в точке и по графику при ударных воздействиях.

В качестве примера разработанных алгоритмов рассмотрим алгоритм идентификации по графику для блоков и шкафов РЭС при воздействии гармонической вибрации.

Для идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС по графику при вибрационных воздействиях необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1) задать исходные данные для идентификации модуля упругости, коэффициента Пуассона, КМП в начальной точке - £аттаО и коэффициент зависимости КМП от напряжения — к^та, параметры, характеризующие геометрию конструкции, крепления (количество и координаты), размер дискрета;

2) провести идентификацию физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС в точке;

3) создать макрос для А№У8 по введённым исходным данным с учётом идентифицированных физико-механических параметров математических моделей механических процессов в точке для идентификации по графику;

4) провести расчёт модели в подсистеме идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС ИДЕНТИФИКАЦИЯ на воздействие гармонической вибрации с использованием расчётного ядра ЛЫБУБ;

5) определить резонансные частоты в контрольной точке образца в расчётном диапазоне частот;

6) проверить совпадение расчётных резонансных частот с экспериментальными;

7) при совпадении расчётных резонансных частот с экспериментальными резонансными частотами сохранить полученные при идентификации физико-механические параметры модели;

8) определить амплитуды резонансных ускорений в заданном диапазоне частот с учётом максимальных напряжений, возникающих в конструкции, используя функционал макроса, написанного для АЫ8У8;

9) при совпадении расчётных амплитуд резонансных ускорений с экспериментальными амплитудами резонансных ускорений сохранить полученные при идентификации физико-механические параметры модели.

Рассмотрим алгоритм идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов для блоков и шкафов РЭС по графику при вибрационном воздействии на примере образца, закреплённого в 4-х местах по краям, представленный на рисунке 2 в виде блок-схемы.

В третьей главе, согласно предложенной схеме моделирования и представленным во второй главе алгоритмам, описываются разработанные структуры автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС - ИДЕНТИФИКАЦИЯ и автоматизированной подсистемы анализа типовых конструкций шкафов и стоек РЭС на механические воздействия - ШКАФ-М. Рассмотрим функционирование автоматизированной подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ, опираясь на структурную схему, изображенную на рисунке 3. Конструктор вводит исходные данные вручную или использует готовый файл входных данных. Далее подсистема переходит к работе в автоматическом режиме. Все введенные в подсистему данные поступают на вход управляющей программы, которая анализирует входные данные, их целостность и достоверность и далее по исходным данным формирует определенный информационный поток, который в свою очередь является входными данными для систем, выполняющих функцию расчётного ядра.

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма идентификации по графику для блоков и шкафов РЭС при воздействии гармонической вибрации

В случае идентификации физико-механических параметров математических моделей несущих конструкций РЭС, в качестве расчётного ядра используется конечно-элементное расчетное ядро. Все расчеты здесь проводятся, основываясь на таком известном математическом методе, как метод конечных элементов, который позволяет получать достоверные результаты при математическом моделировании физических процессов. В случае же идентификации физико-механических параметров математических моделей, которые используются при расчёте печатных узлов, в качестве расчётного ядра выступает конечно-разностное расчётное ядро. В данном случае все расчеты проводятся, основываясь на другом не менее известном математическом методе конечных разностей, который также позволяет получать достоверные результаты при математическом моделировании физических процессов. Далее по завершении работы того или иного из имеющихся в подсистеме расчётных ядер, в зависимости от выбранных параметров идентификации, управление снова передаётся управляющей программе подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ, туда же направляется информационный поток с результатами, полученными при расчёте. Далее управление передаётся постпроцессору, который, основываясь на имеющихся в подсистеме возможностях визуализации результатов, отображает полученные результаты в виде расчетных графиков АЧХ и АВХ, а также в той же области рисования отображает экспериментальные графики моделируемого процесса, полученные

при проведении натурных испытаний и являющиеся основой для нормальной работы и функционирования подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ.

Файл исходных данных *лпи и *лпу для ударного и вибрационного воздействия для конечно-элементного расчётного ядра

Файл исходных данных *лпр для ударного и вибрационного воздействия для конечно-разностного расчётного ядра

Препроцессор

Управляющая программа

Постпроцессор

Рисунок 3 - Структура автоматизированной подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Поэтому в данном случае у конструктора появляется возможность сравнения экспериментальных и расчётных графиков АЧХ и АВХ и выявления определенных закономерностей. В случае получения не вполне точных результатов расчета у конструктора также есть возможность провести моделирование повторно, с целью уточнения полученных при первичном расчете результатов.

Рассмотрим непосредственно функционирование автоматизированной подсистемы ШКАФ-М, опираясь на структурную схему, изображенную на рисунке 4.

Конструктор вводит исходные данные вручную или использует готовый файл входных данных. При отсутствии готового файла входных данных конструктор сначала добавляет в подсистему новый файл проекта, а затем сохраняет его в подсистеме для дальнейшей работы. После того как проект сохранен производится построение геометрической, а затем САЕ-модели шкафа. После завершения этапа конструирования необходимо ввести параметры дестабилизирующих факторов, оказывающих воздействие на конструкцию при расчёте. После ввода всех необходимых для работы подсистемы ис-

ходных данных управляющая программа передаёт управление конечно-элементному расчётному ядру, которое, на основании, сформированных на входе расчётного ядра макросов, производит расчёт построенной САЕ-модели и формирует результаты для постпроцессора подсистемы ШКАФ-М.

Рисунок 4 — Структура автоматизированной подсистемы ШКАФ-М

Далее управление принимает на себя снова управляющая программа, которая передает информационный поток, полученный на выходе расчётного ядра программе-постпроцессору, с помощью которой осуществляется визуализация результатов расчёта в подсистеме ШКАФ-М. В качестве результатов расчёта выступают графики АЧХ и АВХ в узлах конечно-элементной модели шкафа РЭС, а также графические картины распределения ускорений, перемещений и напряжений в конструкции шкафа РЭС. Также рассматривается структура входных и выходных данных подсистем ИДЕНТИФИКАЦИЯ и ШКАФ-М.

В четвёртой главе разработана методика идентификации и моделирования механических процессов в ПУ, блоках и шкафах РЭС на ранних этапах проектирования на основе автоматизированных подсистем, разработанных в третьей главе. Алгоритм методики проведения идентификации с помощью автоматизированных подсистем ИДЕНТИФИКАЦИЯ и ШКАФ-М представлен на рисунке 5.

Рассмотрим алгоритм методики идентификации физико-механических параметров математических моделей и моделирования механических процессов в ПУ, блоках и шкафах РЭС на ранних этапах проектирования, опираясь на блок-схему, представленную на рисунке 4, на примере расчета шкафа в подсистеме ШКАФ-М.

Как следует из блок-схемы, идентификацию в подсистеме ИДЕНТИФИКАЦИЯ является возможным проводить для ударного и гармонического воздействия. Но для проведения идентификации необходимо первоначально провести натурные испытания реальных объектов.

В рамках диссертации подготовлено техническое задание для экспериментальной лаборатории для проведения натурных испытаний.

Рисунок 5 - Алгоритм методики идентификации физико-механических параметров математических моделей и моделирования механических процессов в ПУ, блоках и шкафах РЭС на ранних этапах проектирования в виде блок-схемы

Для идентификации используются экспериментально полученные характеристики образцов из материалов, используемых в конструкции шкафа РЭС, при воздействии гармонической вибрации и одиночного импульсного удара.

Вначале были проанализированы полученные экспериментальные графики при воздействии гармонической вибрации, определены по графикам значения первых резонансных частот и амплитуд резонансных ускорений для образцов из материалов, используемых в конструкции шкафа РЭС.

Далее используется разработанная в диссертации подсистема ИДЕНТИФИКАЦИЯ. С помощью интерфейса подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ вводятся все необходимые геометрические параметры рассчитываемой модели, точно такие же, как и у модели, используемой при натурных испытаниях, параметры крепления, размер дискрета конечно-элементной сетки. Далее в рамках интерфейса вводятся начальные физико-механические параметры материала расчётного образца, а также неизменяемые в процессе идентификации физико-механические параметры материала, а также диапазон варьирования идентифицируемых параметров, количество итераций поиска оптимального решения и величина отклонения (ошибки) расчётных значений с идентифицированными параметрами от экспериментальных значений с реальными физико-механическими параметрами конструкции. Далее подсистема переходит к работе в автоматическом режиме на основании введенных данных.

В процессе работы подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ при воздействии гармонической вибрации производится идентификация модуля упругости и коэффициента Пуассона, автоматическое сравнение первой экспериментальной резонансной частоты с первой расчётной резонансной частотой. При совпадении расчётной резонансной частоты, с экспериментальной резонансной частотой с заданной в приложении точностью в заданном диапазоне итераций поиска оптимального решения, мы получаем идентифицированные значения модуля упругости и коэффициента Пуассона. Далее проводится идентификация КМП и коэффициента зависимости КМП от напряжения (gamma и ksigma) и в подсистеме в автоматическом режиме производится сравнение первой экспериментальной резонансной амплитуды ускорения с первой расчётной резонансной амплитудой ускорения с заданной точностью в заданном диапазоне итераций поиска оптимального решения. Далее, как следует из блок-схемы, проводится расчёт модели с идентифицированными параметрами в заданном диапазоне частот с учетом нелинейности по напряжениям и получение расчётного графика АЧХ для сравнения с графиком АЧХ, полученного при натурных испытаниях реального объекта. А далее полученные результаты идентификации используются в моделировании конструкции шкафа РЭС. Пример применения автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС на примере расчета шкафа на механические воздействия приведен на рисунке 6.

В приложении А приведены акты внедрения результатов диссертационной работы в практику проектирования и производства ОАО "Научно-производственный центр "САПСАН" (г. Москва), а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики.

В приложении Б приведён отчёт о проведении моделирования шкафа РЭС при механических воздействиях в подсистеме ШКАФ-М.

В приложении В приведено руководство пользователя для подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС ИДЕНТИФИКАЦИЯ.

В приложении Г приведено руководство пользователя для подсистемы анализа типовых конструкций шкафов и стоек РЭС на механические воздействия ШКАФ-М.

Рисунок 6 - Пример применения автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС на примере расчета шкафа на механические воздействия

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные научные, теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Исследованы особенностей конструкций РЭС с точки зрения идентификации физико-механических параметров математических моделей.

2. Разработаны алгоритмы идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов ПУ, блоков и шкафов РЭС в точке и по графику при вибрационных воздействиях, позволяющие определять модуль упругости, коэффициент Пуассона, КМП, коэффициент зависимости КМП от напряжения для моделирования при вибрационных воздействиях.

3. Разработаны алгоритмы идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов ПУ, блоков и шкафов РЭС в точке и по графику при ударных воздействиях и линейном ускорении, позволяющие определять модуль упругости, коэффициент Пуассона, КМП, коэффициент зависимости КМП от напряжения для моделирования при ударных воздействиях и линейном ускорении.

4. Разработаны алгоритмы моделирования механических процессов в типовых конструкциях шкафов РЭС.

5. Разработана структура и осуществлена программная реализация автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС, обеспечивающей удобный проектировщику РЭС язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода и позволяющей конструктору по идентифицированным параметрам проводить анализ ускорений в частотной и временной областях с учетом нелинейности модели демпфирования.

6. Разработаны графические интерфейсы ввода-вывода для моделирования механических процессов в шкафах РЭС и осуществлена программная реализация автоматизированной подсистемы анализа типовых конструкций шкафов и стоек РЭС на механические воздействия.

7. Разработана методика идентификации и моделирования механических процессов в ПУ, блоках и шкафах РЭС на ранних этапах проектирования, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами осуществлять автоматизированное построение математических моделей ПУ, блоков и шкафов, проводить расчет на различные механические воздействия и принимать решение об обеспечении стойкости ПУ, блоков и шкафов к механическим воздействиям.

8. Проведено внедрение созданной методики в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Е.О. Першин, A.C. Шалумов, Д.Б. Соловьев. Задача математического моделирования радиоэлементов в составе печатных узлов для оценки времени до усталостного разрушения выводов радиоэлементов // Успехи современной радиоэлектроники. -2011. - № 1. - С.35-41.

2. Д.Б. Соловьев, A.C. Шалумов, Д.А. Способ, Е.О. Першин. Структурный анализ моделей шкафов радиоэлектронных средств с использованием подсистемы АСО-НИКА-М и рассмотрение возможности дальнейшей их оптимизации // Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 1. - С.56-60.

3. Шалумов A.C., Кофанов Ю.Н., Куликов O.E., Травкин Д.Н., Соловьев Д.Б., Першин O.E. Динамическое моделирование сложных радиоэлектронных систем // Динамика сложных систем. - 2011. - № 3. - С.51-59.

4. Е.О. Першин, Д.Б. Соловьев, A.C. Шалумов. Разработка средств автоматизации для усталостного анализа конструкций радиоэлектронных средств при механических воздействиях // Наукоемкие технологии. —2011. - № 11,- С. 14-24.

5. Д.Б. Соловьев, A.C. Шалумов, Е.О. Першин. Моделирование механических процессов в шкафах радиоэлектронных средств в подсистеме АСОНИКА-М и идентификация физико-механических параметров модели // Наукоемкие технологии. - 2011. - № 11. - С.25-31.

В других изданиях:

6. Шалумов A.C., Кофанов Ю.Н., Увайсов С.У., Соловьев Д.Б. и др. Автоматизированная система АСОНИКА для моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах с учетом внешних воздействий / Под ред. A.C. Шалумова. - М.: Радиотехника, 2013. - 424 с.

7. Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В., Соловьев Д.Б., Шалумов A.C. Разработка методики прогнозирования работоспособности приборов на основе оптимизации тепловых и механических характеристик // «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика - 2009)» / Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - С.76.

8. Соловьев Д.Б., Шалумов A.C. Применение в учебном процессе методики прогнозирования работоспособности приборов на основе оптимизации тепловых и механических характеристик // «Повышение качества высшего профессионального образования» / Материалы Всероссийской научно-методической конференции. - Часть 2. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С.53-54.

9. Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В., Соловьев Д.Б., Шалумов A.C. Разработка методики оптимизации конструкции приборов на основе варьирования массогабаритных параметров // «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика -2010)» / Материалы XV Международной конференции и Российской научной школы. Часть 2. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - С.34 - 35.

10. Шалумов A.C., Куликов O.E., Соколов А.Д., Соловьев Д.Б., Першин Е.О. Многокомпонентный программный комплекс АСОНИКА для анализа и обеспечения стойкости аппаратуры к внешним воздействующим факторам и надежности / «Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов. Седьмой выпуск. - Ульяновск: УлГТУ, 2010. - С. 179-191.

П.Соловьев Д.Б., Шалумов A.C. Структурный анализ произвольных конфигураций типовых моделей шкафов радиоэлектронных средств с использованием подсистемы АСОНИКА-М // «Интеллектуальные системы» / Труды Девятого Международного симпозиума / под ред. К.А. Пупкова. - М.: РУСАКИ, 2010. - С.281-284.

12. Соловьев Д.Б., Шалумов A.C. Методика автоматизации процесса проектирования и выбора лучшего варианта конструкции РЭС с учетом тепловых и механических воздействий // «Информационные системы и технологии. ИСТ-2010» / Материалы XVI Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, 2010. - С.216-217.

13. Е.О. Першин, A.C. Шалумов, Д.Б. Соловьев. Задача математического моделирования радиоэлементов в составе печатных узлов для оценки времени до усталостного разрушения выводов радиоэлементов // «Виртуализация проектирования и испытаний электронной аппаратуры» / Труды ОАО «Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники» / под ред. О.Ю. Мартынова, A.C. Шалумова, Н.В. Малютина, Ю.Н. Кофанова. - М.: Издательство «Радиотехника», 2011. - С.35-41.

14. Д.Б. Соловьев, A.C. Шалумов, Д.А. Способ, Е.О. Першин. Структурный анализ моделей шкафов радиоэлектронных средств с использованием подсистемы АСО-НИКА-М и рассмотрение возможности дальнейшей их оптимизации // «Виртуализация проектирования и испытаний электронной аппаратуры» / Труды ОАО «Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники» / под ред. О.Ю. Мартынова, A.C. Шалумова, Н.В. Малютина, Ю.Н. Кофанова. - М.: Издательство «Радиотехника», 2011. - С.56-60.

Подписано в печать 20.06.2013 Формат 60x90/16. Тираж 100 экз. Заказ 277. Издательство типография ООО «Копи Принт» 105064, г. Москва, ул. Земляной Вал, д. 24/32. www.copyprint.ru

Владимирский филиал ФГБОУ ВПО «Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»

На правах рукописи

04201361015

4

КА

СОЛОВЬЕВ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВАХ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ САПР

Специальность 05.13.12- Системы автоматизации проектирования

(в приборостроении)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор: Шалумов А.С.

МОСКВА-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................7

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЭС НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ............................................................................16

1Л. Основные современные автоматизированные средства для проведения расчётов РЭС на механические воздействия и проблемы связанные с проведением моделирования.................................................................................16

1.2. Анализ существующих программных систем для проведения расчётов аппаратуры на различные механические воздействия и оценка эффективности той или иной системы.............................................................................................21

1.3. Цель, основные задачи, научная новизна, практическая полезность исследования............................................................................................................51

1.4. Выводы к первой главе.................................................................................54

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ФИЗИКО-

МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РЭС И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ШКАФОВ РЭС ...................................................................................................................................56

2.1. Выбор методов идентификации и оптимизации для создания системы автоматизированного проектирования (САПР), ориентированной на идентификацию физико-механических параметров радиоэлектронных средств

(РЭС).........................................................................................................................56

2.2. Разработка алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков, шкафов, печатных узлов (ПУ) РЭС в точке и по графику при вибрационных воздействиях............................................................................................................76

2.2.1. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС в точке при вибрационных воздействиях..................................................................................76

2.2.2. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС по графику при вибрационных воздействиях..................................................................................79

2.2.3. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов (ПУ) в точке при вибрационных воздействиях..................................................................................82

2.2.4. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов (ПУ) по графику при вибрационных воздействиях..................................................................................85

2.3. Разработка алгоритмов идентификации физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС, печатных узлов (ПУ) в точке и по графику при ударных воздействиях............................................................................................................88

2.3.1. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС в точке при ударных воздействиях............................................................................................................88

2.3.2. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов блоков и шкафов РЭС по графику при ударных воздействиях............................................................................................91

2.3.3. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов РЭС в точке при ударных воздействиях............................................................................................................93

2.3.4. Идентификация физико-механических параметров математических моделей механических процессов печатных узлов РЭС по графику при ударных воздействиях............................................................................................96

2.4. Разработка алгоритма моделирования типовых конструкций шкафов РЭС в подсистеме ШКАФ-М.........................................................................................98

2.5. Выводы ко второй главе.............................................................................100

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РЭС И АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В

ПРОИЗВОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ШКАФОВ РЭС..................................101

3.1. Структура подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ..........................................104

3.2. Структура подсистемы ШКАФ-М.............................................................106

3.3. Структура входных и выходных данных подсистемы ИДЕНТИФИКАЦИЯ............................................................................................108

3.3.1. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей блоков и шкафов РЭС в точке при воздействии гармонической вибрации.... 108

3.3.2. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей блоков и шкафов РЭС по графику при воздействии гармонической вибрации .................................................................................................112

3.3.3. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей блоков и шкафов РЭС в точке при ударном воздействии................................114

3.3.4. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей блоков и шкафов РЭС по графику при ударном воздействии.........................119

3.3.5. Структура входных и выходных данных при проведении

идентификации физико-механических параметров математических моделей

печатных узлов РЭС в точке при воздействии гармонической вибрации......121

4

3.3.6. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей печатных узлов РЭС по графику при воздействии гармонической вибрации 125

3.3.7. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей печатных узлов РЭС в точке при ударном воздействии...................................127

3.3.8. Структура входных и выходных данных при проведении идентификации физико-механических параметров математических моделей печатных узлов РЭС по графику при ударном воздействии............................131

3.4. Структура входных и выходных данных подсистемы ШКАФ-М..........134

3.5. Выводы к третьей главе..............................................................................139

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИДЕНТИФИКАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПУ, БЛОКАХ И ШКАФАХ РЭС НА РАННИХ ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.....................141

4.1. Стру ктура методики....................................................................................141

4.2. Пример применения автоматизированной подсистемы идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС на примере расчета шкафа на механические воздействия....................................................153

4.3. Внедрение результатов диссертационной работы...................................159

4.4. Выводы к четвёртой главе..........................................................................161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................162

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ....................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ А_Акты внедрения...................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ОТЧЕТ ПРОВЕДЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ШКАФА РЭС ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В ПОДСИСТЕМЕ ШКАФ-М.............................................................................................................................178

ПРИЛОЖЕНИЕ В ПОДСИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РЭС ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ.................................................................................................239

ПРИЛОЖЕНИЕ Г_ПОДСИСТЕМА АНАЛИЗА ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ШКАФОВ И СТОЕК РЭС НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШКАФ-М

ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ..............284

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день для проведения механических расчётов, как можно проследить по [1,2,3,4], радиоэлектронных средств (РЭС) на различные механические воздействия, как правило, используют компьютерные системы инженерного анализа (Computer-Aided Engineering, CAE).

В [5] сказано, что развитие CAE-систем происходит за счёт постоянного прогресса в компьютерной индустрии. Постепенно окрепло понимание того, что успеха в производственной деятельности в современных условиях можно добиться, только используя компьютерное моделирование. Это позволяет повысить качество продукции, ускорить её выпуск и сократить затраты на разработку.

Но стоит отметить, что достаточно длительное время CAE-системы не находили признания в производстве, уступая место традиционным методикам расчётов и испытаний. Вопросы испытаний подробно рассмотрены в [6,7,8,9,10,11]. Но постепенно ряд успешных проектов, выполненных с применением CAE-систем, завоевал им популярность. Параллельно с развитием программного обеспечения, происходит постоянное развитие аппаратного обеспечения, а его стоимость снижается, следовательно, компьютерные аппаратные ресурсы становятся доступнее, что является очень важным в виду большой вычислительной емкости инженерных расчетов. Несколько лет назад для них использовались дорогие мощные серверы, а сейчас настольные персональные компьютеры справляются с теми же задачами.

Однако, работа с современной CAE-системой остается крайне трудоёмким и наукоёмким, требующим наличия большого опыта в той области знаний, в которой проводится моделирование, занятием. Также, несмотря на значительно возросшую роль производительности вычислительной техники, ее мощностей все ещё на данном этапе развития остается недостаточно для построения модели механических процессов, позволяющей в полном объеме отразить все свойства реального объекта с максимальной точностью. Это является достаточно серьёзной проблемой, так как для получения точных резуль-

7

татов расчёта необходимо, чтобы расчётная модель максимально точно отражала характеристики реального объекта с геометрической точки зрения. На данном же этапе для проведения механических расчетов в основном используются упрощённые с геометрической точки зрения модели.

Помимо геометрических характеристик весьма весомую роль при моделировании механических процессов играют физико-механические параметры математических моделей, используемые в расчётах. Одной из серьёзных проблем при современном компьютерном моделировании реальных физических процессов, является процесс идентификации физико-механических параметров рассчитываемой конструкции. При идентифицированных параметрах, учитывая, что геометрически расчётная модель максимально схожа с реальной конструкцией удаётся добиться совпадения расчётных амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) конструкции с экспериментальными. В современных компьютерных системах механического моделирования таких как: NASTRAN, Patran, ADAMS, Dytran, MARC, ANSYS, LS-DYNA, ABAQUS, COSMOS отсутствует механизм идентификации физико-механических параметров и учёта нелинейности физико-механических свойств при возникающих в конструкции напряжениях. С другой стороны, учитывая тот факт, что, несмотря на бурное развитие электронно-вычислительной техники в последние десятилетия, появление достаточно мощных суперкомпьютеров, возможность массового использования такого рода оборудования все еще далека от потребностей проектирования, учитывая высокую стоимость такого рода вычислительных средств. Также отметим, что развитие аппаратных средств происходит очень быстрыми темпами, а, следовательно, при дальнейшем развитии элементной базы, используемой при создании компьютеров, удастся максимально решить проблемы построения геометрической модели по всем геометрическим параметрам, совпадающей с реальным объектом. Но проблемы идентификации физико-механических параметров конструкции и учета нелинейности физико-механических свойств конструкции в зависимости от возникающих напряжений решать сложнее, так как в данной ситуации приходится принимать во

8

внимание постоянное появление новых наиболее технологичных материалов, используемых при конструировании.

Процесс идентификации параметров математических моделей позволяет:

• провести экспериментальные исследования конструкции однократно и далее, проведя процесс идентификации физико-механических параметров конструкции работать уже непосредственно с электронной моделью изделия;

• как следствие из вышесказанного: сокращение сроков производства, увеличение надежности продукции, снижение влияния человеческого фактора на процесс производства высокотехнологичной, наукоёмкой и дорогостоящей продукции;

• путём проведения научных исследований накапливать электронные модели изделий с параметрами расчётных моделей наиболее близкими к параметрам реальных конструкций, что при современных условиях производства является наиболее важным;

• существенно снизить стоимость готовой продукции, максимально используя компьютерное моделирование конструкции с идентифицированными параметрами на ранних этапах проектирования, учитывая, что процедура натурных испытаний является крайне дорогостоящей и длительной во времени.

О том, что задача идентификации является крайне актуальной, свидетельствует наличие большого числа научных трудов по данной тематике. Проблемам идентификации посвятили свои научные труды такие учёные, как Хо Б.Л.[12] (Но B.L.), Кальман Р.Е.[12] (Kaiman R.E.), Астром К.Д.[13] (Astrom K.J.), Эйкхофф П.[13] (Eykhoff Р.), Сейдж Э.Г.[14] (Sage E.G.), Мелса Дж.Л.[14] (Melsa J.L.), Аоки М.[15] (Aoki М.), Райбман Н.С.[16], Цыпкин Я.3.[17], Ибрагимов И.А.[18], Хасьминский Р.3.[18], Шалумов А.С.[19],

9

Сольницев Р.Щ20], Альбрэхт Э.Г.[21], Нанахара Т.[22] (КапаЬага Т.), Катси-каделис Д.Т.[23] (Ка181каёеН8 J.T.), Мирошник И.В.[24], Черноруцкий И.Г.[25,26] и другие.

Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику решения задач идентификации и, в частности, в идентификацию физико-механических параметров РЭС. Однако, в данных работах отсутствует описание средств автоматизации процесса идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС, позволяющих в минимальные сроки и с минимальными затратами проводить идентификацию физико-механических параметров математических моделей РЭС и принимать решение об адекватности идентифицированных параметров при сравнении расчетных графиков АЧХ и амплитудно-временных характеристик (АВХ) с экспериментальными графиками. Кроме того, отсутствуют методы и алгоритмы расчёта идентифицированных параметров математических моделей РЭС.

Таким образом, для создания конкурентоспособных и высоконадежных РЭС актуальной проблемой является решение задач автоматизированной идентификации физико-механических параметров математических моделей РЭС, как на программном, так и на методическом уровнях.

В рамках работы над диссертацией передо мной стоял выбор расчётного ядра для создания подсистемы идентификации параметров. При решении данной задачи я учёл тот факт, что разработка современных САЕ-систем [27,28] ведётся с использованием расчётного ядра построенного на методе конечных элементов. Выбор в пользу конечно-элементного р ешателя был сделан неслучайно, так как среди систем, построенных на МКЭ, есть универсальные пакеты, например АЫ8У8, позволяющие проводить всевозможное моделирование в самом широком диапазоне научных задач, что является немаловажным фактором. Но главным фактором при выборе расчётной системы является, конечно, ее функциональность, а функциональность системы А№У8, как будет описано чуть ниже, ни в чем не уступает остальным САЕ-системам. А поскольку система А№У8 ни в чём не уступает остальным САЕ-системам, и с

10

данной системой мы уже работаем продолжительное время, как и большая часть аудитории пользователей САЕ-систем, приходим к выводу, что использование системы АК8У8 для решения задач данного исследования является наиболее обоснованным. Также в современных САЕ-системах отсутствует интерфейс проектирования типовых конструкций блоков и шкафов РЭС [29,30,31,32,33,34,35,36,37,38] для ранних этапов проектирования. Поэтому существует необходимость в его создании. В А1чГ8У8, как показало исследование, отсутствует механизм получения достоверных физико-механических параметров математической модели, рассчитываемой конструкции с учётом зависимости её демпфирующих свойств [39] от напряжений, возникающих в рассчитываемой конструк�