автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка автоматизированной подсистемы анализа надежности несущих конструкций радиоэлектронных средств с учетом внешних воздействий

На правах рукописи

Урюпин Илья Сергеевич

Разработка автоматизированной подсистемы анализа надежности несущих конструкций радиоэлектронных средств с учетом внешних воздействий

Специальность: 05.13.12- «Системы автоматизации проектирования (приборостроение)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 МАЙ 2014

Москва - 2014

005549421

Работа выполнена в научно-исследовательском отделе «Сборка» ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш»

Научный руководитель:

Шалумов Александр Славович - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Шепитько Григорий Евдокимович - доктор технических наук, профессор кафедры защиты информации АОЧУ ВПО «Московский финансово-юридический университет МФЮА».

Юрин Александр Игоревич - кандидат технических наук, доцент МИЭМ НИУ "Высшая школа экономики"

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева»

Защита состоится « 26 » июня 2014 г. в 10 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 и на сайте ФГУП "Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования" www.niiae.ru

Автореферат разослан « » мая 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 217.047.01 доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день развитие техники можно охарактеризовать разработкой и эксплуатацией изделий, которые представляют сложные технические комплексы и системы, в большинстве имеющие в своем составе радиоэлектронные средства (РЭС), выполняющие различные функции. Надежность является одним из важных свойств данных систем. На данных этапах изделие подвергается комплексному воздействию внешних факторов. К таким факторам относятся климатические, механические, электрические, электромагнитные, существенно влияющие на надежность конструкции данного изделия, а также входящих в него компонентов, что приводит к преждевременным отказам из-за сокращения срока службы изделия.

Кроме того, количество задач, которое решается с помощью РЭС, с каждым годом увеличивается, а также возрастает их сложность. Это привело к тому, что оснащенность РЭС, установленной на объектах космической, авиационной, морской и наземной техники чрезвычайно возросла, и отказ в работе хотя бы одного из устройств в системе может привести к отказу всего объекта. На основании этого требования к надежности РЭС, в частности к их несущим конструкциям, постоянно повышаются.

Воздействия механических факторов вызывают значительную часть (до 50%) отказов РЭС, которые связаны с выходом механических характеристик конструкций РЭС за пределы, установленные нормативно-технической документацией. Под механическими характеристиками РЭС подразумеваются: напряжения, ускорения и перемещения. Примерами отказов, приводящих к выходу несущей конструкции РЭС из строя или, по крайней мере, требующих прекращения ее эксплуатации, могут служить превышения допустимых значений напряжений, что ведет ее к разрушению, опрокидыванию, деформациям и. т.д.

Таким образом, в результате штатных и нештатных механических воздействий возможны нарушения требований по прочности и, соответственно, требований по надежности несущей конструкции изделия (блоки, шкафы РЭС), самих элементов изделия, так и их креплений и соединений. Одним из самых важных показателей в современной технике является надежность. В свою очередь она влияет на такие показатели, как безопасность, эффективность, риск, готовность, живучесть, качество. Если техника имеет высокую надежность, то только тогда может быть эффективной.

Для решения задач динамики конструкций РЭС применение аналитических методов на практике достаточно трудоемкая задача, так как конструкции современных РЭС являются сложными механическими системами с множеством упругих и жёстких связей. Поэтому для решения задач такого класса применяется компьютерное моделирование.

Несмотря на то, что на ранних этапах проектирования производится моделирование механических факторов на конструкции РЭС с помощью ЭВМ, в большинстве случаев в расчетах нет возможности учета влияния механических воздействий на надежность непосредственно несущей конструкции РЭС ввиду отсутствия специального программного обеспечения. Исходя из этого в настоящее время весьма актуальна задача, связанная с разработкой соответствующего программного обеспечения, предназначенного для расчета надежности несущих конструкций при воздействии внешних факторов.

Компьютерное моделирование является одним из средств для прогнозирования комплексного влияния воздействий внешних факторов. Существует значительное количество программных продуктов (CAE-систем) для их анализа. Наиболее известные программные продукты: ANSYS, NX NASTRAN, MARC, и др.

Решением задачи моделирования механических процессов в конструкциях РЭС занимались такие специалисты, как Маквецов E.H., Тартаковский A.M., Травкин Д.Н., Сарафанов A.B., Кожевников A.M., Крищук В.Н., Шалумов А.С, Фадеев O.A., Ваченко A.C., Способ Д.А., Русановский С.А. и др. Но в указанных работах отсутствует методика сквозного моделирования внешних воздействий на конструкции РЭС на всех иерархических уровнях, которая позволила бы с минимальными затратами и в минимальные сроки проводить расчеты на воздействие различных факторов и принимать решение по надежности несущей конструкции РЭС и входящим в нее ЭРИ.

При проектировании и производстве определяется надежность техники. Таким образом, для того чтобы создать техническую систему, которая удовлетворяла бы требованиям по надежности, требуется умение рассчитывать ее надежность на этапе проектирования, обладать методами по обеспечению высокой надежности и возможности их реализовать технически. Также необходимо экспериментально доказать, что в спроектированной системе показатели надежности соответствуют заданным требованиям.

Решениями задач по расчету надежности занимались такие специалисты, как Махутов Н.А, Болотин В.В., Жаднов В.В., Шалумов А.С, Шлете Г., Половко A.M. и др. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику решения задач по надежности. Однако в данных работах рассматривается расчет надежности элекгрорадиоизделий (ЭРИ) и расчет надежности объектов из области строительства и машиностроения. Отсутствуют алгоритмы расчета надежности несущих конструкций РЭС с учетом результатов, полученных при комплексном моделировании воздействия внешних факторов.

Таким образом, для создания конкурентоспособной и высоконадежной аппаратуры актуальной проблемой является решение задач автоматизированного анализа надежности её несущей конструкции с учетом комплексных воздействий в минимальные сроки и с минимальными затратами.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования радиоэлектронных средств, отвечающих требованиям, заданным в нормативно-технической документации по стойкости к внешним воздействиям и надежности, а также сокращение стоимости и сроков их изготовления за счет автоматизированного анализа показателей надежности конструкции РЭС на основе сквозного компьютерного моделирования РЭС на внешние воздействующие факторы.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе проводится решение следующих задач:

1. Исследование особенностей несущих конструкций РЭС и их моделей для дальнейшей подготовки данных к расчетам их надежности.

2. Разработка методики анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования.

3. Разработка алгоритма комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов.

4. Разработка алгоритма автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии механических факторов.

5. Разработка моделей корпусов электрорадиоизделий, вносимых в базу данных и в дальнейшем учитываемых при проведении комплексного моделирования.

6. Разработка структуры и реализация автоматизированной подсистемы анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии внешних факторов, включая интерфейсы визуализации подготовки данных и вывода результатов.

7. Разработка методики сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС.

8. Внедрение разработанной методики в учебный процесс вузов, а также в практику ранних этапов проектирования на промышленных предприятиях. Методы исследований. Для решения поставленных задач используются методы

теории прочности, теории надежности систем, методы вычислительной математики, а также компьютерной графики.

Научная новизна. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан алгоритм комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов, который впервые позволяет осуществить расчет показателей надежности конструкции РЭС на основе сквозного компьютерного моделирования РЭС на внешние воздействующие факторы.

2. Разработан алгоритм автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии механических факторов, который отличается от существующих учетом результатов моделирования механических процессов в РЭС при воздействии вибраций и ударов.

3. Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии внешних факторов, которая отличается от существующих учетом механических факторов и интегрированием в общий процесс автоматизированного проектирования конструкций РЭС, а также высокой степенью автоматизации, не требующей от пользователя специальных знаний в области надежности и моделирования.

4. Разработана методика сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС, позволяющая на ранних этапах проектирования РЭС за минимальное время определять и обеспечивать показатели надежности конструкции РЭС путем проведения анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования.

Практическая полезность работы заключается в том, что применение разработанных методических и программных средств дает возможность сократить временные и материальные затраты на ранних этапах проектирования РЭС с учетом требований нормативно-технической документации по стойкости к внешним воздействиям и надежности за счет расчета показателей надежности конструкции РЭС на основе сквозного компьютерного моделирования РЭС на внешние воздействующие факторы.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 14 научных работ, в том числе 7 (семь) статей в журналах из перечня ВАК, 1 (одна) монография.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии (ИСТ-2011)», Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (г. Москва, 2011 г.), бб-й научной сессии посвященной дню Радио (г. Москва, 2011 г.), конференции «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2011», II молодежной научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), восьмой научно-технической конференции «Люльевские чтения» (г. Екатеринбург, 2012 г.).

Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методики и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО РКК «Энергия» (г. Королев).

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

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 282 страницах машинописного текста и состоит из основной части, изложенной на 171 листе, которая содержит 90 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 102 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 проведен анализ современного состояния автоматизированного проектирования РЭС, моделирования на воздействия внешних факторов. Проведен анализ проблемы надежности несущих конструкций РЭС, дано обоснование ее актуальности. Отмечено, что на надежность несущих конструкций РЭС влияют нештатные механические воздействия.

Проведен анализ программного обеспечения, которое применяется для моделирования механических процессов в РЭС. Рассмотрен перечень применяемых специализированных программных продуктов, а также универсальных конечно-элементных САЕ-систем для моделирования конструкций РЭС. Отмечаются достоинства универсальных программных продуктов, которые заключаются в возможности построения сложных моделей. Но, для того чтобы применить данные универсальные системы, требуются серьезные теоретические знания и опыт использования данных программ. Кроме того, отсутствие специализированных баз данных по параметрам материалов конструкций РЭС, а также по параметрам ЭРИ приводит к увеличению времени построения и ставит под сомнение адекватность моделей, создаваемых в универсальных программах. Другим существенным недостатком универсальных программных продуктов является ограниченность, либо полное отсутствие средств для проведения расчета надежности несущих конструкций РЭС.

Проведен анализ программных продуктов, предназначенных для расчета надежности систем. Отмечаются достоинства данных' программных продуктов, которые заключаются в возможности построения сложных моделей. Тем не менее, в

данных программных продуктах не учитывается влияние механических факторов на несущую конструкцию РЭС.

Проведен анализ существующих методов и моделей расчета надежности несущих конструкций. С помощью выбранной модели пуассоновского типа можно сделать вывод о наиболее вероятном поведении исследуемой системы, с учетом задаваемых параметров.

Одним из ключевых моментов при проектировании РЭС является расчет надежности входящих в нее радиотехнических и радиоэлектронных устройств. В частности, рассчитывается надежность несущей конструкции РЭС. Под расчетом надежности несущей конструкции подразумевается не превышение допустимых значений параметров материалов, которыми обладает данная конструкция при механических воздействиях. Одним из таких параметров является предел прочности материала, значения которого сравнивается со значениями механического напряжения при учете задаваемого коэффициента запаса.

Известно, что решение ряда проблем в области прочности, ресурса и безопасности в значительной степени сводится к научно-обоснованному построению реальных и допустимых расчетных кривых и удержанию состояний объектов в пределах допускаемых по уровням напряжений и деформаций

л

где [а] — допускаемое напряжение, п — нормативный коэффициент запаса прочности (коэффициент безопасности), который предписан нормами проектирования конструкций, <тпр — предельное напряжение материала.

Если допустить, что все параметры, которые рассчитываются, носят вероятностный характер, тогда это означает, что наступление отказов, повреждений, катастроф и аварий также имеет вероятностную природу. Следовательно, вышеуказанные выражения, которые подкреплены необходимой статистикой, позволяют оценивать надежность объектов, относящихся к техносфере. Это означает, что можно обеспечить заданный запас и по установленной вероятности Р.

При разработке модели автоматизированного анализа надежности применяется расчет по допускаемым напряжениям. Основные неравенства расчета по допускаемым напряжениям:

=ф]>

Г.ШХ

где ^тахИ гтах" наибольшие расчетные нормальное и касательное напряжения соответственно.

Фактические нагрузки, которым подвергается деталь, и свойства материалов, из которых она была изготовлена, могут значительно отличаться от тех, которые принимаются для расчета.

При этом носят случайный характер и предварительно не могут быть учтены факторы, снижающие прочность детали (перегрузки, неоднородность материалов и т. д.). При расчете надежности несущих конструкций учитываются механические воздействия, передающиеся с верхнего уровня иерархии на нижний.

Рассматривается математическое описание модели надежности.

Пусть V - пространство, предназначенное для описания качества системы. Тогда, каждое качество системы характеризуется элементом V е V, при этом роль параметра

играет время t. Каждой траектории u(t) в пространстве U ставится в соответствие некоторая траектория v(t) в пространстве качества V. Связь между элементами этих пространств и траекториями в них определяется соотношением операторов. Оператор M может быть, в частности, тождественным оператором.

v = Mu

Множество состояний системы, которое допустимо относительно качества, образует в пространстве качества M область допустимых состояний £20- Граница области Qo соответствует предельным состояниям. Пусть данная граница - предельная поверхность и обозначается через Г. Если v е £20, то это означает, что значения параметров, характеризующих качества системы, лежат в установленных допусках. Пересечение траекторий v(t) предельной поверхности Г в направлении внешней нормали соответствует тому, что в системе произошел отказ. Тогда пространства Q, U и V — эвклидовы пространства. Траектории q(t), u(t), v(t) представлены на рисунке 1 для случая, когда Q, U и V пространства есть эвклидовы трехмерные пространства.

воздействие q(t). Тогда, в пространстве качества F стохастическими будут траектории v(t). Случайное (случайный выброс элемента превышает область допустимых состояний) пересечение предельной поверхности Г траекторией v(t) интерпретируется как отказ. Вероятность безотказной работы, являющаяся функцией надежности, в данном случае может быть вероятностью пребывания элемента v(x) в допустимой области П0 на временном отрезке [0, /]:

P(0 = P{vWeQ0;r€[0,/]}

Тем не менее, выброс параметров за предельную область, для высоконадежных систем - достаточно редкое событие. Согласно данным условиям, вероятность выброса можно с достаточной точностью оценить, выражая ее через математическое ожидание числа выбросов на отрезке [0,г]. При испытаниях поведение конструкции рассматривается как случайный процесс. Пусть v(t) является непрерывным и дифференцированным случайным процессом, график которого представлен на рисунке 2, заданная совместная плотность вероятности которого p(v,v;t) зависит от t (времени) как от параметра.

Из области возможных значений берется некоторое детерминистическое постоянное значение и, и рассчитывается математическое ожидание числа

пересечений процессом и(1) уровня и, •

Рисунок 2 - Пересечение процесса с уровнем и. На основании вышеизложенного решение задачи заключается в вычислении вероятности случайного события, которое состоит в том, что в течение малого

промежутка времени Л/ осуществится одно положительное пересечение уровня О* . Функция надежности определяется по формуле (модель пуассоновского типа):

о

где у+ (¿л; т) - математическое ожидание числа положительных пересечений уровня

О» в единицу времени.

Применяемый к решению задачи об определении вероятности редких выбросов подход основан на использовании распределения Пуассона. Допустим, что в течение времени 0 <т<С регистрируется наступление некоторых событий. Пусть к - число событий за время наблюдения, а - математическое ожидание этого числа. Полагая, что распределение событий следует закону Пуассона, получим, что вероятность наступления к событий за время наблюдения 0 < т < ? составляет

к\

е-(к = 0,1,...).

Положительное пересечение процессом уровня 1Л рассматривается как событие в пуассоновском потоке. Тогда функция надежности определяется как вероятность того, что за время 0 < т < ( не произойдет ни одного события. Таким образом, функция надежности определяется по формуле пуассоновского распределения при ¿=0. При этом вместо математического ожидания а следует подставить математическое ожидание числа положительных пересечений Л^и.ф < г </). Приближенная формула для функции надежности приобретает вид:

Р( Г) = ехр

-jvt_(u.;т)clт

Сравнивая вышеуказанную формулу, с формулой из теории надежности

Р(1)« ехр

-\rndr

получим соотношение

Таким образом, интенсивность отказов X отождествляется здесь с математическим ожиданием числа положительных пересечений уровня ,Л в единицу времени.

Таким образом, исследования процесса проектирования РЭС, связанного с использованием моделирования с помощью ЭВМ, и существующих специально ориентированных программных продуктов для моделирования, приведенные в первой главе диссертации, позволяют сделать вывод о том, что на данный момент отсутствует алгоритм комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов, позволяющий разработчику РЭС в заданные сроки построить электронную модель изделия, провести расчеты на воздействия внешних факторов, дать оценку времени до усталостного разрушения выводов ЭРИ и программного обеспечения, необходимого для принятия решения по повышению надежности несущих конструкций проектируемых РЭС. Также отсутствует алгоритм расчета надежности несущей конструкции РЭС при воздействии механических факторов. Это прежде всего связано с тем, что в специализированных программах, используемых для анализа механических характеристик конструкций РЭС на уровне блоков, шкафов, расчет надежности несущих конструкций при механических воздействиях не проводится, а программы, применяемые для расчета надежности, ориентированы на уровень печатных узлов, ЭРИ и узкоспециализированных сложных систем, где предусмотрен расчет надежности по строго обозначенным параметрам. Отсутствуют модели, позволяющие провести расчет надежности несущих конструкций, которые зависят от данных, полученных при моделировании механических воздействий на конструкцию РЭС. Отсутствуют методики сквозного моделирования, учитывающие влияния воздействия внешних факторов на все уровни иерархии в РЭС.

Выход из сложившейся ситуации лежит в разработке методики сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС, позволяющей на ранних этапах проектирования РЭС за минимальное время определять и обеспечивать показатели надежности конструкции РЭС путем проведения анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования.

Во второй главе разрабатываются алгоритм комплексирования моделей физических процессов в РЭС и алгоритм автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии механических факторов.

Исходными данными для расчета надежности несущей конструкции РЭС являются выходные данные, полученные в результате расчета конструкции РЭС в САЕ-системе на воздействия механических факторов, среди которых можно выделить гармоническую и случайную вибрации, воздействия одиночного и многократного ударов, линейное ускорение.

Далее, во второй главе дается описание алгоритма комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов, позволяющего осуществить расчет показателей надежности конструкции РЭС на основе сквозного компьютерного моделирования РЭС на внешние воздействующие факторы. Блок-схема алгоритма комплексирования моделей физических процессов РЭС представлена на рисунке 3.

Блок 1. Подготовка исходных данных. Для проведения комплексного моделирования физических процессов на конструкцию РЭС необходимо обладать следующими исходными данными:

Эскизы и сборочные чертежи конструкций, выполненные в различных САО-системах.

Рисунок 3 — Блок-схема алгоритма комплексирования моделей физических процессов

РЭС

Блоки 2-4. Расчет электрических характеристик схем РЭС. На данном этапе проводится расчет, как интегральных схем, так и печатных плат для определения соответствия рассчитываемых параметров (токи, напряжения, мощности)

требованиям технического задания. Если рассчитываемые параметры не превышают установленные по ТУ пределы, то далее производится расчет тепловых характеристик РЭС. Если же требования не выполняются, то необходимо внести изменение в схему и заново выполнить расчет с целью соответствия мощностей, токов, электрических напряжений, коэффициентов электрической нагрузки допустимым значениям по ТУ на ЭРИ.

Блоки 5-7. Расчет тепловых характеристик РЭС. С учетом электрических характеристик определяются температуры установленных на платах ЭРИ, а также температуры элементов несущей конструкции РЭС (блок, шкаф) с учетом отвода тепла с более нагретых участков. Полученные значения температур ЭРИ и элементов, входящих в состав несущей конструкции, в дальнейшем используются при расчете механических характеристик. Если требования по тепловым характеристикам не выполняются, то в конструкцию вносятся изменения по тепловым режимам с целью соответствия температур допустимым значениям по ТУ на ЭРИ.

Блоки 8-10. Расчет механических характеристик РЭС. Производится расчет несущей конструкции РЭС на воздействие механических факторов с учетом тепловых характеристик, влияющих на свойства материалов. В результате расчета получаются значения ускорений, механических напряжений и перемещений. Если полученные данные превышают допустимые пределы, то в конструкцию вносятся изменения по механическим режимам с целью соответствия ускорений допустимым значениям по ТУ на ЭРИ и напряжений допустимым значениям по ТУ на материалы. Далее проводится расчет на усталостную прочность с учетом полученных при расчете механических характеристик.

Блок 11-13. Расчет усталостной прочности. Проводится расчет времени до усталостного разрушения несущей конструкции РЭС. Учитываются механические и усталостные характеристики материалов. Выходными данными являются следующие характеристики: напряжения, перемещения, время до усталостного разрушения. Если требования по усталостной прочности не выполняются, то необходимо вносить изменения в конструкцию с целью соответствия времени до усталостного разрушения допустимым значениям по ТУ на ЭРИ и допустимым значениям по ТУ на материалы.

Совокупность блоков 2, 5, 8, 11 представляет собой электронную модель изделия, в которой учтены влияния электрических, тепловых, механических и усталостных характеристик. Если перечисленные данные удовлетворяют заданным в ТУ требованиям, то производится расчет надежности несущей конструкции РЭС с учетом воздействия указанных факторов.

Блок 14-16. Расчет надежности несущей конструкции. На данном этапе производится расчет показателей надежности несущей конструкции РЭС -вероятности безотказной работы и интенсивности отказов - при применении данных, полученных в ходе расчета конечно-элементной модели РЭС на воздействия внешних механических факторов. Учитывается предел прочности материала несущей конструкции. Если напряжения превышают допустимый предел, то в конструкцию вносятся изменения, при которых предел прочности материала не будет превышен.

Блок 17-19. Расчет надежности ЭРИ. С учетом рассчитанных электрических и тепловых характеристик производится расчет показателей надежности ЭРИ, входящих в РЭС. Если рассчитанные показатели надежности не удовлетворяют установленным требованиям ТУ на ЭРИ, то в конструкцию вносятся изменения по надежности ЭРИ с целью соответствия показателей надежности требованиям ТУ на ЭРИ и расчет проводится сначала (с этапа расчета электрических схем).

Блок 20-22. Расчет надежности ЭРИ с учетом показателей надежности несущей конструкции. Если полученные значения механических напряжений в узлах конечно-элементной модели не превышают предел прочности материала, но превышают предел, заданный с учетом коэффициента запаса, то полученные показатели надежности для несущей конструкции учитываются при расчете показателей надежности ЭРИ (интенсивность отказов, срок службы), входящих в РЭС. Если рассчитанные показатели надежности не удовлетворяют установленным требованиям ТУ на ЭРИ, то в конструкцию вносятся изменения по надежности ЭРИ с целью соответствия показателей надежности требованиям ТЗ на разработку РЭС.

Исходные данные для расчета надежности несущей конструкции РЭС содержатся в ее конечно-элементной модели, генерируемой из 3 О-модели несущей конструкции, которая с точки зрения прочностных расчетов может быть осложнена:

- значительным количеством ЭРИ;

- наличием в модели малогабаритных деталей (винты, гайки, кабели, шайбы);

- конструктивным исполнение некоторых деталей конструкции.

Расчетная модель конструкции состоит из массива узлов сетки конечных элементов. Однако при создании расчетной модели сложной конструкции необходимо несколько идеализировать ее форму, при этом степень идеализации оказывает влияние на достоверность результатов полученных при расчете. Особое внимание должно уделяться таким местам конструкции, где наиболее вероятно возникновение значительных механических напряжений (места крепления, опоры, разного рода соединения). Тем не менее, невыполнение упрощения электронной модели изделия ведет к увеличению времени, а то и невозможности расчетов.

На рисунке 4 представлена блок-схема алгоритма автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при механических воздействиях. Алгоритм автоматизированного анализа надежности несущих конструкций РЭС представляет собой следующую последовательность действий:

Блоки 1, 2, 3. Задание допускаемого предела прочности, коэффициента запаса, расчет допускаемого предела прочности материала, из которого изготовлена несущая конструкция, с учетом коэффициента запаса.

Блок 4, 5. Производится считывание данных из файлов, содержащих значения напряжений, и последующая обработка загруженных данных.

Блоки 6, 7, 8. Согласно алгоритму расчета надежности несущей конструкции РЭС производится расчет показателей ее надежности в данном временном (частотном) диапазоне.

Блок 9. Рассчитанные с помощью данного алгоритма показатели надежности (интенсивность отказов и вероятность безотказной работы) могут быть учтены при дальнейшем анализе показателей безотказности. Например, могут быть добавлены в подсистему расчета показателей безотказности в качестве соответствующих параметров, отвечающих за влияние механических факторов на конструкцию РЭС.

Алгоритм расчета надежности несущей конструкции РЭС заключается в обработке выходных данных САЕ-систем, проведении ряда расчетов и сохранении в формате, необходимом для передачи и дальнейшего анализа. Исходными данными для расчета надежности являются следующие параметры:

- предел прочности материала, из которого изготовлена несущая конструкция изделия;

- коэффициент запаса прочности;

- выходной файл, полученный в результате расчета в САЕ-системе.

Ниже представлено математическое описание алгоритма расчета надежности несущей конструкции РЭС.

1. Производится задание предела прочности материала с учетом коэффициента запаса:

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма автоматизированного анализа надежности несущей

конструкции РЭС при механических воздействиях

»

где [<7] — допускаемое напряжение; [я] — нормативный коэффициент запаса прочности (коэффициент безопасности), который предписан нормами проектирования конструкций; <тпр — предельное напряжение материала.

2. Производится анализ данных выходного файла, полученного в результате расчета в САЕ-системе. Осуществляется подсчет узлов в конечно-элементной модели. Значения напряжений в каждом из узлов сравниваются со значением допускаемого напряжения материалов [а].

На данном этапе производится поиск случайных выбросов значений напряжений из частотного или временного диапазонов в каждом из узлов конечно-элементной сетки. Далее производится подсчёт узлов, в которых имеются превышения во всем диапазоне частот (времени).

При расчете надежности несущей конструкции РЭС как сама конструкция, так и входящие в нее элементы принимаются как невосстанавливаемая система. Это означает, что если превышен предел прочности материала & , то происходит отказ

всей системы в целом. Если же превышены значения допускаемых напряжений [а], то у данной системы изменяются показатели надежности, такие как интенсивность отказов Л и вероятность безотказной работы Р.

С учетом значительного опыта в проектировании РЭС, в частности несущих конструкций, который был достигнут за последние десятилетия, были разработаны типовые несущие конструкции РЭС, позволяющие выдерживать заданные нагрузки в определенном диапазоне времени или частот. Иначе говоря, данные конструкции являются надежными, соответственно, превышение уровня допускаемых напряжений достаточно редкое событие. На основании этого применим закон Пуассона, предназначенный для анализа редких выбросов. Таким образом, вероятность наступления события (превышения значений заданного уровня) составляет:

3. Так как модель несущей конструкции изделия состоит из М конечных элементов, которые в свою очередь состоят из узлов, то примем каждый узел конечно-элементной модели за элемент, который может отказать в заданный период времени М. В таком случае несущая конструкция представляет собой систему, состоящую из N элементов (узлов), где к - число отказавших элементов (в модели -количество узлов, в которых обнаружено превышение допускаемых значений напряжений [а]).

Математическое ожидание положительных пересечений - интенсивность отказов - рассчитывается по формуле:

Таким образом, с помощью данного алгоритма расчета надежности можно оценить как нештатные механические воздействия, например резонанс, (в данном случае виртуальные испытания с применением САЕ-систем) могут существенно повлиять на надежность нижних уровней иерархии в электронной модели РЭС, а именно на модули и элементы в нем установленные. На основании этого можно сделать вывод о том, что полученные данные можно эффективно использовать при комплексном моделировании РЭС на воздействие внешних факторов.

Программной реализацией рассмотренного выше алгоритма автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при механических воздействиях является разработанная в рамках диссертации подсистема НАДЕЖНОСТЬ-НК.

о

т=

к

(Ы-к)* М

В третьей главе описывается разработанная структура автоматизированной подсистемы анализа надежности несущей конструкции. Приводится описание роли и места подсистемы в автоматизированной системе комплексного моделирования. На рисунке 5 представлена структурная схема автоматизированной подсистемы анализа надежности несущих конструкций НАДЕЖНОСТЬ-НК, отличающейся сосуществующих учетом механических факторов и интегрированием в общий процесс автоматизированного проектирования конструкций РЭС, а также высокой степенью автоматизации, не требующей от пользователя специальных знаний в области надежности и моделирования.

Рисунок 5 - Структурная схема подсистемы НАДЕЖНОСТЬ-НК

Подсистема НАДЕЖНОСТЬ-НК работает следующим образом. Входными данными для расчета надежности служат выходные значения механического напряжения, полученные в результате расчета модели в CAE- системе на воздействие механических факторов, сохраняющей данные в формате *.txt. Конструктор РЭС с помощью графического интерфейса пользователя осуществляет загрузку данных из файла, вводит в программе требуемый предел прочности материала (берется из справочника) и коэффициент запаса прочности. Производится расчет показателей надежности согласно модели, представленной во второй главе. В результате проведения расчета конструктор получает в качестве выходных данных значения показателей надежности, графики, характеризующие в какой момент времени или на какой частоте (в зависимости от вида механического воздействия) произошло превышение предела прочности материала. Имеется возможность экспортировать в систему анализа показателей безотказности для учета влияния механических воздействий на показатели надежности ЭРИ. Присутствует функция создания отчетов в формате *.txt.

Был проведен анализ современных языков и сред программирования, на основании которого, при разработке подсистемы «НАДЕЖНОСТЬ-НК» применялся язык Delphi, среда разработки Delphi 7.

Использование данной автоматизированной подсистемы позволяет получить более адекватные результаты моделирования за счет учета механических факторов при последующем проведении расчетов надежности ЭРИ. Пример работы подсистемы представлен на рисунке 6.

И.)1»;и|!1111'.,"'■) I! 'Л.....I' !".J ■ I» .ТТ-—-----_ ~ iijiiJn]*)

i Файл Каталоги Спргок»

Ввепита преавц прочности материалу. [МПа] |345

Ваеаигв ывФФициенг мпвсв

>в отображение мгвухеккьх данных

j у/ Построить грвФ>« |

0 99717114757514 00286147534929485

Диапазон времеж 0QS M«nc>»iafbnoe значена

Рисунок 6 - Пример работы подсистемы НАДЕЖНОСТЬ-НК. Экранная форма

В четвёртой главе Разработана методика сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС с применением подсистемы НАДЕЖНОСТЬ-НК, разработанной в третьей главе, позволяющая на ранних этапах проектирования РЭС за минимальное время определять и обеспечивать показатели надежности конструкции РЭС путем проведения анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования.

Методика включает следующие этапы:

- анализ технического задания;

- комплексирование моделей физических процессов РЭС;

- подготовка к управлению данными;

- идентификация параметров материалов;

- внесение значений в базу данных;

- проведение тепловых расчетов БНК-3;

- расчет виброизоляторов;

- расчет БНК-3, БНК-2 на механические воздействия;

- расчет надежности несущей конструкции;

- тепломеханическое моделирование печатных узлов;

- оценка времени до усталостного разрушения элементов конструкции;

- оценка показателей безотказности ЭРИ;

- формирование карт рабочих режимов.

В четвёртой главе приведён пример использования разработанной методики. На примере продемонстрированы малые временные затраты и относительная легкость процесса моделирования.

Внедрение результатов диссертационной работы в практику ранних этапов проектирования на производственных предприятиях, а также в учебный процесс высших учебных заведений подтверждаются соответствующими актами, перечень которых представлен в приложении А.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

1. Разработан алгоритм комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов, который впервые позволяет осуществить расчет показателей надежности конструкции РЭС на основе сквозного компьютерного моделирования РЭС на внешние воздействующие факторы.

2. Разработан алгоритм автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии механических факторов, который отличается от существующих учетом в модели надежности РЭС результатов моделирования механических процессов в РЭС при воздействии вибраций и ударов.

3. Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии внешних факторов, которая отличается от существующих учетом механических факторов и интегрированием в общий процесс автоматизированного проектирования конструкций РЭС, а также высокой степенью автоматизации, не требующей от пользователя специальных знаний в области надежности и моделирования.

4. Разработана методика сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС, позволяющей на ранних этапах проектирования РЭС за минимальное время определять и обеспечивать показатели надежности конструкции РЭС путем проведения анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования.

5. Осуществлена практическая реализация разработанных алгоритмов в виде методики сквозного моделирования с применением автоматизированной подсистемы расчета надежности несущих конструкций РЭС при воздействии внешних факторов.

6. Осуществлено внедрение созданной методики в практику ранних этапов проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Урюпин, И.С. Анализ печатной платы на механические и тепловые воздействия в подсистеме АСОНИКА-ТМ / И.С. Урюпин, Д.Н. Травкин // Наукоемкие технологии.-2011. 11.-е. 54-59.

2. Урюпин, И.С. Интеграция подсистем АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ для моделирования механических процессов в радиоэлектронной аппаратуре / И.С. Урюпин // Динамика сложных систем. - 2011. - № 4. - С.73-78.

3. Урюпин, И.С. Разработка методики повышения надежности несущих конструкций радиоэлектронной аппаратуры на этапе проектирования / И.С. Урюпин, A.C. Шалумов // Динамика сложных систем. - 2012. - № 2. - С.92-100.

4. Урюпин, И.С. Разработка алгоритма расчета надежности несущих конструкций изделий радиоэлектронной аппаратуры при механических воздействиях / И.С. Урюпин, A.C. Шалумов, М.В. Тихомиров, Е.О. Першин // Динамика сложных систем. - 2012. - №3. - С. 100-105.

5. Урюпин, И.С. Разработка методики подготовки данных к расчетам в программном комплексе АСОНИКА / И.С. Урюпин, М.А. Шалумов // Динамика сложных систем. - 2012. - №4. - С. 65-70.

6. Шалумов, A.C. Автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА. Интеграция программных продуктов ANSYS и АСОНИКА для решения задач моделирования физических процессов при проектировании радиоэлектронных средств / A.C. Шалумов, H.A. Шалумова, М.В. Тихомиров, И.С. Урюпин // Динамика сложных систем. - 2013. - №2. - С. 72-82.

7. Резниченко, Н.С. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры на этапе проектирования / Н.С. Резниченко, И.С. Урюпин // Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей». - 2013. №2. - С. 85-88.

В других изданиях:

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

9. Урюпин, И.С. Расчет модуля на механические воздействия с применением подсистемы АСОНИКА-М2 / И.С. Урюпин // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2011.-С. 253.

10. Урюпин, И.С. Расчет модуля на механические воздействия с применением подсистемы АСОНИКА-М2 / И.С. Урюпин // «Информационные системы и технологии (ИСТ-2011)» / Материалы Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, 2011г.

11. Урюпин, И.С. Расчет модуля на механические воздействия с применением подсистемы АСОНИКА-М2 / И.С. Урюпин, А.Г. Химич // Материалы 66-й научной сессии посвященной дню Радио г. Москва, 2011. С.73-74.

12. Урюпин, И.С. Анализ печатной платы на механические и тепловые воздействия в подсистеме АСОНИКА-ТМ / И.С. Урюпин // Материалы отраслевой научно-технической конференции приборостроительных организаций Роскосмоса конференции «Информационно-управляющие и измерительные системы 2011».Тезисы докладов. - Королев, 2011. С. 67-71.

13. Урюпин, И.С. Методика передачи воздействия из подсистемы АСОНИКА-М в АСОНИКА-ТМ / И.С. Урюпин // Инновационный арсенал молодежи: труды 2-й науч.-техн. конф./ ФГУП «КБ «Арсенал»; Балт. гос. техн. ун-т. - Спб, 2012. - С.242.

14. Урюпин, И.С. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры на этапе проектирования / Н.С. Резниченко, И.С. Урюпин // Люльевские чтения: материалы восьмой межрегиональной отраслевой научно-технической конференции ОАО «ОКБ «Новатор», 20-21 марта 2012 года. - Челябинск: Издательский центр ЮурГУ, 2012.-С.116.

Подписано в печать 15.05.2014 г. Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Заказ № 634. Издательство Типография ООО «КОПИЦЕНТР» 8 (495) 662-63-30 105064, г. Москва, Яковоапостольский пер., д.17

ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт

«Техномаш»

На правах рукописи

04201458990

Урюпин Илья Сергеевич

Разработка автоматизированной подсистемы анализа надежности несущих конструкций радиоэлектронных средств с учетом внешних воздействий.

05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (в приборостроении)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шалумов A.C.

Москва-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ, МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ВНЕШНИЕ В03ДЕЙСТВИЯ И АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ.......................................................................................................14

1.1. Основные проблемы при проектировании, моделировании и анализе надежности радиоэлектронных средств................................................................14

1.2. Анализ существующих автоматизированных систем проектирования, моделирования и анализа надежности радиоэлектронных средств...................21

1.3. Обзор существующих методов расчета надежности несущих конструкций ....................................................................................................................................50

1.4. Основные задачи исследования......................................................................57

1.5. Выводы к первой главе....................................................................................59

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ...................61

2.1. Разработка алгоритма расчета надежности несущей конструкции РЭС при механических воздействиях...................................................................................61

2.2. Разработка алгоритма комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов................................65

2.2.1. Описание процесса расчета и комплексирования моделей физических процессов РЭС.........................................................................................................69

2.2.2. Описание расчета надежности РЭС при учете показателей безотказности и усталостной прочности ЭРИ...............................................................................ВО

2.3. Разработка моделей корпусов ЭРИ.................................................................84

2.4. Создание нового варианта установки ЭРИ....................................................86

2.5. Разработка алгоритма автоматизированного анализа надежности РЭС ....94

2.6. Выводы ко второй главе................................................................................101

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ....................................................................................................102

3.1. Роль и место подсистемы в автоматизированной системе обеспечения надежности и качества аппаратуры.....................................................................102

3.2. Разработка структуры подсистемы НАДЕЖНОСТЬ-НК...........................104

3.2.1. Организация и структура автоматизированных подсистем анализа воздействий механических факторов на несущие конструкции РЭС..............105

3.2.2. Особенности создания геометрии расчетной модели в подсистемах анализа воздействий механических факторов на несущие конструкции РЭС ..................................................................................................................................108

3.2.3. Справочная база данных.............................................................................110

3.2.4. Структура подсистемы НАДЕЖНОСТЬ-НК............................................111

3.3. Разработка графического интерфейса пользователя..................................112

3.3.1. Язык программирования и среда разработки...........................................112

3.4. Структура входных и выходных данных подсистемы НАДЕЖНОСТЬ-НК ..................................................................................................................................113

3.5. Выводы к третьей главе.................................................................................119

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ....................................................................................................120

4.1. Структура методики сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС..........................................................................................................................120

4.2. Пример применения автоматизированной подсистемы расчета надежности несущей конструкции РЭС с учетом внешних воздействий.............................128

4.2.1. Исходные данные для моделирования......................................................129

4.2.2. Проведение комплексного моделирования внешних воздействующих факторов на конструкцию РЭС............................................................................133

4.3. Внедрение результатов диссертационной работы......................................155

4.4. Выводы к четвертой главе.............................................................................157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................158

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ....................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акты внедрения...................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПОДСИСТЕМА АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НАДЕЖНОСТЬ-НК............175

ПРИЛОЖЕНИЕ В МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ЗЭ-МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ РАСЧЕТА В САЕ-СИСТЕМЕ......................................186

ПРИЛОЖЕНИЕ Г МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА НА ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ.....................................................................200

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день развитие техники можно охарактеризовать разработкой и эксплуатацией изделий, которые представляют сложные технические комплексы и системы. Надежность является одним из важных свойств данных систем.

Воздействия механических факторов вызывают значительную часть (до 50%) отказов РЭС [1, 2, 3, 4], которые связаны с выходом механических характеристик конструкций РЭС за пределы, установленные нормативно-технической документацией. Под механическими характеристиками РЭС подразумеваются: ускорения, перемещения, напряжения. Превышение заданных значений приводит к нарушению прочности несущей конструкции РЭС и сказывается на её надежности [5, 6, 7, 8, 9].

При этом важно отметить, что ускорение на каждом электрорадиоизделии (далее ЭРИ), допустимое по техническим условиям (ТУ), не должно превышать заданное значение. Кроме того, накопление повреждений и дальнейшие разрушения, вызванные из-за усталости материала выводов ЭРИ, зачастую приводят к нарушению прочности РЭС [10, 11, 12, 13, 14].

Воздействие внешних факторов, в том числе и механических, вызывает высокую вероятность отказов ЭРИ и разрушение конструкции РЭС, как при проведении испытаний, так и при эксплуатации. Виртуальные испытания, призваны прежде всего уменьшить общее количество «реальных» испытаний на производстве, снизив, таким образом, затраты финансовых и временных ресурсов на отработку как новых, так и типовых изделий [15]. Плотный график разработки изделия и его дальнейший запуск в производство является одной из причин применения САЕ-систем. Метод конечных элементов -один из наиболее применяемых расчетных методов в САЕ-системах. Порядка двух десятилетий данный метод широко распространен и применяется во многих отраслях промышленности [16, 17, 18, 19].

В общем случае, моделирование РЭС на механические воздействия, заключается в следующем:

1) проведение моделирования базовой несущей конструкции (далее БНК-3, БНК-2 с целыо получения напряжений в узлах конструкции;

2) проведение моделирования печатных узлов (ПУ), относящихся к БНК-1, с целыо определения перемещений и напряжений в его конструкции, ускорения на, возникающие на ЭРИ и время до разрушения ЭРИ от усталости материалов.

Компьютерное моделирование механических процессов в РЭС требует взаимного учета ряда факторов: неоднородности и геометрической сложности конструкции, наличия сотен ЭРИ в ПУ, многообразия видов механических воздействий, нелинейности физических характеристик материалов конструкций, одновременное приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий.

Специализированные универсальные САЕ-системы, такие как: NASTRAN, MARC, COSMOS-M, ANSYS и т.д. используемые для моделирования механических процессов в РЭС, не позволяют полностью построить всю иерархию конструкций РЭС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии РЭС. Более того, в данных программах отсутствуют модули, необходимые для расчета надежности несущей конструкции РЭС, а также нет возможности интеграции с программами по расчету надежности такими как АРБИТР, АСРН, АСКМ, для учета влияния механических воздействий на ЭРИ, полученных при расчете несущих конструкций.

На сегодняшний день значительное количество аварий, связано с

выходом из строя несущих конструкций РЭС при перегрузках, а также

радиоэлектронных компонентов, в них установленных. Часто, одной из таких

причин является отсутствие проведения комплексного моделирования РЭС на

воздействие внешних факторов. В основном, проводятся только натурные

испытания, но не на этапе проектирования, а когда опытный образец уже

6

создан. При испытаниях отсутствует возможность получить необходимые характеристики на каждом из ЭРИ как следствие, весьма затруднительно оценить влияние нештатного воздействия на все уровни БНК РЭС.

При применении моделирования сокращаются временные и материальные затраты, за счет возможности создания нескольких электронных моделей изделия, последующих расчетов и выбора одной из них удовлетворяющей заданным требованиям, как прототипа для изготовления опытного образца.

Решением задачи моделирования механических процессов в конструкциях РЭС занимались такие специалисты как Маквецов E.H. [20, 21], Тартаковский A.M. [20, 22], Травкин Д.Н. [23], Сарафанов A.B. [24], Кожевников A.M. [31], Крищук В.Н. [32], Шалумов A.C. [16, 17, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43], Фадеев O.A. [40, 41, 42, 44, 45], Ваченко A.C. [27, 43, 44, 45], Способ Д.А. [27, 43, 46], Русановский С.А. [47] и др. Но в указанных работах отсутствует методика сквозного моделирования внешних воздействий на конструкции РЭС на всех иерархических уровнях, которая позволила бы с минимальными затратами и в минимальные сроки проводить расчеты на воздействие различных факторов и принимать решение надежности несущей конструкции РЭС и входящим в нее ЭРИ.

Решениями задач по расчету надежности занимались такие специалисты как: Жаднов В.В.[27, 48], Шалумов А.С [27], Махутов H.A. [49], Болотин В.В.[50], Азарсков В.Н. [51], Шпете Г. [63], Половко A.M. [64] и др.

Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику решения задач по надежности. Однако, в данных работах рассматривается расчет надежности ЭРИ и расчет надежности объектов из области строительства и машиностроения. Отсутствуют методы и модели расчета надежности несущих конструкций РЭС, с учетом результатов, полученных при комплексном моделировании внешних воздействующих факторов.

Таким образом, на основе вышеизложенного, можно сделать вывод о

возрастающей актуальности задачи моделирования механических процессов в

7

конструкциях РЭС с последующим расчетом надежности несущей конструкции данных РЭС, при учете внешних воздействующих факторов для получения более достоверных результатов.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования радиоэлектронных средств, отвечающих требованиям, заданным в нормативно-технической документации по стойкости к внешним воздействиям и надежности, а также сокращение стоимости и сроков их изготовления за счет автоматизированного анализа показателей надежности конструкции РЭС на основе сквозного компьютерного моделирования РЭС на внешние воздействующие факторы.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе проводится решение следующих задач:

- исследование особенностей несущих конструкций РЭС и их моделей для дальнейшей подготовки данных к расчетам их надежности;

- разработка методики анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования;

- разработка алгоритма комплексирования моделей физических процессов РЭС для расчета надежности с учетом внешних факторов;

- разработка алгоритма автоматизированного анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии механических факторов;

- разработка моделей корпусов электрорадиоизделий, вносимых в базу данных и в дальнейшем учитываемых при проведении комплексного моделирования;

- разработка структуры и реализация автоматизированной подсистемы анализа надежности несущей конструкции РЭС при воздействии внешних факторов, включая интерфейсы визуализации подготовки данных и вывода результатов.

- разработка методики сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС.

- внедрение разработанной методики в учебный процесс вузов, а также в практику ранних этапов проектирования на промышленных предприятиях.

Для решения поставленных задач используются методы теории

прочности, теории надежности систем, методы вычислительной математики, а

также компьютерной графики.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения,

списка использованных источников и приложений.

В первой главе проводится анализ современного состояния

автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств и

моделирования на воздействия внешних факторов. Проведен анализ проблемы

надежности несущих конструкций радиоэлектронной аппаратуры, дано

обоснование ее актуальности. Приводится обзор методов расчета надежности

несущих конструкций. Отмечено, одним из факторов, влияющим на

надежность несущих конструкций радиоэлектронных средств являются

нештатные механические воздействия.

Проведен анализ программного обеспечения, применяемого для

моделирования механических процессов в РЭС. Рассмотрен перечень

применяемых специализированных программ, а также универсальных

конечно-элементных САЕ-систем, предназначенных для моделирования

конструкций радиоэлектронных средств. Отмечены достоинства

универсальных программ, заключающиеся в возможности построения

сложных моделей. Но, применение универсальных систем требует серьезных

теоретических знаний и опыта использования данных программ. Кроме того,

отсутствие специализированных баз данных по параметрам материалов

конструкций РЭС, а также по параметрам ЭРИ увеличивает время построения

и ставит под сомнение адекватность моделей, создаваемых в универсальных

программах. Другим существенным недостатком универсальных программ

9

является ограниченность, либо полное отсутствие средств проведения расчета надежности несущих конструкций РЭС. Проведен анализ существующих методов расчета надежности несущих конструкций РЭС, при воздействии механических факторов.

Исследования процесса проектирования РЭС с применением компьютерного моделирования механических процессов и существующих специализированных программ моделирования, проведенные в первой главе диссертации, показали отсутствие на сегодняшний день необходимого методического обеспечения, позволяющего разработчику РЭС в заданные сроки построить адекватную расчетную модель конструкции, идентифицировать параметры материалов, провести расчеты на воздействия внешних факторов, оценить время до усталостного разрушения выводов ЭРИ, программного обеспечения, необходимого для принятия решения по повышению надежности несущих конструкций проектируемых РЭС. Это прежде всего связано с тем, что в специализированных программах, используемых для анализа механических характеристик конструкций РЭС на уровне шкафов, блоков, расчет надежности несущих конструкций при механических воздействиях не проводится, а программы, применяемые для расчета надежности ориентированы на уровень ЭРИ, установленных на печатных платах (БНК-1), и узкоспециализированных сложных систем, где предусмотрен расчет надежности по строго обозначенным параметрам. Отсутствуют алгоритмы, согласно которым, возможно проведение расчета надежности несущих конструкций РЭС, с учетом механических воздействий. Отсутствуют методики сквозного моделирования учитывающие влияния внешних воздействующих факторов на все уровни иерархии в РЭС.

Выход из сложившейся ситуации лежит в разработке методики,

сквозного моделирования и обеспечения надежности РЭС, позволяющей на

ранних этапах проектирования РЭС за минимальное время определять и

обеспечивать показатели надежности конструкции РЭС путем проведения

анализа всех уровней иерархии в конструкции РЭС на воздействие внешних

10

факторов с применением автоматизированной системы комплексного моделирования.

На основе проведенных исследований основных проблем, возникающих при проектировании, моделировании и расчете надежности радиоэлектронных средств, а также анализе существующих автоматизированных систем проектирования, моделирования и расчета надежности радиоэлектронных средств, сформулированы цель работы и задачи, необходимые для достижения поставл