автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений радиоэлектронных средств

На правах рукописи

СПОСОБ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ ДЛЯ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Специальность 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования» (технические науки)

МОСКВА 2005

Работа выполнена на кафедре <01рнклалная математика и САПР» Ковровской госуларсгвенной технологической академии.

Научный руководитель: Шалумов Александр Славович. доктор технических наук,

профессор. Владимирский филиал Российской академии государственной службы при Президенте РФ

Официальные оппоненты: Вермишев Юрий Христофорович, доктор технических наук,

профессор, ОАО НПО «АЛМАЗ»

Долматов Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, доцент Московского государственного института электроники и математики (технический университет)

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи «Волна» - филиал научно-производственного предприятия «Волна» (г. Москва)

Зашита состоится 28 июня 2005 года в И00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.133 03 при Московском государственном институте электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Бол. Трехсвэтительскийпер., 3/12, стр. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики.

Автореферат диссертации разослан 27 мая 2005 г.

И.о. ученого секретаря совета

Д 212.133.03 д.т.н., профессор

Солодовников И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов радиоэпекгронныч средств (РЭС) Подавляющее бочьшпнство отказов РЭС из-за механических воздействий связано с выходом за прсдеты. \сгановтснные нормативно-технической документацией (НТД). механических хараыеристик конструкций РЭС - ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы аппаратуры. Кроме того, к нарушениям прочности РЭС часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах электрорадиоизделий (ЭРИ) и и\ разрушение.

связанные с потерей прочности РЭС. выявляются на завершающих

этапах разработки и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ Проектирование современных радиоэлектронных средств в заданные сроки и в соответствии с требованиями НТД по механическим характеристикам, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий Применение компьютерного моделирования механических процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкции РЭС, сроки и затраты на проектирование.

Актуальность на механические воздействия возрастает с каждым днем, так

как. с одной стороны, повышаются требования к надежности разрабатываемых РЭС, а с другой стороны, повышается интенсивность механических сокращается время, отводимое

разработчику на проектирование

Моделирование РЭС на механические воздействия, в общем случае, заключается в следующем"

1) моделирование несущей конструкции с целью получить напряжения в конструкции. а также ускорения в местах крепления печатных узлов (ПУ), тк механические воздействия на опоры ПУ передаются именно через несущие конструкции.

2) моделирование ПУ РЭС с целью определить перемещения и напряжения в конструкции ПУ. ускорения на время до усталостного разрушения выводов ЭРИ.

Компьютерное моделирование механических процессов в РЭС требует взаимного учета цечого ряда футоров" геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в ПУ тысяч ЭРИ. механические характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий, одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических комплексного характера приложения тепловых и механических

воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические нелинейности физических характеристик материаюв конструкций

Существующие специализированные программы моделирования механических процессов в РЭС не учитывают всех вышеизложенных не достаточно развиты применительно к

моделированию несущих конструкциях РЭС. не позволяют построить всю иерархию конструкций РЭС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и моделирования между

отдельными уровнями иерархии РЭС. от блока к ПУ.

Для моделирования механических процессов в конструкциях РЭС применяются

следующие универсальные САЕ-системы. NASTRAN. COSMOS-M. MARC, ANSYS и т д

Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области прочности, не разбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому прочнисту требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем возникает множество итераций по согласованию результатов моделирования между расчетчиком и разработчиком За это время разработчик при наличии удобного инструмента мог уже перебрать множество вариантов, работая в интерактивном режиме необходимо отказаться от подобной

практики и передать вопросы моделирования разработчику Однако для этого конструктор РЭС помимо пользовательских навыков работы с универсальной САЕ-системой должен обладать глубокими теоретическими знаниями в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических процессов в конструкциях РЭС Подготовка разработчика РЭС, сочетающего в себе знания конструктора. анататика-расчетчика и почьзователя САЕ-системой. требует значительных временных и финансовых что, учитывая динамику темпов

производства и нестабильность кадров в современных условиях неэффективно Однако даже натичие высококвалифицированного рачрабо гчпка не решает проблемы моделирования механических процессов в конструкциях ЮС. Использование кочпькчерного моделирования фебует от разработчика РЭС построить расчетн\ Ю модель нес\ щей констр\ кцин. провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатеть произвести обработать результаты и принять решение по полученным

результатам. В результате время, потраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить. что большую часть времени, потраченного на моделирование, занимает ввод конструкции РЭС в САЕ-систему и анализ моделирования.

Выход из сложившегося положения заключается в разработке специализированных средств компьютерной графики, позволяющих разработчику РЭС в минимальные сроки собирать сложную конструкцию РЭС из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода

Решением задачи моделирования механических процессов в конструкциях РЭС занимались такие специалисты как Крищук В Н.. Шалумов А.С., Фадеев О.А и друтие Но в данных работах детально не рассматривались вопросы повышения эффективности моделирования конструкций РЭС средствами сочетающего в себе универсальных и

специализированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы

Таким образом, актуальным является применение средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений РЭС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

Целью работы является повышение показателей надежности разрабатываемых радиоэлектронных средств, отвечаюших требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений.

Задачи работы. Для реализации цели данной работы согласно вышеизложенным необходимо решить следующие задачи

1. Исследование особенностей несущих конструкций РЭС с точки зрения моделирования механических процессов.

2. Разработка информационных моделей типовых несущих конструкций

3. Разработка методики визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций РЭС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

4. Разработка алгоритмов графических интерфейсов для синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов РЭС.

5. Практическая реализация алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений РЭС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

6. Разработка справочной базы данных (БД) по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций РЭС.

7. Разработка методики синтеза и анализа проектных решений радиоэлектронных средств при комплексных воздействиях на основе средств компьютерной графики

8 Внедрение созданной методики синтеза и анализа проектных решений радиоэлектронных средств при комплексных воздействиях в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке- методики визуализации исходных данных и результатов моделирования РЭС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающейся от известных наличием комплексных информационных, топологических и моделей механических

процессов:

- алгоритмов графических интерфейсов для синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов РЭС, позволяющих конструктору в минимальные сроки собирать сложную модель несущей конструкции РЭС из типовых элементов;

- структуры автоматшированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений РОС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающейся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования механических процессов в несущих конструкциях РОС в универсальной САЕ-системе. обеспечивающих удобный проектировщику ЮС язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода, возможостыо построить всю иерархию конструкций РЭС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии:

- структуры справочной базы данных по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций РЭС. отличающейся от полных условных записей ЭРИ.

моделей вариантов установки ЭРИ. позволяющих значительно сократить время на ввод тепловых и др параметров ЭРИ. возможностью создания новых моделей вариантов установки ЭРИ. необходимых графических

позволяющих придавать реалистичность изображению ЭРИ в возможностью

создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ. содержащих ф)"нкци0нальные. логические, текстовые и графические данные об ЭРИ:

- методики синтеза и анализа проектных решений РЭС при комплексных воздействиях на основе средств компьютерной отличающейся от существующих доступного

разработчику языка взаимодействия на базе графических интерфейсов автоматизированного синтеза типовых и нетиповых конструкций РЭС и универсального графического интерфейса вывода результатов позволяющей в минимальные сроки и с минимальными

затратами принимать решение об обеспечении стойкости РЭС к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых РЭС.

Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданных методических и программных средств позволяет повысить эффективность моделирования РЭС, обеспечить более высокие показатели надежности разрабатываемой сократить сроки

и стоимость проектных работ РЭС с соблюдением требований НТД по тепловым и механическим характеристикам. Для освоения разработанного программного и методического обеспечения требуется не более 8 рабочих дней, в то время как освоение универсальных САЕ-систем требует несколько месяцев и более. Достоинством разработанных методик следует отметить то. что. прежде всего, они позволяет избежать вызванных человеческим фактором при

за счет специализированных графических интерфейсов ввода исходных данных и вывода результатов моделирования.

Методы исследования основываются на теории системного анализа, прикладной механики, методах вычислительной математики и компьютерной графики.

Реализация и внедрение результатов работы. Исследования автора выполнялись на кафедре «Прикладная математика и системы автоматизированного проектирования» Ковровской государственной технологической академии.

Результаты, полученные в диссертационной внедрены в практику проектирования

Российских предприятий: Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Королев), Раменское проектное конструкторское бюро (г. Раменское Московской обл.). КБ ИГАС «Волна» (г. Москва), Приборостроения (г. НИИ автоматической аппаратуры имени академика

(г. Москва), ОКБ Ижевского радиозавода Ижевск). Разработанная автором подсистема АСОНИКА-ТМ используется в рамках Министерства обороны РФ для проведения контроля за правильностью применения изделий электронной техники в аппаратуре специального назначения, рекомендуется комплексом стандартов "МОРОЗ-6" для применения в процессе проектирования и замены испытаний на ранних этапах проектирования согласно РДВ 319.01.0594, ред.2-2000.

совместно с другими разработан специальный руководящий документ

военный РД В 319.02.49 -2003 (Расчетные методы оценки стойкости РЭА к воздействию механических факторов и порядок их применения), введенный в действие с 1 января 2004 года.

Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Ковровской государственной технологической академии и Московского государственного института электроники и математики.

Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «Ш шсячележе новый мир» (г. Москва. 2004) на Международной научно-технической конференции «Системнее проблемы качеава. математического моделирования и информационных течнодошн» О Сочи. 2001 2002. 2003 гг.} на научно-методической конференции «Новые ГОСы - новые техно югии обучения» (г Ковров. 2002 г), на Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, произволе!ве и образовании» (г Ковров. 2002 г), на Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские ч]ения» (i. Москва, 2003 i ). на VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (г Санкт-Петербург. 200i г)

Практическая реализация ре*ультагов диссертационной работы в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений РЭС при комплексных тепловых и механических воздействиях была представлена на

— V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва 2005 г )

— IX Международной выставке молодежных научно-техшгческих проектов ЭКСПО-НЛУКА 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО (г. Москва):

— Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТ1 М-2004 (г. Москва).

— Городской выставке научно-технического творчества молодежи Творец-2004 (г Ковров)

На выставке НТТМ-2004 работа была названа лучшим проектом в обтает математики и

информатики, а автор награжден золотой медалью «Лауреат ВВЦ». Кроме этою отдельные результаты диссертационной работы были удостоены дипломами победителя Всероссийского конкурса КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИНЖИНИРИНГ в номинации «Дидактические системы, программные продукты и учебно-методическое обеспечение учебного процесса» и в номинации «Использование отечественных в 2003 и 2004 гг.

В 2003 г диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования РФ по программе «Студенты, аспиранты и молодые ученые в фундаментальной науке и образовании для развития регионов - Столетовские гранты»

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 17 научных работ, в том числе 7 статей, 1 руководящий документ военный.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав. списка использованной литературы и приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ проблемы проектирования конструкций РЭС с учётом механических анализ современных методов и подходов

автоматизированных систем и средств компьютерной используемых для моделирования

механических процессов в конструкциях РЭС: рассмотрены механические воздействия, воздействию которых РЭС могут подвергаться в процессе эксплуатации: рассмотрены факторы, которые необходимо учитывать при моделировании механических процессов в конструкциях РЭС, в частности, температуры элементов показано влияние механических характеристик

на показатели надежности разрабатываемых РЭС.

Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов РЭС Актуальность моделирования на механические воздействия возрастает с каждым днем, так как. с одной стороны, повышается интенсивность механических а с другой сокращается

отводимое разработчику на

Рассмотрена существующая схема моделирования механических процессов в конструкциях РЭС на предприятиях, где это имеет но в подавляющем большинстве случаев, как

показывает моделирование РЭС не проводится. Исследование данной схемы выявило ее

недостатки и показало отсутствие в настоящий

методики исходных данных и результатов моделирования РЭС при

комплексных тепловых и механических воздействиях, позволяющей минимизировать влияние

человеческого фактора на адекватность результатов моделирования н позволяющей в минимальные сроки вводить конструкцию РОС в программ) моделирования и анализировать результаты посредством доступньгч ра'оаботчику графических интерфейсов ввода-вывода, а также самих графических интерфейсов;

— методики синтеза и анализа проектных решений РЭС при комплексных воздействиях на основе средств компьютерной графики, понятных разработчику РЭС и треблтощих минимальное время на освоение.

Проведен анализ программного обеспечения, применяемого для моделирования механических процессов в РЭС. Рассмотрен перечень применяемых спеииашзированных программ: РИЛС. автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА, разработанная в Московском государственном институте электроники и математики и в Ковровской государственной технологической академии, программы по расчету механических характеристик, разработанные в Пензенском государственном техническом университете, в Уральском государственном техническом университете и в Запорожском государственном техническом университете. Существующие специализированные программы не позволяют моделировать конструкции РЭС на все виды механических воздействий и получать все необходимые характеристики для принятия проектного решения, слабо или вообще не развиты по отношению к моделированию несущих конструкций РЭС, не позволяют построить всю иерархию конструкций РЭС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии РЭС. от блока к ПУ

Рассмотрено также применение универсальных конечно-элементных САЕ-систем для моделирования несущих конструкций РЭС: КЛБТКЛК, СОЗМОБ-М, МАИС, Отмечены

достоинства универсальных заключающиеся в возможности построения сложных и

более адекватных моделей, наличием необходимых для полноценного и эффективного анализа типовых процедур моделирования: оптимизация, допусковый анализ и анализ Однако применение универсальных САЕ-систем для моделирования несущих конструкций РЭС усложняется рядом факторов:

— отсутствием специализированных графических интерфейсов для ввода несущих конструкций РЭС и вывода результатов моделирования,

— отсутствием специализированных баз данных по параметрам материалов конструкций РЭС модулей идентификации неизвестных физико-механических параметров модели, практической

— невозможностью учесть нелинейность физических характеристик материалов конструкций и влияние тепловых процессов на механические;

— отсутствием интеграции со специализированными программами моделирования тепловых и механических процессов в ПУ и программами расчета систем необходимой для автоматизированной передачи исходных данных и результатов моделирования между различными конструктивными уровнями иерархии РЭС.

Кроме применение универсальных САЕ-систем повышает влияние человеческого

фактора на адекватность результатов моделирования, требует серьезных теоретических знаний и опыта использования данных а на их освоение требуются месяцы, а то и годы.

Исследования процесса проектирования РЭС с применением компьютерного моделирования механических и существующих универсальных и специализированных программ

моделирования, проведенные в диссертации, показали отсутствие на сегодняшний день необходимого программного и методического обеспечения, позволяющего конструктору РЭС в сжатые сроки проводить моделирование и принимать решение об обеспечении стойкости РЭС к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.

Выход из создавшегося положения лежит в объединении возможностей математического ядра универсальной САЕ-системы. например, Л^УВ с с)гцествующими специализированными программами, в частности с автоматизированной подсистемой комплексного анализа печатных узлов на тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ и подсистемой расчета систем виброизоляции посредством специальных препроцессора и постпроцессора в

рамках общей управляющей программы, позволяющей отследить всю иерархию конструкции РЭС от шкафа до отдельного ЭРИ, с целью автоматизированной передачи воздействий и результатов

моделирования от высшею уровня иерархии Р5С к более нижнему например от бюка к 11У Метолика применения upoiраммы до i/кна основываться на lexnoioinn хранения и управления данными о РЭС (PD \!-me\nowsv*) li тнессргаиии прнве 1ена структура такой PDM-систечы

На основе проведенною апанна предложена схема уюте шрования приведенная на рис I coi lacno которой конструлсгор РЭС вмцмодепствуст to сложной конечно-элементной CAt-системой чере) препроцессоры п постпроцессоры представ тающие собой графические интерфейсы ввода-вывода алгоритмы синлеза мотелей типовых и нетиповых конструкций Р JC и моделей механических процессов адагттирмощпе даннуло систему применительно к моделированию механических процессов в несущих конструкциях РЭС В данной схеме отсутствует аналитик-расчетчик а также посредничество между конструктором и САГ-системой что приводит к сокращению итераций отработки конструкции и как результат сокращению сроков и затрат на проектирование уменьшению влияния че ювеческого фактора на адекважость результатов моделирования

Предложен выбор в качестве универсальной конечно-элементной CAF-системы системы ANSYS единственной системы сертифицированной сопасно серии стандартов ISO 9000, 1 в виду ее многофункциональности возможности работав с математическим ядром посредством макросов

Сформулированы цель работы и задачи необходимые для достижения поставленной целн

Рис 1 Предлагаемая схема моделирования

Во второй главе проведено исследование наиболее распространенных несущих конструкций РЭС и разработаны информационные модели типовых несущих конструкций РЭС с точки зрения визуализашш исходных данных и результатов моделирования при комплексных тепловых и механических воздействиях На основе анализа расчетов по хоздоговорным темам сделаны допущения на модели несущих конструкций выявлен требуемый уровень детализации моделей необходимый для получения приемлемого для ранних этапов проектирования результата

Информационная модель несушей конструкции РЭС сточки зрения визуализации исходных данных в логико-аналитическом виде представлена выражением

Мх =< Мк, Кр, X >.

где Л/л- - составная модель: Кр - модель крепления: V - модель механических воздействий.

Составная модель I редставдена следующим выражением:

\

ДА = у [.'Л'А'* 4 -

где Л' количество моделей, образующих составную модель: .К'К = [х.у.^.<рх.</>^.<р:) - локальная

система координат модели; г, у. г- <о(, <р}, ц>, - линейные и угловые смешения локальной системы

координат модели относительно глобальной системы координат: Кк - модель типового элемента; л - модель соединения текущей модели с соседними моделями.

Ме - Г х 1),1 х Мш х/х /7 ,

где/' - множество, образующее геометрию модели: Ор - средний размер грани дискрета, Мт -множество материалов модели: Г - температура: Д - множество действительных чисел.

Информационная модель несушей конструкции РЭС с точки зрения визуализации исходных данных формируется посредством специализированного графического интерфейса, в котором происходит сборка сложной конструкции блока или шкафа из типовых элементов {ПУ, разъем ПУ, шпилька, направляющая, внутренний элемент, ребро жесткости, лапка, корте, контрольная точка), задаются параметры сетки, параметры материалов и температуры элементов конструкции, условия закрепления нес^тцей конструкции и графики механических воздействия по осям координат.

Информационная модель содержит все необходимые данные для построения макроса САЕ-сисгемы для моделирования механического процесса.

Разработаны рекомендации по выбору сетки разбиения на конечные элементы в зависимости от времени и точности расчета, а также предусмотрена возможность автоматического задания сетки

Существующие алгоритмы идентификации параметров моделей обладают рядом недостатков. Первым и необходимым условием проведения идентификации является постановка эксперимента Однако эксперимент требует время и средства на его подготовку и проведение, что практически не выполнимо, учитывая многообразие и количество моделей, необходимых для моделирования конструкции РЭС, зависимость параметров моделей от температуры, разброс параметров. В связи с этим разработан принцип идентификации параметров моделей на основе принципа настраиваемой модели, отличающийся от последнего в замене опытных данных на данные, полученные из расчета микромодели, автоматически построенной в САЕ-системе. Схема данного алгоритма представлена на рис. 2, где X - входное воздействие, )', }', - выходные характеристики эталонной и настраиваемой моделей соответственно, е - разница между выходными характеристиками двух моделей, одновременно является целевой функцией.

Рис. 2 Схема идентификации параметров моделей

Данный алгоритм применим для идентификации параметров моделей, а не параметров материалов, например, цилиндрической жесткости ЭРИ, и не требует проведение эксперимента Микромодель по сравнению с экспериментом обладает широкими возможностями по

исследованию влияния разброса параметров материалов, влияния различных температурных режимов на выходные механические характеристики.

Информационная модель несущей конструкции РЭС с ючкн '¡рения визуализации результатов моделирования в логико-ананпическоч виде представлена выражением:

Му =< Гр. !'с1. Гкр. >' >.

где ¡г - множество узлов конечно-элементной модели: /'</ .множество дискретов конечно-элементной модели; гкр - множество контрольных точек, у - множество механических характеристик (результатов моделирования несушей конструкции

При моделировании РЭС на гармоническую вибрацию, однократные и многократные ударные воздействия, линейные ускорения и акустические ил мы множество механических характеристик представлено выражением:

1И

Уж \J\ftx А> X .<, X А: У Ох х 01 к Ог * х Я

/-1

где А - значение частоты или времени; Ах. Ау. А: - множество ускорений узлов по осям х, у. г соответственно. Ох, Оу, О- - множество перемещений узлов по осям г, у. г соответственно, 5 - множество напряжений в узлах конструкции для I -го значения частоты или времени; т -количество рассчитанных значений частоты вибрации или времени удара. Я - множество действительных чисел.

При моделировании РЭС на случайною вибрацию множество механических характеристик представлено выражением.

У = Ах* Аух Ох*О) х£);х5хЛ.

где А\, Ау . А:, о.х. Оу, О:, 5 - среднеквадратаческие значения ускорений, перемещений и напряжения в узлах по осям *, у, г соответственно.

Информационная модель несущей конструкции с точки зрения визуализации результатов моделирования формируется автоматически непосредственно в САЕ-системе, при помощи специальных макросов.

Данная информационная модель не зависит от типа несущей конструкции. Поэтому был сделан вывод о необходимости разработки универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования доступного разработчику РЭС. Данный интерфейс должен позволять отображать деформации конструкции, поля ускорений, перемещений и напряжений в заданный момент времени или частоты, графики зависимости ускорений, перемещений и напряжений в контрольных точках и узлах в зависимости от частоты гармонической вибрации или времени ударного воздействия, содержать допустимые значения напряжений материалов конструкции, на основе которых разработчиком может быть принять проектное решение об обеспечении стойкости несущих конструкций РЭС к комплексным тепловым и механическим воздействиям. Проектное решение.принимается на основе ограничения'

<"-,(.-,(<7,.+Д,)>0: (1)

где с, - максимальное расчетное значение напряжения. У',"" допустимое значение напряжения материала. ■- коэффициент запаса напряжения, д, - допуск на напряжение у-го элемента конструкции Значения допустимых напряжений берутся из Мк. Полученные значения ускорений передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования ПУ.

При формировании модели несущей конструкции блока или шкафа РЭС необходимо учитывать взаимное влияние различных уровней иерархии друг на друга. При этом необходимо обеспечивать не только совместимость геометрии элементов в составе конструкции РЭС, но и учитывать взаимное деформирование элементов конструкции, осуществлять точную передачу механических воздействий от уровня к уровню. Для этого при моделировании должна рассматриваться вся несущая конструкция РЭС в целом (рис. 3). Описание механического процесса при этом может быть представлено в операторной форме в следующем виде:

Рис. 3. Системный подход при моделировании несущих конструкций РЭС

На основе системного подхода к моделированию механических процессов в конструкциях РЭС была разработан методика визуализации исходных данных и результатов моделирования радиоэлектронных средств при комплексных тепловых и механических воздействиях, структурная схема которой приведена на рис. 4.

Рис 4 Принцип визуализации исходных данных и результатов моделирования РЭС

Основ) разработанной методики составляет информационная модель несущей конструкции РЭС с точки зрения визуализации исходных данных, специализированным

графическим интерфейсом. На основе информационной модели автоматически формируется топологическая модель конструкции РЭС, которая в свою обеспечивает автоматическое

создание математической модели в )ниверсальнои САЕ-сисчеме В этом случае процесс модетрования можно представите как процесс автоматизированного преобраювания описания конструкции чср"3 информационную чодсть к (олодогической модели и далее к магематической' Конструкция -»Информационная модель Топологическая модель — > Математическая модель Таким образом, разработанная методика призвана упростить формирование математической модели, а также вывод реЗ) Льтатов и принятие решений на их основе при моделировании несущих конструкций РЭС.

А методики представлен на рис. 5.

Рис 5. Алгоритм методики визуализации исходных данных и результатов моделирования при

комплексных воздействиях

Методика включает в себя анализ технического задания на разработку конструкции РЭС и выделение основных воздействующих факторов. алгоритмы и программные средства (ПС) синтеза моделей несущих конструкций РЭС и чтения их параметров из базы данных, ПС задания воздействий; алгоритмы и ПС для вывода рекомендации по

выбору сетки разбиения: алгоритмы и ПС идентификации неизвестных параметров. Предусмотрено использование в рамках данного методики специализированной программы

сВИБРОЗЛЩИТА», которая пснво1яе| модетирова1ь шкафы и бюки на внброизотяюрах чт яв 1Я1ГГСЯ очень эффективным среде I ном мшпы РЭС когда невозможно у чучшение без изменен!-конарукшчт После принятия решения об обеспечении стойкости несущей конструкции РЭС механическим воздействиям рез\ 1ьгагы чодетпрования перегакпея в подсистему АСОНИКА-Т! л 1Я моделирования Г1У

В третьей главе, со г таено преаюленноП схеме моде шропания и разработанной методт визуализации исходных данных и рсз\ пьтатов модсчировання конструкций РЭС. разработа! струтра автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений РЭС пр комптексных 1еи ювых и механических воздействиях (рис 6) Разработанная подсистема имеет своем составе проб темно-ориентированные подсистемы автоматизированная иодсисге\ мотстирования несуших конструкций РЭС на комптексные механические воздейсш АСОНИКА-М и автоматизированная потсистеча мотстироваиия печатных узлов РЭС ^ комптексные тепловые и механические воздействия АСОПИКД-ГМ, а также баз> данных г параметрам ЭРИ и материалам конструкций РЭС

Идентификация жесткости ЭРИ и параметров материалов

Рис 6 Структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений РЭС при комптексных тегновых и механических воздействиях

Основ} подсистемы составляет управляющая программа в которой формируется иерархия конструкции РЭС Управтяющая программа осуществляет автоматизированную передачу данных между конструктивными уровнями иерархии В препроцессоре при помощи графических интерфейсов автоматизированного синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов РЭС и графического интерфейса ввода воздействий (гармонической и

вибраций, однократного и многократного формируется

информационная модель несущей конструкции с точки зрения исходных данных При этом температуры элементов конструкции либо вводятся вручную либо передаются из РОМ-систечы в виде специального файла Температуры ПУ рассчитываются в подсистеме АСОНИКА-ТМ Необходимые параметры материалов можно выбрать из БД а в сл\чае необходимости -идентифицировать На основе информационной модели и библиотеки макросов модель механического процесса, топология которой также описывается в виде макроса Затем управляющая программа осуществляет запуск в пакетном режиме и после завершения

расчета формир\ет информационную модель с точки зрения

В постпроцессоре результаты моделирования отображаются в виде полей при

выбранном значении частоты и ш времени ичи потей срелнеквадрагических ветчин амплитлдио временных и амп штхдно частсмныч характеристик ромы поп в контропьных точках паи \3iax моте ш в виде аеформании на основе которых разработчиков мо<кет быть принято проектсое решение В стучае превышения расчетных напряжений \ част ков конструкции над доп\стимы\ш возможно осуществить по (бор виброизоляторов в программе «ВИЬРОЗЛЩИI А» Ускорения в местах крептения ПУ к ней шей конструкции полученные при моделировании явтяются ВХ01НЫМИ воздействиями при хюдетировании механических процессов в Г1У и передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ Все исходные данные и рез\льтаты моделирования сохраняются в Рим системе

Представлены структуры автоматизированных подсистем АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ а также структура и организация входных и выходных данных подсистем АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ

Разработан общий алгоритм графического интерфейса синтеза конструкции РЭС из типовых лементов представ генный в виде графа «и-или» на рис 7

Рис 7 Дерево графа синтеза нетиповой конструкции РЭС из типовых этеменюв

На основе алгоритма разработаны алгоритмы графических интерфейсов

синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций блоков цилиндрического этажерочного, кассетного сложного этажерочного типов и шкафов РЭС На рис 8 изображена несущая конструкция РЭС - бток сложного этажерочного типа

Рис 8 Внешний вид несущей конструкции блок СТОЛСНОГО этажерочного типа (а - вид спереди, б -

вид сзади)

Разработана структура справочной ЬД по параметрам ЭРИ и материалам (рис 9) Данная стр\м\ра иозво 1яет формировать топимо условную запись ЭРИ в зависимости ол шаб юна записи и параметров ф\оляшнх в обозначение ЭРИ содержит модели вариантов установки ЭРИ а |акже во!вожнос(ь создания новы\ уюлелей что значительно coKpamaei время на вво i ЭРИ н БД Возможно создание допо пппе [ьны\ габшц по чнеювым функциональным строковым лошческнм текстовым и графическим параметрам ЭРИ бе; участия программиста Разработанная структура содержит необ\01ИУ1ые средства позволяющие придавать реалистичность изображению ЭРИ в пространстве что значительно БД значительно доступной разработчик

Рассмотрены вопросы решения систем линейных апебрапческих уравнении (СЛАУ) с действительными и коутлекспыуш коэффициентами и сильно разреженными матрицами вопросы хранения разреженных матриц в намяли ЭВМ Рассмотрена разработанная автором программа решения СЛАУ усовершенствованным методом LU-раздоженпя используемая в качестве

Рис 9 Структура справочной БД по параметрам ЭРИ и материалам

В четвёртой паве разработана методика синтеза и анализа проектных решений РЭС при комгшексных тепловых и механических воздействиях на основе средств компьютерной графики отличающая от существующих наличием доступного разработчику языка взаимодействия на базе графических интерфейсов автоматизированного синтеза моделей типовых и нетиповых

конструкций РЭС и универсального графического интерфейса вывода резутьтаюв моделирования, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости РЭС к комплексным тепловом и механическим воздействиям.

Методика предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций РЭС и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, по сравнению с использованием универсальной САЕ-системы. составляет до 95% на ввод конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя

Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.

Ниже представлены основные положения разработанной методики:

1. Согласно требованиям ТЗ формируется первоначальная информация о проекте: основные констр)тстивные решения, применяемый материал, эскиз конструкции, тип и параметры механического воздействия, используемые типовые элементы конструкции РЭС.

2. Синтез геометрии несущей конструкции, задание параметров материалов элементов конструкции с допустимыми значениями напряжений, температур элементов, параметров сетки разбиения конструкции на конечные элементы, задание параметров закрепления конструкции на объекте при помощи специализированных [рафических интерфейсов ввода.

3. Задание механических воздействий по осям координат.

4. Выбор вида механического воздействия и проведение расчета.

5. Анализ полученных результатов с применением универсального графического интерфейса вывода и их сохранение в РОМ-системе.

6. Принятие решение об обеспечение стойкости несущей конструкции к механическим воздействиям согласно (2.26).

7. В случае превышения расчетных напряжений над допустимыми редактирование геометрии конструкции, изменение параметров материалов или применение программы «ВИБРОЗАЩИТА».

8. В случае корректировки несущей конструкции повторение расчета и анализ результатов моделирования. Корректировка конструкции продолжается до тех пор, пока не будут обеспечены требования к стойкости конструкции РЭС к внешним механическим воздействиям.

9. Формирование отчета и его сохранение в РОМ-системе хранения и управления данными

о РЭС.

10. Моделирование печатных узлов конструкции РЭС:

а) ввод или редактирование ПУ с заданием допустимых ускорений ЭРИ:

б) моделирование ПУ на воздействие комплексных тепловых механических воздействий.

в) анализ полученных результатов с применением универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования ПУ и их сохранение в РОМ-системе.

11. Принятие решения об «беспечении стойкости ПУ и ЭРИ к тепловым и механическим воздействиям. Проектное решение принимается на основе ограничений (1) и (2).

(2)

где <'■)},и, - максимальное расчетное значение ускорения ЭРИ; - допустимое значение

ускорения ЭРИ для заданного типа воздействия; А-, - коэффициент запаса ускорения; Д, - допуск на ускорение > -го ЭРИ.

12. В случае превышения расчетных напряжений участков ПУ или расчетных ускорений ЭРИ над допустимыми значениями - редактирование ПУ или редактирование несушей конструкции РЭС и повторение расчета.

13. Сохранение исходных данных и результатов в РОМ-системе.

14. Формирование карт режимов тепловых и механических режимов работы ЭРИ и их сохранение в РОМ-системе.

15. Формирование отчет а н его сохранение в РОМ-системе.

Рассмотрен пример применения разработанной методики РЭС. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования ряда предприятий и в учебный процесс высших учебных заведений.

ОСНОВНЫЕ Pt ЛЬ U I Ы Р VbOTbl

Главным рез\ irnuiM работы яв 1Яе1СЯ повышение >ффем1!ВНОСТИ процесса моделирования при проекгировашш ьонтрмший РЭС 01вечаю1Ш1\ требованиям ИД по leifOBbiM и

механическим характеристикам, повышение лчклатспен надежности разрабатываемых РЭС, сокращение сроков и сюичости и\ создания за счет применения tpe icib ьомнькнерной графики Х1Я синтеза и анализа проектных решений

Основные на\чныс теоретические и практические ре л льлалы работы состоят в следующем

1 Разработана методика виз} ализации исходных 1анны\ и результатов моле шрования копар\кшш РЗС при ночп 1ексны\ тетовыч и механических возденетекяч позволяющий

влияние человеческого фактора на механических процессов в конструкция РОС

2 Разработаны алгоритмы графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций бпоков и шкафов РЭС позволяющих конструктор\ в минимальные сроки собирать СЛОЖНУЮ мотель несущей конструкции РЭС из типовых элементов

3 Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений РЭС при и механических воздействиях обеспечивающая проектировщику РЭС язык взаимодейстрия на базе графических

ввода позволяющая построить всю иерархию РЭС от шкафа до

отдетьною ЭРИ т ¡я передачи воздействий и pe3vibTaT0B моделирования межд) отдельными уровнями иерархии

4 Разработана и реализована структура справочной базы данных по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций, позволяющая значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др параметров ЭРИ за счет создания моделей вариантов установки ЭРИ реалистическое представление ЭРИ что делает работу с БД более доступной И позволяющая создавать дополнительные таблицы параметров ЭРИ без участия программиста

5 Разработана методика синтеза и анализа проектных решений РЭС при комплексных воздействиях на основе средств компьютерной графики позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости РЭС к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых РЭС

Проведено внедрение созданного методического и программного обеспечения в практику ведущих Российских предприятий при проектировании радиоэлектронных средств таких объектов как Международная Космическая Станция, истребители СУ подводные лодки крылатые ракеты системы бортовой телеметрии, спутниковые навигационные системы и системы космической связи, а также в учебный процесс вузов

Внедрение результатов работы в практику проектирования Российских предприятий дает следующий экономический эффект В частности КЬ И1 АС «Волна» только в 2004 году ИСПОЛЬЗУЯ результаты данной работы при проектировании системы управления подводной лодки, сэкономила порядка 30 миллионов рублей на опытных образцов и проведении

испытаний при параллельном сокращении сроков проектирования на 1

Автором, совместно с другими учеными, разработан специальный руководящий документ военный РД В 319 02 49 -2003 (Расчетные методы оценки стойкости РЭА к воздействию механических факторов и порядок их применения) введенный в действие с I января 2004 года согласно разработанная синтеза и анализа проектных решений РЭС при

комплексных тепловых и механических воздействиях рекомендуется для применения в процессе проектирования и замены испытаний на ранних этапах проектирования

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. ЖуравскшI В Г., 1'ольдин В.В.. Шалумов АС.. Ваченко A.C.. Способ ДА. Совместное применение автоматизированных систем ANS YS и АСОНИКА для моделирования и обеспечения >те\аническоп стойкости сложных конструкций радиоэлектронных средств// Радиопромышленность. - 2003. - Кг 3. - С.41-69.

2. Способ ДА.. Вастьчаков CA. Игнатьев A.A. Автоматизированная подсистема моделирования тепловых и механических процессов в печатных узлах АСОНИКА-ТМ//Техника-машиностроения - 2002. Вып.З. - С-36-40.

3. Шалумов А.С. Увайсов СУ. Способ Л А Проблемы и пути внедрения САПР и CALS-технологий на предприятиях электронной промышленности// Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Том 1/ Под ред. В.П. Савиных, В.В. Вишневского. - М: Академия наук о Земле, 2004. - С. 137-139.

4 Способ Д.А.. Шалумов A.C. Повышение эффективности математического моделирования на основе \ совершенствованного метода l.U-разложсния// «Современные проблемы радиоэлектроники»: Сборник научных трудов III Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. посвященной 106-й годовщине Дня радио/ Под ред. Ю В Коловского. - В 2 ч. - 4.2 - Красноярск: КГТУ, 2001. - С.157-158.

5. СпособД.А., Шалумов А.С. Идентификация физико-механических параметров в подсистеме

«Системные проблемы качества. математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий»: Тез. докл./ Международная научно-техническая конференция и Российская научная шкода. -4.1. - М.; Сочи, 2001. -С.10-11.

6. Данилов ММ., Способ Д.А.. Торопов А В.. Шалумов А.С. Повышение эффективности проектирования конструкций электронной аппаратуры на основе комплексного моделирования физических процессов и интернет-технологий// «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов»: Тез. докл./ Четвертая международная научно-техническая конференция (10-12 декабря 2001г., г. Ульяновск)/ Под ред. проф. Ю.В. Полянскова. - Ульяновск: УлГУ, 2001. - С.25-26.

7. Буравцев И.Е., Способ Д.А.. Попов ПО.. Шалумов А.С. Информационная технология моделирования электрических, тепловых и механических процессов в радиоэлектронных средствах в интегрированной среде// 57-я Всероссийская научная сессия, посвященная Дню радио. Сборник научных трудов. - М.: Радио и связь, 2002. - С.59-60.

8. Буравцев И.Е., Способ Д.А., Попов И.О., Шалумов А.С. Автоматизация анализа электрических, тепловых и механических процессов в радиоэлектронных средствах в интегрированной стреле// «Современные проблемы радиоэлектроники»: Сборник научных трудов

Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и посвященной

107-й годовщине Дня радио/ Под ред. Ю.В. Коловского. - Красноярск: КГТУ, 2002. - С.326-329.

9. Буравцев И.Е., Способ Д. А.. Попов П. О.. Шалу мое А.С. Моделирование электрических, тепловых и механических процессов в радиоэлектронных средствах в интегрированной среде// «Датчики и преобразователи информации систем контроля и управления». Сборник материалов XIV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов; под ред. профессора В Н.Азарова. - М.: МГИЭМ, 2002. - С. 193-195.

10. Способ Д.А., Васильчиков С.А., Игнатьев А.А. Моделирование механических и тепловых процессов в конструкциях печатных узлов// «Информационные технологии в производстве и образовании»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. -Ковров, 2002. - С. 68-70.

11 .Способ Д.А., Васильчиков С.А., Игнатьев A.A.. Шалумов A.C. Автоматизированное печатных узлов радиоэлектронных средств с учетом влияния тепловых, механических и комплексных воздействий // «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий»: Материалы Международной научно-технической конференции и Российской научной школы. - 4.1, кн.2. - М.: Радио и связь. 2002. -

12. Шалумов АС, СпособД.А., Фадеев О А. Орлов A.B. Применение новых информационных технологий в обучении студентов моделированию систем// «Новые ГОСы - новые технологии

обучения»: материалы научно-методической конференции. • Ковров: ГОУ ВПО «КГГА». 2002 -

13. Шпчумов A.C., Способ Д. А.,Вачснко А.С.. Буравцее И Е. Методы обеспечения устойчивости устройств передачи и обработки информации при воздействии дестабилизирующих факторов// «Методы и устройства передачи и обработки информации»: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып.З./ Пол ред В.В. Ромашова, ВВ. Вутеина -СПб.: Гидрометнздат. 2003. -С.81-88.

14. Способ Д.А.. Буравцев И.£.. Шалумов A.C. Организация обмена данными при моделировании тепловых и механических процессов в радиоэлектронных средствах// «Датчики и преобразователи информации систем контроля и Сборник

XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов: под ред. профессора В.Н.Азарова. - М.: МГИЭМ, 2003. - С.281-282.

15. СпособД.А., ШалумовА.С. Интерфейс для моделирования сложных конструкций печатных узлов// «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных и технологий»: Тез. докл./ Международная научно-техническая конференция и Российская научная школа молодых ученых и специалистов. - 4.1. - М.: Радио и связь, 2003. -

16. РД В 319.02.49 -2003. Руководящий документ. Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Расчетные методы оценки стойкости РЭА к воздействию механических факторов и порядок их применения / Ю.И. Степанов. АА Борисов, В.Н. Постнов, А.П. Доминич, В М. Елесин, Г.Д. Гуськов, Ю.Н. Кофанов, А С. Шалумов, Д.А. Способ, В.Г. Журавский, В.В. Гольдин. - М.: 22-й ЦНИИИ МО РФ, 2003. - 83с.

17. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611770. Решение системы линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами методом LU-разложения// Способ Д.А.. Шалумов А. С. - Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам г.

С.33-42.

С.

Отпечатано; ООО «ГЕММА». Лицензия: Серия ПД № 00721. Выдана Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций

601909, г. Ковров Владимирской обл. ул. 16/1

Тираж 100 экз. Отпечатано 26.05.2005 г. Заказ № 1350

14 н:ол

s

htr

-•С»

-A

"■-it

\

»

к*

Ш6