автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов

На правах рукописи

ТИХОМИРОВ МАКСИМ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИРАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования» (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2010

004605476

Работа выполнена во Владимирском филиале Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шалумов A.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Увайсов С.У.

кандидат технических наук, доцент Долматов A.B.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский центр электронной вычисли'

тельной техники (г. Москва)

Защита состоится « 01 » июля 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д217.047.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИАЭ) по адресу: 105187, г. Москва, ул. Кирпичная, д. 39-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НИИАЭ по адресу: 105187, г. Москва, ул. Кирпичная, д. 39-41.

Автореферат диссертации разослан « 28 » мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д217.047.01 доктор технических наук

О.О. Варламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Нынешняя международная обстановка требует создания высокоскоростных военных подвижных объектов, на борту которых должны быть установлены самые современные радиоэлектронные средства (РЭС). Такие РЭС отличают жесткие условия эксплуатации и, прежде всего, интенсивные тепловые, механические и др. воздействия, которые, как показывает статистика, вызывают до 50% отказов РЭС. Такой высокий процент отказов объясняется многими причинами, но главной из них является применение устаревших подходов к проектированию. В результате часто не выполняются требования нормативно-технической документации по тепловым, механическим и др. характеристикам конструкций РЭС. Положение усугубляется жесткими ограничениями по срокам и стоимости проектных работ. Чтобы найти выход из создавшейся ситуации, нужно было прежде всего проанализировать процесс разработки РЭС на отечественных предприятиях и затем уже искать новые подходы к проектированию.

Задача обеспечения надежности РЭС является одной из важнейших задач проектирования. Количественная оценка показателей безотказности и долговечности РЭС предусмотрена нормативно-техническими требованиями к их промышленной разработке, производству и эксплуатации. Это необходимо для объективной и научно обоснованной оценки существующего уровня надежности и безопасности РЭС и выработки, обоснования и оптимизации различных управленческих решений, направленных на их повышение.

Отказы техники вызывают большие потери средств, сил и времени из-за разрушения объектов, необходимости проведения восстановительных работ и связанных с ними простоев оборудования, ущерба от невыполнения определенных задач. Кроме того, недостаточная на- " дежность технических устройств отрицательно влияет на безопасность их эксплуатации. _ ;

Проблема надежности по своей сути является комплексной, системно-технической, так как она непосредственно связана с процессами проектирования, опытной отработки, производства и использования техники. Совокупность общих методов, позволяющих создавать технические устройства с высокой надежностью и рассчитывать ее количественные показатели, составляет основу теории надежности. Таким образом, условно в проблеме надежности можно выделить два направления: обеспечение надежности и ее расчет (контроль). Если первое направление основывается на решении традиционных конструкторских и технологических задач по созданию высококачественных изделий и правильной их эксплуатации, то второе связано в основном с применением специальных математических методов.

В настоящее время расчет надежности радиоэлектронных средств проводится на основе СПРАВОЧНИКА «Надежность ЭРИ», его автоматизированной версии или системы АСРН РНИИ «ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ». В базе данных (БД) системы содержится вся необходимая информация для расчета надежности отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ) и аппаратуры различных классов.

В последнее время расчеты надежности зарубежных ЭРИ все чаще проводят на основе MIL-HDBK-217F или систем автоматизированного проектирования (САПР) зарубежного производства. Так, в состав САПР CADENCE входит подсистема RELIABILITY расчета надежности ЭРИ. В БД подсистемы содержится вся необходимая информация для расчета надежности зарубежных ЭРИ. Однако, в отличие от системы АСРН, в БД подсистемы RELIABILITY не содержатся типономиналы ЭРИ, что вызывает такие же трудности расчета надежности, что и при использовании системы АСРН, связанные с идентификацией ЭРИ (определения его соответствия классификации ЭРИ в MIL-HDBK-217F). Кроме того, высокая стоимость САПР зарубежного производства существенно ограничивает возможность их применения на отечественных предприятиях для расчетов надежности РЭС.

Существует также подсистема АСОНИКА-К, которая позволяет проводить анализ показателей безотказности с использованием базы данных ЭРИ.

Но главной проблемой, которая стоит перед проектировщиком РЭС при работе с указанными системами, отсутствие при анализе показателей безотказности учета реальных режи-

мов работы ЭРИ в условиях эксплуатации при воздействии внешних дестабилизирующих; факторов, а также отсутствие анализа показателей долговечности. Такой учет можно осуществить только на основе комплексного моделирования разнородных физических процессов в РЭС (электрических, тепловых, механических, радиационных и др.). Поэтому необходимо создать подсистему для анализа показателей безотказности и долговечности РЭС в рамках уже существующей системы комплексного моделирования физических процессов. На сегодняшний день в России такой системой является автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА, не имеющая аналогов как в России, так и за рубежом. Кроме того, для анализа показателей безотказности и долговечности требуется большой объем исходных данных для ЭРИ (конструктивных, технологических, схемотехнических), что требует решения вопроса автоматизации подготовки и конвертирования данных из других подсистем системы АСОНИКА.

Проблемы автоматизированного проектирования РЭС, на основе исследования в них физических процессов, рассматривались в работах Андреева А.И., Вермишева Ю.Х., Дульнева Г.Н., Жаднова В.В., Журавского В.Г., Зольникова В.К., Кечиева Л.Н., Кожевникова A.M., Кона-вальчука A.C., Кофанова Ю.Н., Крищука В.Н., Мыровой JI.O., Норенкова И.П., Петрова Б.В., Разевига В.Д., Стрельникова В.П., Талицкого E.H., Тартаковсого A.M., Тумковского С.Р., Увай-сова С.У., Шрамкова И.Г., Шалумова A.C. и др. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику автоматизированного проектирования РЭС и математического моделирования физических процессов в РЭС. Однако при этом перечисленными авторами не достаточно уделено внимания проблеме комплексного моделирования в виде связей разнородных физических процессов в соответствии с реальным влиянием этих процессов на безотказность и долговечность РЭС.

Таким образом, для создания конкурентоспособных и высоконадежных РЭС актуальной проблемой является решение задач автоматизированного обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, как на программном, так и на методическом уровнях, а также их согласование с идеологией C4Z. ¿-технологий.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств за счет автоматизации анализа и обеспечения показателей безотказности и долговечности по результатам комплексного компьютерного моделирования физических процессов в РЭС.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие

задачи:

1. Проведение исследований моделей показателей безотказности и долговечности различных групп ЭРИ (интегральных микросхем, полупроводниковых изделий, изделий квантовой электроники, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и др.) с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических моделей безотказности РЭС. Отбор набора входных данных, который может быть получен из результатов моделирования физических процессов в существующих САПР.

2. Разработка методики определения остаточного ресурса РЭС.

3. Разработка метода анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов.

4. Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадио-изделий.

5. Разработка справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечност]

ЭРИ.

6. Разработка методики обеспечения показателей безотказности и долговечности ра диоэлекгронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов.

7. Внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практик проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теории надежности, объектно-ориентированного программирования.

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

1. Разработана оригинальная методика определения остаточного ресурса РЭС, которая позволяет учесть колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и электрорадиоизделий.

2. Разработан метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, который в отличие от существующих учитывает тепловые, механические, электрические, радиационные режимы работы электрорадиоизделий в условиях эксплуатации и хранения.

3. Разработана структура автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадиоизделий, отличающейся от существующих наличием интерфейсов импорта структуры РЭС, а также значений результатов моделирования механических, тепловых, электрических процессов, воздействия радиационного излучения на РЭС из других подсистем САПР АСОНИКА.

4. Разработана структура справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ, отличающейся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ и моделей для расчета их показателей безотказности и долговечности, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ.

5. Разработана методика обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования высоконадежных РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям безотказности.

Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданного метода и программных средств автоматизированного анализа безотказности и долговечности РЭС позволяет повысить эффективность проектирования высоконадежной аппаратуры и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по показателям надежности, и как следствие уменьшить стоимость разработок таких изделий.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методика и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НИЦЭВТ» (г. Москва) при проектировании многоэтажных шкафов, а также при проектировании блоков радиоэлектронных средств ФГУП «КБ Машиностроения» (г. Коломна), ОАО «НПП «Волна» (г. Москва), ООО «НПП «Прима» (г. Нижний Новгород), ОКБ ИРЗ (г. Ижевск).

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.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: IV, V и VI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2005 г., 2006 г., 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники (New design methodologies)» (г. Владимир, 2004 г.), Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (г. Москва, 2006 г.), Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ-2008» (г. Нижний Новгород, 2008 г.), 51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва - Долгопрудный, 2008 г.), XXVIII

студенческой научно-технической конференции «Новые информационные технологии и САПР» (г. Ковров, 2004 г.).

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 2 монографии.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируется современное состояние проблемы и ставится задача исследования.

В данной главе проводится анализ современного состояния существующих методов моделирования и программных средств для анализа и обеспечения показателей надежности радиоэлектронных средств и обосновывается необходимость и целесообразность разработки новых методик и программных средств в составе автоматизированной системы комплексного моделирования физических процессов в РЭС и формирования карт рабочих режимов ЭРИ АСОНИКА для анализа надежности с учетом режимов работы электрорадиоизделий и резервирования. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе на основе известных методов расчета показателей безотказности и долговечности, а также моделей интенсивностей отказов для различных типов ЭРИ, и на основе выходных данных моделирования САПР электроники разрабатывается метод анализа показателей безотказности и долговечности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Основными показателями безотказности являются вероятность безотказной работы ^^, интенсивность отказов ^^ и средняя на-т

работка до отказа 1.

Долговечность определяется свойством изделия длительно сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для профилактического обслуживания и ремонтов. В качестве показателей долговечности рассматриваются ресурс РЭС и время до усталостного разрушения выводов ЭРИ.

Надежность РЭС определяется надежностью составляющих ее компонентов, - это могут быть блоки, печатные узлы (ПУ) и ЭРИ. На рис. 1 приведена обобщенная модель показате-

—Б

лей безотказностей и долговечности РЭС (/•").

Вероятность безотказной работы при экспоненциальном законе распределении наработки до отказа приобретает вид

Я(<) = ехр(-Л-0,

а средняя наработка до отказа

Значения эксплуатационной интенсивности отказов большинства групп ЭРИ рассчитываются по математическим моделям, имеющим вид:

и п

¡=1

где _ исходная (базовая) интенсивность отказов типа (группы) ЭРИ, рассчитанная

по результатам испытаний ЭРИ на безотказность, долговечность, ресурс;

К, - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов (режимов и условий эксплуатации, а также конструктивных, функциональных и технологических особенностей ЭРИ);

п - число учитываемых факторов.

Модель показателей безотказности и долговечности, Р

РЭС

Блок Резеоворованпе

ПУ

ЭРИ (блока, ПУ вли ЭРШ

Вход г ы е I а в в л е , X : • • I

• Структура, $ • Режим эксплуатации • Группа аппаратуры (ГОСТ РВ 20.39.304-98) • Вроиггрзбот- ЫП • Структура, Р; • Структура, <?Ц Хивперисшня ЭРИ, Х = 1/Р,: • Электрически? нагрузки, Р • Тепловые режимы, рт • ДззырадшЕвсвкого излучена, Р^ • Номеезльеы; ЗЕачеип ка-ргктериешк (в т.ч. т пол-еых усл. записей), Г® • До—.'сл:мь;; значения параметров еэ НТД, Р1 • КоКЛруКТЕБЕЫ!, фуЕКЕИО-нальные, технологические особенности ЭРИ, Р° • Тип р«ерЕИрСБ2- I км | • СоСТ2Ег О 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t • • 1 • 1 1 1 1 • 1 1 1 1 1 ♦ 1

.......и 'и ■ _ ^ _ _

В ы х о д я ы е дан вые, У : < < <

• Вероятность безотказной работы 11(1, X) • Среднинзра-бгаса ломкам ки.) • Остаточный ресурс Ы.№У) • НЕТеНСЕЕЕОСТЬ отказог • РДА) •«Й • тх> •лад) •Х-15.(0, ^ •Т(1,Х) • Х=Ы1К(Х,) •ЩО-оДь -Дх) | 1 » • 1 1 • 1 1 » 1 1 1 1 1 1 1 1 ♦ 1 1 ♦ » ( » 1 1

Рис.1. Модель показателей безотказности и долговечности РЭС

Для отдельных групп сложных изделий, суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например, вращающихся частей и обмоток электродвигателя), математическая модель расчета интенсивности отказов имеет вид:

У=1 /II

Л

где - исходная (базовая) интенсивность отказов /-го потока отказов;

т - количество независимых потоков отказов составных частей ЭРИ; £

и - коэффициент, учитывающий влияние /-го фактора ву'-м потоке отказов;

п

1 - количество факторов, учитываемых в /-ом потоке отказов.

Количество и математические модели коэффициентов К, характерны для конкретных классов ЭРИ. Так, например, для резисторов коэффициент режима рассчитывается по модели:

где: А, В, И,, О, И3, У, Н - постоянные коэффициенты модели;

Г - температура окружающей среды, °С;

Р - рабочая мощность рассеяния резисторов, Вт;

Рн - номинальная мощность рассеяния резисторов, Вт.

Или, например, коэффициент Кт, учитывающий воздействие радиационного излучения, для интегральных микросхем определяется исходя из дозы ионизирующего излучения: при дозе 0-10 крад Кш = 1; при дозе 20 крад Кт = 1.035; при дозе 40 крад Кии = 1.1.

При расчете надежности аппаратуры, которая в эксплуатации основную часть времени находится в режиме ожидания (хранения) в обесточенном состоянии с периодическим контролем работоспособности, рекомендуется использовать значения интенсивности отказов Яэх групп ЭРИ, рассчитываемые по моделям: для неподвижных объектов:

где Ях с г - интенсивность отказов ЭРИ по результатам испытаний изделий на сохраняемость в упаковках заводов-изготовителей;

Яб - базовая интенсивность отказов типа (группы) ЭРИ;

КГ1 - коэффициент, учитывающий изменение интенсивности отказов Яхсг в зависимости от температуры окружающей среды;

К - коэффициент приемки;

Кэ - коэффициент эксплуатации;

Кус ~ коэффициент, учитывающий изменение интенсивности отказов Яхсг в зависимости от условий эксплуатации в режиме ожидания (хранения).

Показатели безотказности РЭС определяются исходя из показателей безотказностей составляющих ее элементов. Так вероятность безотказной работы нерезервированной системы

^с(') в течение времени 1, имеющей последовательное соединение п элементов в смысле надежности (система остается работоспособной, если все элементы исправны) с независимыми и случайными отказами этих элементов равна

¿3 х.-Лб'Кх'К1.,'Кусд-Кгр или Лэ.Х. - Л-Л'.С.Г ' • '

IX

для подвижных объектов:

Лэ.х. = Л ' кх " • Кэ • К„р иди ¿¡ к = Яхсг ' К,х -Кэ-К1

пр '

л

М

Яг

где с - интенсивность отказов системы

При вычислении показателей безотказности резервированных систем имеют место режимы нагрузки резервных элементов при эксплуатации.

Показатели безотказности системы при пассивном резервировании с неизменной нагрузкой и при активном нагруженном резервировании оцениваются одними и теми же математическими выражениями. Будем полагать, что переключатель, включающий резерв, обладает мгновенным быстродействием и абсолютной надежностью. Тогда вероятность безотказной работы

(о=1 - ПО - ('))=1 - ПО - ехр(-2< ■'>).

(.1 («1

где Я, (0 - вероятность безотказной работы ¡-го устройства; т - число соединенных параллельно устройств (основное + резервные), Я, - интенсивность отказов /-го устройства.

Вероятность безотказной работы системы при активном облегченном резервировании (при идеальном переключателе резерва) определяется из выражения

¡Й(1 -ехр(-1,. • /)У -ЛГ Л, Яс (0 = ехр(-Л • 0 + ехр(-Л, • /) • £ Ь-' " ■ П / -1 + у-

1=1 ]• 1=1 V А

где Ац и Я, - соответственно интенсивности отказов работающего основного устройства и /-го устройства, находящегося в облегченном резерве.

Вероятность безотказной работы системы при активном ненагруженном резервировании (при идеальном переключателе резерва) определяется из выражения

V, у!

Вероятность безотказной работы при скользящем резервировании (если система состоит из п основных и одного резервного элемента, находящегося в ненагруженном состоянии)

Дс(0 = |1 + п^[1 -ехр(-А„ • /)]|• ехр(-н А'О

где Яц и Яп - соответственно интенсивности отказов работающего элемента и переключателе резерва

Показатели долговечности складываются из времени до усталостного разрушения выводов ЭРИ и остаточного ресурса.

Время до усталостного разрушения выводов ЭРИ при гармонической вибрации определяется по формуле:

где N - число циклов напряжений до разрушения;/- текущая частота колебаний.

Число циклов до усталостного разрушения при гармонической вибрации рассчитывается по формуле:

С

тах у

где 0-0 - предел усталости материала вывода; т - параметр, зависящий от материала, размеров и формы вывода; ]\[с - базовое число циклов; о"тах - максимальное механическое напряжение в выводе ЭРИ.

ii. ii Для стационарного случайного процесса использована гипотеза суммирования усталостного повреждения при циклическом нагружении, основанная на суммировании энергии колебаний на отдельных частотах. В соответствии с этой гипотезой время до усталостного разрушения выводов ЭРИ при случайном воздействии может быть найдено по формуле

2 П А

'"д ^у^Щ^ф)^'

где Д = -ТБ - среднеквадратическое отклонение текущих значений напряжений; й - дисперсия; ^(ю) = 5(о)/£> - приведенная спектральная плотность; Б(а>) - спектральная плотность;

г/т+2)

1 - - гамма-функция; о - круговая частота гармонического нагружения (о = ; А

I 2 )

и ш - характеристики кривой усталости в соответствии с уравнением ./УрО"а=А.; £у = {(у^ - (у^) / 2 - амплитуда напряжения в цикле; (у^ - минимальное механическое напряжение в выводе ЭРИ (с учетом знака).

Во второй главе разработана оригинальная методика определения остаточного ресурса РЭС, которая позволяет учесть колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и электрорадиоизделий.

Исходными данными для расчета ресурса являются: структура РЭС О, (число узлов (блоков и т. п.) РЭС Ы, число элементов в узлах (блоках и т. п.) и,), интенсивности отказов элементов В этом случае ресурс каждого ЭРИ в момент времени т рассчитывается по формуле

где Л; (г) — интенсивность отказову-го ЭРИ в момент времени т, которая равна:

т

где Х6] — интенсивность отказов ЭРИ при лабораторных условиях работы; Л"Дг) - поправочные коэффициенты, учитывающие влияние Л-го фактора в момент 1, т - число учитываемых факторов.

Остаточный ресурс РЭС после наработки / определяется по формуле:

1

мо = {-

с1т-1,

где Лс (г) = £1 Яу (т) - интенсивность отказов РЭС.

(=1

Во второй главе разработан метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, который в отличие от существующих учитывает тепловые, механические, электрические, радиационные режимы работы электрорадиоизделий в условиях эксплуатации и хранения. Основу разработанного метода составляет электронный макет (ЭМ) РЭС, а также справочная база данных (СБД). Электронный макет представляет собой единое пространство параметров и переменных модельного ряда, отражающего схемотехническую и/или конструкторско-технологическую реализацию отдельных частей или РЭС в целом, полученную на основе комплексных исследований характеристик РЭС средствами математического моделирования, осуществляемого, в свою очередь, в рамках информационного («электронного») взаимодействия

разработчиков на любом этапе жизненного цикла РЭС с использованием САЬЗ-идеологии. Справочная база данных содержит все математические модели для вычисления показателей безотказности и долговечности РЭС, а также полные условные записи ЭРИ и их характеристики. Структурная схема метода представлена на рис. 2.

Рис. 2. Метод анализа показателей безотказности и долговечности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов

Блок 1. На основе электронного макета автоматически формируется топологическая модель конструкции РЭС <2 .

Блок 2. По построенной топологической модели автоматически создается математическая модель РБ показателей безотказности и долговечности на основе информации из справочной базы данных.

Блок 3. Автоматически импортируются значения режимов работы ЭРИ, входящих в математическую модель РБ, из результатов моделирования физических процессов в других под-

системах САПР (электрические нагрузки тепловые режимы , дозы радиационного излучения допустимые значения параметров по НТД хранящихся в ЭМ.

Блок 4. Ввод остальных параметров модели РБ. При этом основная часть параметров (конструктивные, функциональные, технологические особенности ЭРИ загружаются из СБД автоматически.

Блоки 5 и 6. Когда вся необходимая информация для анализа показателей безотказности и долговечности заполнена, проводится расчет и вывод результатов в удобном для проектировщика виде (диаграммы, таблицы, отчеты). Причем показатели безотказности и долговечности, рассчитанные в подсистеме АСОНИКА-Б (кроме времени до усталостного разрушения выводов ЭРИ, которое рассчитывается в подсистеме АСОНИКА-ТМ), также как и остальные результаты моделирования в других подсистемах САПР сохраняются в ЭМ.

Блок 7. Проводится анализ результатов и принятие решения. Если показатели безотказности или долговечности неудовлетворительны, то вносятся изменения в ЭМ, после чего проводится повторный анализ.

Таким образом, разработанный метод призван упростить анализ показателей безотказности и долговечности (формирование математической модели, а также вывод результатов и принятие решений на их основе) при разработке РЭС, позволив разработчикам уделить большее время на обоснованное обеспечение надежности РЭС.

В третьей главе представлены структура, входные и выходные данные автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств АСОНИКА-Б, интегрированной с САПР АСОНИКА. Подсистема АСОНИКА-Б представляет собой комплекс программ для ЭВМ, предназначенный для функционирования как в составе системы АСОНИКА, так и в автономном режиме, как самостоятельная подсистема. В диссертационной работе предлагается подход комплексного использования подсистем САПР АСОНИКА. На рис.3 приведена структурная схема подсистемы АСОНИКА-Б, интегрированной с другими подсистемами САПР АСОНИКА.

Основу подсистемы составляет управляющая программа, в которой формируется иерархия конструкции РЭС. Управляющая программа осуществляет автоматизированную передачу данных между конструктивными уровнями иерархии. В препроцессоре при помощи оконных интерфейсов формируется модель показателей безотказности и долговечности конструкции РЭС с точки зрения исходных данных. При этом списки ЭРИ, входящих в состав РЭС, либо вводятся вручную на основе СБД, либо передаются из ЭМ в виде специального файла; режимы работы ЭРИ (тепловые, электрические, радиационные характеристики) также либо вводятся вручную, либо передаются из ЭМ. Необходимые параметры модели можно выбрать из СБД, а в случае необходимости - идентифицировать. Затем управляющая программа осуществляет запуск расчетного ядра и после завершения расчета формирует модель показателей безотказности и долговечности РЭС с точки зрения визуализации результатов. В постпроцессоре результаты расчета отображаются в виде диаграмм вкладов ЭРИ в общую безотказность РЭС, вывод самых ненадежных ЭРИ, таблиц с полным перечнем ЭРИ и их показателями безотказности и долговечности, а также сохраняются в виде отчетов, на основе которых разработчиком может быть принято проектное решение. В случае недопустимых показателей безотказности и долговечности возможно введение резервирования элементов конструкции РЭС и изменение конструкции РЭС с последующим повторным моделированием физических процессов и уточнением показателей безотказности и долговечности. Все исходные данные и результаты моделирования сохраняются в ЭМ.

Расчет схемы: Р5р1се Размещение, трассировка: PCAD, ACCEL EDA Анализ тепловых и механических характеристик ПУ АСОНИКА-ТМ Анализ радиационной стойкости РЭС АСОНИКА-Радиация Формирование карт рабочих режимов ЭРИ АСОНИКА-Р

Рис. 3. Структурная схема подсистемы АСОНИКА-Б, интегрированной с другими подсистемами САПР электроники

Разработана структура справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ. Данная структура содержит полные условные записи ЭРИ и модели для расчета их показателей безотказности и долговечности. Возможно редактирование моделей безотказности и долговечности ЭРИ, а также создание дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ, без участия программиста.

В четвертой главе разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом автоматизированного обеспечения показателей безотказности и долговечности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов. Алгоритм методики представлен в диссертации.

Проектирование начинается с получения технического задания (ТЗ) на разработку, которое содержит наряду с другими требованиями и требования по допустимым показателям безотказности и долговечности.

После получения технического задания на разработку РЭС проводится его анализ и выбор варианта структурной схемы РЭС.

После согласования структурной схемы проводится расчет электрических характеристик РЭС, электрических режимов работы ЭРИ. В случае несоответствия выходных характеристик функциональных узлов (ФУ) РЭС (уровень пульсаций напряжения, выходные напряжения и токи) требованиям ТЗ осуществляется выработка рекомендаций по корректировке структурной схемы РЭС в целом, схем отдельных ФУ и блоков, внесению изменений в ТЗ.

Затем разрабатываются и согласовываются требования к. конструкции РЭС на основе структурной схемы. Разрабатывается конструкция РЭС с позиции общих геометрических параметров, а также предварительного топологического проектирования. На данном этапе производится также выработка требований к тепловым, аэродинамическим и механическим характеристикам РЭС, которые формируются на основе расчетов электрических характеристик. Разрабатываемые требования относятся к уровню тепловой и механической нагрузкам элементной РЭС. Часть требований может указываться в ТЗ на разрабатываемое РЭС в части «требования к конструкции», исходя из условий эксплуатации РЭС. К таким требованиям могут относится: максимально допустимые температуры корпусов ЭРИ, недопустимость резонансных явлений в конструктивных узлах и т.п.

После согласования конструкции РЭС исследуются ее радиационные характеристики. На основе математического аппарата, а также ряда НТД осуществляются исследования радиационных полей конструкции. В случае необходимости осуществляются схемотехнические и/или конструкционные доработки РЭС.

Параллельно с исследованием радиационной стойкости осуществляется анализ тепловых (ТХ) и механических (МХ) характеристик в конструкции РЭС по предварительно разработанной иерархической схеме. Проверяются на соответствие рассчитанные ТХ, МХ требованиям. В случае несоответствия требованиям производится анализ ТХ, МХ, и внесение на их основе соответствующих изменений в конструкцию РЭС.

На основе результатов моделирования физических процессов, полученных на предыдущих этапах методики, выполняется анализ показателей безотказности и долговечности РЭС.

Выполняется проверка достигнутых показателей безотказности и долговечности в соответствии с требованиями. Если показатели неудовлетворительны, то анализируются вклады каждого ЭРИ в общую безотказность РЭС с целью определения наиболее ненадежных элементов и принимается одно из следующих решений:

• Скорректировать ТЗ.

• Внести изменения в схему РЭС:

о заменить ЭРИ более надежными аналогами;

о выбрать другую схему с меньшими нагрузками;

о ввести резервирование наиболее нагруженных или ненадежных ЭРИ.

• Внести изменения в конструкцию РЭС:

о перекомпоновать элементы РЭС с целью оптимизировать характеристики

режимов работы (в основном тепловых); о внести дополнительные конструктивные элементы (введение ребер жесткости, теплостоков, вентиляторов, минирадиаторов, ответвителей воздуховодов, введение защитных экранов); о внести резервирование наиболее ненадежных или нагруженных конструктивных узлов.

Если результаты расчета удовлетворяют требованиям ТЗ, то формируется отчет со значениями показателей безотказности и долговечности РЭС и работа заканчивается.

В диссертации рассмотрен пример анализа показателей безотказности печатного узла на основе комплексного моделирования физических процессов. В примере была поставлена задача, обеспечить безотказной работу ПУ в течение 10000 часов с вероятностью не менее 0.95. В результате анализа показателей безотказности были выявлены недостатки конструкции РЭС и внесены изменения с целью повысить надежность РЭС. Экранные формы по заданию исходных данных и выводу результатов представлены на рис. 4.

Проект Праег.а Вид Сервис Окно Спрмка

э а: % %$]Щ|аи и.

л 2 Нечетный узел * Пвчзпый узел !-ЯС1 1-.С2 «СЭ [—|С< 1-.С5

■яв «с?

1—1 С8 Л С9 1—1 СЮ 1-1 С11 ЛС12 ¡■ЛШ ■ Л СИ « С15 I—. С16 МС17 ¡ЛИ «Я2 1—1 ЙЗ 1—101 -14 02

1-1 эз

1—1 04 1—1 05 г 1-1 06 «07

1-1 ое

I—IV!

2 - ■*)

Свойства элемента ) Показатели безотказности;

Е1 Только редактируемые параметры

Описание, (размерность]

Обозначение Наименовал« класса ЭРИ

Наименование группы ЭРИ

Вероятность безотказной работы

Средняя вероятность безотказной работы

Средняя наработка до отхаза (ресурс!. М

Среднее время безотказной работы. [ч|

Эксплуатационная интенсивность отказов, р/ч)

Остггточньй ресурс. (ч]

Константа модели козФФтиемта реж>»ла

Константа модели ксаФФшиента режима

Коэффициент режима, (ее.)

Константа мааепи коэффициента режюз

Коэффициент хранения

Константа модели коэффициента режима

Константа мэдели коэффициента режича

Константа модели кооФФимента режи>1а

Коэффициент приеъ*и Коэффициент зксплуатац1*1

Коэффициент в зависимости от номжальной емкости Базовая интенсивность отказов, |1 /ч] Режим э ксплуатаили

Условия эксплуатации в режиме ожиаания (ранения) Коэффициент нагрузки Номинальная емкость, (мкФ) Приемка

Температура окружающей среды (корпуса), |*С]

С1

Конденсаторы

Посто5нной емкости, керамические н

0.995616250061105

0.995616250061105

3869452193068Э

3869452.1990683

258434514384435Е 7

3852452 1990683

0.3

номинальное напряж«-

0.69512033149975 1.94Е-8

а) задание исходных данных

Здкрчвь |

«□5 С16 гЛ С17

т

1 «яг •« вз 01

•

03

04

Г!«| 05

1-т об

¡■«07 ; 08 !••« Т1

Вероятность безотказной работы

¡ИяпГЛ.

г в!

ПвПШПпЛПг

5 се С7 се С5 С*0 С11 С12С13 С14 С15 С17 Я2 В1 02 03 04 05 0« С? 08 "

|0С1 I С С2 10СЗ В0С4 О С>С5 оссе 10С7 Ц-0С8 | 0С5 0. 0С1СВ ЭС110 0С12В:0С13| 0С14Щ; 0С151 - - - - - - - - - - - •*• 0 VI |

|| 0С1в| 0С17| 0Я1 В а &ЯЗ & ОРТ 1002 В ОРЗ I СР* Д-ООб 0 ОРв В 007 Д 0С5 | 0Т1 | &У1 |

б) вклады ЭРИ в общую безотказность РЭС

Проект Првии Вщ Сервис Окно Справка

„4-а! ¡.^з.вз- в

нта! Показатели безотказности \ £ Интенсивность отказов 0 Ресурс ^ Вероятность безотказной работы

г С13 С14

* <Я| Резерсцхеани |

1Ц¥ПР[#|

1

О

С1 С2 СЗ С< С5 С6 С7 СЗ СЭ СТО СИ С12С13СКС15 СГ7

С2 03 К 05 С5 07 08 Т1 V!

т!

-1-1VI

- Ы

т га ЮМ 02 Ш ссз СЩ С 04 Щ1- 0 05

ЩИ« Ш ост ОСЕ ЖНсэ £3 гею

ет оси Ш о 012 Щ е сп Щ о си Щ , 0015

■■0 01$ т ос17 ■а |__4 С'Рггервйгоеаниеи—) 0 КЗ

Щ 801 И 002 УЫ огя ■Мм О'005

О осе ЕИ о В7 ЕМ сое О о Т1 СЗ о VI

в) вклады ЭРИ в общую безотказность РЭС после оптимизации конструкции Рис. 4. Анализ и обеспечение показателей безотказности в подсистеме АСОНИКА-Б

Итоговое время на подготовку модели безотказности и долговечности с использованием разработанных в диссертации метода и алгоритмов составляет в среднем 10 минут, причем количество ПУ слабо влияет на время подготовки модели безотказности и долговечности. Таким образом, временные затраты на построение модели сокращаются в десятки раз, что в итоге значительно повышает эффективность проектирования высоконадежных РЭС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

1. Проведено исследование моделей показателей безотказности и долговечности различных групп электрорадиоизделий (интегральных микросхем, полупроводниковых изделий, изделий квантовой электроники, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и др.) с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических моделей безотказности РЭС. Сформирован набор входных данных, который может быть получен из результатов моделирования физических процессов в существующих САПР.

2. Разработана оригинальная методика определения остаточного ресурса РЭС, которая позволяет учесть колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и электрорадиоизделий.

3. Разработан метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, который в отличие от существующих учитывает тепловые, механические, электрические, радиационные режимы работы электрорадиоизделий в условиях эксплуатации и хранения.

4. Разработана структура автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадиоизделий, отличающаяся от существующих наличием интерфейсов импорта структуры РЭС, а также значений результатов моделирования механических, тепловых, электрических процессов, воздействия радиационного излучения на РЭС из других подсистем САПР АСОНИКА.

5. Разработана структура справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ, отличающаяся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ и моделей для расчета их показателей безотказности и долговечности, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ.

6. Разработана методика обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования высоконадежных РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям безотказности и долговечности.

7. Осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тихомиров М.В. Разработка программного обеспечения для автоматизации анализа и обеспечения надежности электронной аппаратуры // Качество. Инновации. Образование. - 2009.

- № 8. - С.38-47.

2. Тихомиров М.В. Подсистема анализа показателей безотказности радиоэлектронных средств АСОНИКА-Б / Приложение 3 в книге «Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий». Том 1/ Шалумов A.C., Малютин Н.В., Кофанов Ю.Н. и др. / Под ред. Кофанова Ю.Н., Малютина Н.В., Шалумова A.C. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 368 с.

3. Шалумов A.C., Тихомиров М.В., Малов A.B. Подсистема анализа показателей безотказности радиоэлектронных средств АСОНИКА-Б. Проектирование электронных средств с применением системы АСОНИКА / П. 10.2, 10.3 и приложение 2 в книге «Основы надежности электронных средств»: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н.П. Ямпурин, A.B. Баранова; под ред. Н.П. Ямпурина. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - С.127 - 139, 226-233.

4. Шалумов A.C., Тихомиров М.В., Малов A.B., Евдокимов М.А., Колпаков A.B. Инновационная исследовательская деятельность на основе комплексного компьютерного моделирования физических процессов // «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники (New design methodologies)»: Материалы международной научно-технической конференции.

- Владимир, 2004. - С.24.

5. Шалумов A.C., Тихомиров М.В., Малов A.B., Способ Д.А. Разработка автоматизированной подсистемы анализа показателей надежности радиоэлектронных средств в составе САПР «АСОНИКА» // «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике»: Материалы четвертой всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург, 2005. - С.181-183.

6. Шалумов A.C., Мельников С.Ю., Тихомиров М.В., Малов A.B., Способ Д.А. Комплексный анализ безотказности радиоэлектронных средств // «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах»: Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть I. - М.: Радио и связь, 2006.-С.49-51.

7. Шалумов A.C., Тихомиров M.B. Расчет надежности радиоэлектронной аппаратуры // «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» / Материалы пятой всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2006. - С. 10-12.

8. Тихомиров М.В., Шалумов A.C. Технология построения модульного программного комплекса моделирования физических процессов // «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» / Материалы шестой всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. - С.351-352.

9. Тихомиров М.В. Анализ ресурса электрорадиоизделий с учетом тепловых воздействий // «Информационные системы и технологии. ИСТ-2008» / Материалы Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, 2008. - С.175.

10. Тихомиров М.В. Автоматизированный анализ и обеспечение надежности электронной аппаратуры // Труды 51-й научной конференции МФТИ. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Часть I. Факультет радиотехники и кибернетики. Москва -Долгопрудный, 2008. - С.21-23.

Подписано к печати 24.05.2010 г. Отпечатано в ОАО «Ковровская типография» Владимирская обл., г. Ковров, ул. Першутова, 16 Заказ № 808. Тираж 100. Усл. печ. л. 1.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Исследование вопросов влияния физических процессов на надежность РЭС.

1.2. Обзор методов и программных средств для обеспечения показателей надежности радиоэлектронных средств.

1.2.1. Общие принципы обеспечения надежности.

1.2.2. Методы расчета надежности систем.

1.2.3. Обзор программных средств для анализа надежности.

1.3. Основные задачи исследования.

1.4. Выводы к первой главе.

ГЛАВА 2. МЕТОД АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Общие положения.

2.1.1. Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов.

2.1.2. Оценка остаточного ресурса объектов.

2.1.3. Характеристики экспоненциального распределения.

2.2. Вычисление показателей безотказности и долговечности с учетом режимов работы ЭРИ.

2.2.1. Обобщенная модель показателей безотказности и долговечности.

2.2.2. Вычисление показателей безотказности ЭРИ.

2.2.3. Вычисление показателей безотказности нерезервированных систем.

2.2.4. Вычисление показателей безотказности резервированных систем.

2.2.5. Методика определения остаточного ресурса.

2.2.6. Вычисление времени до усталостного разрушения выводов ЭРИ

2.3. Метод анализа показателей безотказности и долговечности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов.

2.4. Выводы ко второй главе.

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДСИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЭС АСОНИКА-Б.

3.1. Структура автоматизированной системы АСОНИКА.

3.2. Разработка структурной схемы автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Б.

3.3. Входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Б.

3.4. Алгоритмы автоматизированного анализа показателей безотказности и долговечности РЭС.

3.5. Организация и структура справочной базы данных.

3.6. Выводы к третьей главе.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

4.1. Структура методики обеспечения показателей безотказности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов.

4.2. Пример применения методики обеспечения показателей безотказности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов.

4.3. Внедрение результатов диссертационной работы.

4.4. Выводы к четвертой главе.

Нынешняя международная обстановка требует создания высокоскоростных военных подвижных объектов, на борту которых должны быть установлены самые современные радиоэлектронные средства (РЭС). Такие РЭС отличают жесткие условия эксплуатации и, прежде всего, интенсивные тепловые, механические и др. воздействия, которые, как показывает статистика, вызывают до 50% отказов РЭС. Такой высокий процент отказов объясняется многими причинами, но главной из них является применение устаревших подходов к проектированию. В результате часто не выполняются требования нормативно-технической документации по тепловым, механическим и др. характеристикам конструкций РЭС. Положение усугубляется жесткими ограничениями по срокам и стоимости проектных работ. Чтобы найти выход из создавшейся ситуации, нужно было прежде всего проанализировать процесс разработки РЭС на отечественных предприятиях и затем уже искать новые подходы к проектированию.

Задача обеспечения надежности РЭС является одной из важнейших задач проектирования. Количественная оценка показателей безотказности и долговечности РЭС предусмотрена нормативно-техническими требованиями к их промышленной разработке, производству и эксплуатации. Это необходимо для объективной и научно обоснованной оценки существующего уровня надежности и безопасности РЭС и выработки, обоснования и оптимизации различных управленческих решений, направленных на их повышение.

Отказы техники вызывают большие потери средств, сил и времени из-за разрушения объектов, необходимости проведения восстановительных работ и связанных с ними простоев оборудования, ущерба от невыполнения определенных задач. Кроме того, недостаточная надежность технических устройств отрицательно влияет на безопасность их эксплуатации.

Проблема надежности по своей сути является комплексной, системно-технической, так как она непосредственно связана с процессами проектирования, опытной отработки, производства и использования техники. Совокупность общих методов, позволяющих создавать технические устройства с высокой надежностью и рассчитывать ее количественные показатели, составляет основу теории надежности. Таким образом, условно в проблеме надежности можно выделить два направления: обеспечение надежности и ее расчет (контроль). Если первое направление основывается на решении традиционных конструкторских и технологических задач по созданию высококачественных изделий и правильной их эксплуатации, то второе связано в основном с применением специальных математических методов.

В настоящее время расчет надежности радиоэлектронных средств проводится на основе СПРАВОЧНИКА «Надежность ЭРИ», его автоматизированной версии или системы АСРН РНИИ «ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ». В базе данных (БД) системы содержится вся необходимая информация для расчета надежности отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ) и аппаратуры различных классов.

В последнее время расчеты надежности зарубежных ЭРИ все чаще проводят на основе MIL-HDBK-217F" или систем автоматизированного проектирования (САПР) зарубежного производства. Так, в состав САПР CADENCE входит подсистема RELIABILITY расчета надежности ЭРИ. В БД подсистемы содержится вся необходимая информация для расчета надежности зарубежных ЭРИ. Однако, в отличие от системы АСРН, в БД подсистемы RELIABILITY не содержаться типономиналы ЭРИ, что вызывает такие же трудности расчета надежности, что и при использовании системы АСРН, связанные с идентификацией ЭРИ (определения его соответствия классификации ЭРИ в MIL-HDBK-217F). Кроме того, высокая стоимость САПР зарубежного производства существенно ограничивает возможность их применения на отечественных предприятиях для расчетов надежности РЭС. 6

Существует также подсистема АСОНИКА-К, которая позволяет проводить анализ показателей безотказности с использованием базы данных ЭРИ.

Но главной проблемой, которая стоит перед проектировщиком РЭС при работе с указанными системами, отсутствие при анализе показателей безотказности учета реальных режимов работы ЭРИ в условиях эксплуатации при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, а также отсутствие анализа показателей долговечности. Такой учет можно осуществить только на основе комплексного моделирования разнородных физических процессов в РЭС (электрических, тепловых, механических, радиационных и др.). Поэтому необходимо создать подсистему для анализа показателей безотказности и долговечности РЭС в рамках уже существующей системы комплексного моделирования физических процессов. На сегодняшний день в России такой системой является автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА, не имеющая аналогов как в России, так и за рубежом. Кроме того, для анализа показателей безотказности и долговечности требуется большой объем исходных данных для ЭРИ (конструктивных, технологических, схемотехнических), что требует решения вопроса автоматизации подготовки и конвертирования данных из других подсистем системы АСОНИКА.

Проблемы автоматизированного проектирования РЭС, на основе исследования в них физических процессов, рассматривались в работах Андреева А.И. [19, 36, 37], Вермишева Ю.Х. [38-41], Дульнева Г.Н. [42], Жаднова В.В. [43-44], Журавского В.Г. [19, 45-47], Зольникова В.К. [48, 49], Кечиева JI.H. [50], Кожевникова A.M., Конавальчука А.С. [51, 52], Кофанова Ю.Н. [19, 43, 44, 53, 54], Крищука В.Н. [51], Мыровой Л.О., Норенкова И.П. [55], Петрова Б.В., Разевига В.Д. [56-58], Стрельникова В.П. [30], Талицкого Е.Н. [62, 63], Тартаковсого A.M. [61], Тумковского С.Р. [44, 64, 65], Увайсова

С.У. [44, 66, 67], Шрамкова И.Г., Шалумова А.С. [2, 19, 44, 54] и др. [68-80] 7

Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику автоматизированного проектирования РЭС и математического моделирования физических процессов в РЭС. Однако при этом перечисленными авторами не достаточно уделено внимания проблеме комплексного моделирования в виде связей разнородных физических процессов в соответствии с реальным влиянием этих процессов на безотказность РЭС.

Таким образом, для создания конкурентоспособных и высоконадежных РЭС актуальной проблемой является решение задач автоматизированного обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, как на программном, так и на методическом уровнях, а также их согласование с идеологией С/ЛЛ-технологий.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств за счет автоматизации анализа и обеспечения показателей безотказности и долговечности по результатам комплексного компьютерного моделирования физических процессов в РЭС.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Проведение исследований моделей показателей безотказности различных групп электрорадиоизделий (интегральных микросхем, полупроводниковых изделий, изделий квантовой- электроники, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и др.) с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических моделей безотказности РЭС. Отбор набора входных данных, который может быть получен из результатов моделирования физических процессов в существующих САПР.

2. Разработка методики определения остаточного ресурса РЭС. 8

3. Разработка метода анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов.

4. Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадиоизделий.

5. Разработка справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ.

6. Разработка методики обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов.

7. Внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теории надежности, объектно-ориентированного программирования.

Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданного метода и программных средств автоматизированного анализа безотказности и долговечности РЭС позволяет повысить эффективность проектирования высоконадежной аппаратуры и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по показателям надежности, и как следствие уменьшить стоимость разработок таких изделий.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.

Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методика и-программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НИЦЭВТ» (г. Москва) при проектировании многоэтажных шкафов, а также при проектировании блоков радиоэлектронных средств ФГУП

КБ Машиностроения» (г. Коломна), ОАО «НПП «Волна» (г. Москва), ООО «НПП «Прима» (г. Нижний Новгород), ОКБ ИРЗ (г. Ижевск).

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.

В 2009 году проект «АСОНИКА», в состав которой входит разработанная подсистема АСОНИКА-Б, явился победителем Конкурса русских инноваций 2009. В 2005 году на V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций проект «АСОНИКА» был награжден серебряной медалью.

В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю д.т.н., профессору Шалумову Александру Славовичу за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным результатом диссертационной работы является повышение эффективности проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств за счет автоматизации анализа и обеспечения показателей безотказности и долговечности по результатам комплексного компьютерного моделирования физических процессов в РЭС, и как следствие сокращение сроков и стоимости разработки РЭС.

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

1. Проведено исследование моделей показателей безотказности и долговечности различных групп электрорадиоизделий (интегральных микросхем, полупроводниковых изделий, изделий квантовой электроники, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и др.) с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических моделей безотказности РЭС. Сформирован набор входных данных, который может быть получен из результатов моделирования физических процессов в существующих САПР.

2. Разработана оригинальная методика определения остаточного ресурса РЭС, которая позволяет учесть колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и электрорадиоизделий.

3. Разработан метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, который в отличие от существующих учитывает тепловые, механические, электрические, радиационные режимы работы электрорадиоизделий в условиях эксплуатации и хранения.

4. Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадиоизделий, отличающейся от существующих наличием интерфейсов импорта структуры РЭС, а также значений результатов моделирования механических, тепловых, электрических процессов, воздействия радиационного излучения на РЭС из других подсистем САПР АСОНИКА.

5. Разработана и реализована структура справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ, отличающейся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ и моделей для расчета их показателей безотказности и долговечности, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ.

6. Разработана методика обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования высоконадежных РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям безотказности и долговечности.

7. Осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

1. Тихомиров М.В. Разработка программного обеспечения для автоматизации анализа и обеспечения надежности электронной аппаратуры // Качество. Инновации. Образование. 2009. - № 8. - С.38-47.

2. ГОСТ Р ИСО 10303-1-99. Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 1. Общие представления и основополагающие принципы. М.: ГОСТАНДАРТ России, 1999.

3. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

4. ГОСТ 27.003-90 Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

5. ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

6. ГОСТ 27.310-95 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов.

7. Сарафанов А.В. Комплексная модель и методология исследования характеристик РЭС на ее основе// Интернет в образовании и технических приложениях: Сборник науч. трудов. М.:МГИЭМ, 2000г- 150с.

8. Надежность технических систем: Справочник/Под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. - 608 с.

9. СПРАВОЧНИК Надежность электрорадиоизделий, 2006. 22 ЦНИИИ МО РФ. - 641 с.

10. ГОСТ РВ 20.39.301-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Общие технические требования, методы обеспечения и оценки соответствия. Основные положения

11. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. -Издание официальное, 1998.

12. Моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ/ Ю.Н.Кофанов, А.С.Шалумов, К.Б.Варицев и др.; Под ред.Ю.Н.Кофанова. М.: МГИЭМ, 1999. - 139с.

13. Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С., Журавский В.Г., Гольдин В.В. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях. М.: Радио и связь, 2000. - 226с.

14. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры/ Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов, С.И. Трегубов, А.С. Шалумов А.С. М.: Радио и связь, 2000. - 389с.

15. Кофанов Ю.Н., Новиков Е.С., Шалумов А.С. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 2000. - 160с.

16. Русановский С.А., Шалумов А.С. Математическое и программное обеспечение человеко-машинных интерфейсов для моделирования бортовых приборов и систем. Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2007. - 168 с.

17. Military Standartization Handbook, MILHDBK217F

18. Яншин А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА.: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1983. - 312 е.: ил.

19. Надежность и эффективность АСУ / Ю.Г. Заренин, М.Д. Збырко, Б.П. Креденцер и др. К.: Техшка, 1975. 368 с.

20. Азарсков В.Н, Стрельников В.П. Надежность систем управления и автоматики: Учеб. пособие. К.Ж НАУ, 2004. - 164 с.

21. Погребинский С.Б., Стрельников В.П. Проектирование и надежность многопроцессорных ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.-168с.

22. Трощенко В.Т., Сосновский JLA. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник. Киев:Наукова думка, 1987. -1303с.

23. Иосилевич Г.Б., Лебедев П.А., Стреляев B.C. Прикладная механика: Для студентов втузов. М.: Машиностроение, 1985. -576с.

24. Шалумов А.С. Моделирование механических процессов в конструкциях РЭС на основе МКР и аналитических методов: Учебное пособие. Ковров: КГТА, 2000. 233с.

25. Borland Delphi 6. Руководство разработчика.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. - 1120 е.: ил.

26. Андреев А.И., Баюков А.В. Надежность элементов радиоэлектроники // Радиотехника. 1995. № 4.

27. Андреев А.И. Методы обеспечения и оценки надежности радиоэлектронных средств: Учеб. пособие. М.: МИРЭА, 2000. - 108 с.

28. Вермишев Ю.Х. Фрагмент ОКР "Электронное КБ" для разрабатывающего предприятия радиотехнического профиля// Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн. ГУП "ВИМИ", 2000. № 2. С. 46-56.

29. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизированного проектирования. М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

30. Принципы создания интегрированных автоматизированных систем / Е.И. Бронин, Ю.Х. Вермишев, В.В. Машков, М.С. Суровев. М.: Радио и связь, 1987.

31. Бронин Е.И., Вермишев Ю.Х. Концепция обновления фирм ВПК на основе современных информационных технологий// Информационныетехнологии в проектировании и производстве: науч.-техн. журн. М.: ГУЛ ВИМИ, 1997. №2. С. 3-6.

32. Методы расчета тепловых режимов прибора/ Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

33. Андреев А.И., Жаднов В.В., Кофанов Ю.Н. Виды и причины отказов радиоэлектронных средств: Учеб. пособие М.: МГИЭМ, 1995. - 64 с.

34. Журавский В.Г., Рыжов В.В. Обеспечение сейсмоударостойкости базовых несущих конструкций облегченного типа для технических средств АСУ. ВСП7, серия СОИУ, вып. 3, 1985.

35. Журавский В.Г., Акимов А.Г., Жоржолиани Б.Л. Коррозионная стойкость радиоэлектронных модулей. М.: Радио и связь, 1991.

36. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях / Ю.Н. Кофанов, А.С. Шалумов, В.Г. Журавский, В.В. Гольдин. М.: Радио и связь, 2000. - 226 с.

37. Система проектирования биполярных радиационно-стойких ИМС/ В.Е. Межов, В.К. Зольников, Д.Е. Соловей, А.В. Межов Воронеж, 1998. - 255 с.

38. Зольников В.К. Исследование и разработка методов моделирования характеристик ИМС в условиях воздействия радиации: Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.13.12. Воронеж, 1998. - 32 с.

39. Конструирование электронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, JI.H. Кечиев, Б.В. Петров. М.: Радио и связь, 1989. - 335 с.

40. Комплексное математическое моделирование электрических и тепловых процессов радиоэлектронных средств / Н.Н. Касьян, А.С. Конавальчук, Ю.Н. Кофанов, В.Н. Крищук. Запорожье: ЗГТУ, 1995. - 118 с.

41. Коновальчук А.С. Комплексное моделирование электрических и тепловых процессов в аналоговых микроэлектронных узлах: Дис. канд. техн. наук. М.: МИЭМ, 1988.

42. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1991. - 360 с.

43. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры / Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов и др. М.: Радио и связь, 2000. - 389 с.

44. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для ВТУЗов по спец. «Выч. машины, компл., сист. и сети». -М.: Высшая школа, 1990. 335 с.

45. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (Pspace). М.: СК Пресс, 1996. -272 с.

46. Разевиг В.Д. Система проектирования печатных плат ACCEL EDA 12.1 (P-CAD для Windows). -М.: СК Пресс, 1997. 368 с.

47. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V. М.: СОЛОН, 1997. - 273 с.

48. Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами / Ю.В. Зеленев, А.А. Кирилин, Э.Б. Слободник, Е.Н. Талицкий; Под. ред. Ю.В. Зеленева. М.: Радио и связь, 1984. - 120 с.

49. Талицкий Е.Н. Моделирование виброустойчивых конструкций РЭА с полимерным демпфером // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО. 1988. Вып. 2. С. 57-61. ДСП.

50. Тартаковский A.M. Краевые задачи в конструировании радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие. Саратов: СГУ, 1984. - 132 с.

51. Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами / Ю.В. Зеленев, А.А. Кирилин, Э.Б. Слободник, Е.Н. Талицкий; Под. ред. Ю.В. Зеленева. М.: Радио и связь, 1984. — 120 с.

52. Талицкий Е.Н. Моделирование виброустойчивых конструкций РЭА с полимерным демпфером // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО. 1988. Вып. 2. С. 57-61. ДСП.

53. Дудось И.Н., Смирнов П.С., Тумковский С.Р. Идентификация параметров модели диода по технологии клиент-сервер в сети Интернет // Интернет в образовании и технических приложениях: Сборник науч. трудов -М.: МГИЭМ, 2000. С. 32-37.

54. Тумковский С.Р. Автоматизация схемотехнического проектирования функциональных узлов РЭС: Учеб. пособие. М.: МГИЭМ, 1995. - 43с.

55. Увайсов С.У. Методы диагностирования радиоэлектронных устройств систем управления на протяжении их жизненного цикла: Дис. доктора техн. наук. М.: МГИЭМ, 2000.

56. Моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры с помощью подсистемы "АСОНИКА-ТМ" / К.Б. Варицев, P.JI. Желтов, А.С. Шалумов и др.; Под ред. Ю.Н. Кофанова. М.: МГИЭМ, 1999. - 139 с

57. Поляков С.А. О моделировании электромагнитных процессов в энергопреобразующей аппаратуре систем электропитания космических аппаратов// Электронные и электромеханические устройства: Сб. научн. трудов НПЦ «Полюс». Томск, 1997. С. 40-45.

58. Резников Г.В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1988. 224 с.

59. Кофанов Ю.Н., Засыпкин С.В. Комплексное моделирование взаимосвязанных физических процессов радиоэлектронных конструкций: Учеб. пособие. М.: МГИЭМ, 1996. - 56с.

60. Кофанов Ю.Н., Манохин А.И., Увайсов С.У. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества радиоэлектронных средств: Учеб. пособие М., 1998. - 139 с.

61. Белов В.Ф. Автоматизация проектирования электромагнитной совместимости автономных преобразовательных систем. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1993. - 343 с.

62. Шепелев В.А. Проблемы создания системной среды САПР изделий электроники / Автоматизация проектирования. 1997. № 1.

63. Кураксин С.А., Бикулов С.А., Баранов JI.B., Козлов С.Ю., Ксенофонтов Д.К., Ефремов А.Н. T-FLEX CAD новая технология построения САПР/ Автоматизация проектирования. - 1996. № 1.

64. Чердаков Е.А., Чеканов А.Н., Еланцев А.В. Проектирование топологии и компоновка ГИС с учетом тепловых режимов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1989. - 43 с.

65. Лисицын А.В. Разработка методов машинного анализа тепловых характеристик при проектировании усилительных устройств многоканальных информационно-измерительных устройств: Дис. канд. техн. наук. М.: МИЭМ (для служебного пользования), 1983.

66. Влах И., Сингхал К. Машинные методы проектирования электронных средств / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. — 312 с.

67. Микроэлектронные электросистемы. Применение в радиоэлектронике/ Ю.И. Конев, Г.Н. Гулякович, К.Н. Полянин и др.; Под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1987. - 240 с.

68. Скребушевский Б.С. Космические энергетические установки с преобразованием от солнечной батареи. М.: Машиностроение, 1992.-224 с.

69. Дружинин Г.В. Методы оценки и прогнозирования качества М.: Радио и связь, 1982. - 160 с.

70. Сотоков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высшая школа, 1970. -271 с.