Методика и программное обеспечение для моделирования радиоэлектронных средств на тепловые и механические воздействия
Автор: Кофанов Ю. Н., Шалумов А.С.
Источник: Сетевой электронный научный журнал «СИСТЕМОТЕХНИКА», №
6, 2008 г.
Разработанная автоматизированная система АСОНИКА-ТМР предназначена для решения 3 основных проблем, существующих при разработке современных РЭС:
1) проблемы предотвращения возможных отказов при эксплуатации на ранних этапах проектирования;
2) проблемы сокращения сроков и затрат на проектирование;
3) проблемы автоматизации документооборота и создания электронной модели РЭС в рамках CALS-технологий.
Система АСОНИКА-ТМР 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. С 1 июля 2000 г. введен в действие соответствующий Руководящий документ, разработанный 22 ЦНИИИ Министерства обороны РФ, регламентирующий применение системы АСОНИКА при проектировании: РДВ 319.01.05-94, ред.2-2000. Руководящий документ. Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Принципы применения математического моделирования при проектировании.
Эксплуатация бортовых РЭС характеризуется воздействием на нее совокупности жестких внешних факторов, которые действуют одновременно, что приводит к отказам системного характера. Такие отказы трудно выявить при испытаниях, так как нет стендов, которые позволяли бы комплексно воспроизвести одновременно электрические процессы функционирования, сопутствующие тепловые, механические, аэродинамические и другие внешние воздействия.
Методологической основой для решения поставленных задач
являются разработанные научные положения теории математического
моделирования полей и процессов различной физической природы,
взаимодействующих друг с другом в единой неоднородной среде, и
системные методы теории чувствительности. Структура системы АСОНИКА-ТМР
предусматривает, что в процессе проектирования в рамках CALS-технологий
на базе имеющейся PDM-системы и с использованием систем моделирования
происходит формирование электронной модели изделия (см. рис.1).
Рис.1. Структура взаимодействия PDM-системы
с моделирующими подсистемами
С помощь специального графического редактора вводится электрическая схема, которая сохраняется в базе данных проектов в PDM-системе и передается в виде файла в систему анализа электрических схем PSpice и в систему размещения и трассировки печатных плат PCAD. Выходной pcb-файл системы PCAD сохраняется в PDM-системе, а также передается в системы AUTOCAD, КОМПАС, ProEngineer, SolidWorks для создания чертежей. Чертежи также сохраняются в PDM-системе и передаются из PDM-системы в подсистему анализа механических процессов в шкафах и блоках РЭС АСОНИКА-М (1), в подсистему анализа тепловых процессов в шкафах и блоках РЭС АСОНИКА-Т (3). Полученные в результате моделирования напряжения, перемещения, ускорения и температуры в конструкциях шкафов и блоков сохраняются в PDM-системе (2, 4). Чертежи печатных узлов (ПУ) и спецификации к ним, а также pcb-файлы передаются из PDM-системы в подсистему комплексного анализа тепловых и механических процессов в ПУ АСОНИКА-ТМ (5). Кроме того, передаются температуры воздуха в узлах, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т, а также ускорения опор, полученные в подсистеме АСОНИКА-М (6). Полученные в результате моделирования температуры и ускорения электрорадиоизделий (ЭРИ) сохраняются в PDM-системе (7). Перечень ЭРИ (8), файлы с электрическими характеристиками ЭРИ (9), температурами иускорениями ЭРИ (10) передаются из PDM-системы в подсистему анализа показателей безотказности РЭС АСОНИКА-Б. Полученные в результате показатели надежности РЭС сохраняются в PDM-системе (11). Перечень ЭРИ, файлы с электрическими характеристиками ЭРИ (12), температурами и ускорениями ЭРИ (13) передаются из PDM-системы в подсистему формирования карт рабочих режимов ЭРИ АСОНИКА-Р. Полученные в результате карты рабочих режимов сохраняются в PDM-системе (14).ускорениями ЭРИ (10) передаются из PDM-системы в подсистему анализа показателей безотказности РЭС АСОНИКА-Б. Полученные в результате показатели надежности РЭС сохраняются в PDM-системе (11). Перечень ЭРИ, файлы с электрическими характеристиками ЭРИ (12), температурами и ускорениями ЭРИ (13) передаются из PDM-системы в подсистему формирования карт рабочих режимов ЭРИ АСОНИКА-Р. Полученные в результате карты рабочих режимов сохраняются в PDM-системе (14).
Система сориентирована на разработчика РЭС. С этой целью в
подсистемах АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ разработаны специальные интерфейсы
для ввода типовых конструкций аппаратуры – шкафов, блоков, печатных
узлов, что значительно упрощает анализ физических процессов в РЭС. Если
бы пользователь строил модель механических
Если бы пользователь строил модель механических процессов
сложного шкафа или блока (см. рис. 2, 3) в обычной конечноэлементной
системе, например, ANSYS, ему бы пришлось вначале пройти специальное
обучение и набраться опыта, что заняло бы примерно около года, а затем
в течение нескольких часов вводить саму модель. В системе АСОНИКА не
нужно проходить специального обучения, нужно просто вводить на
доступном конструктору языке то, что представлено на чертеже. Ввод того
же сложно шкафа может быть осуществлен в течение получаса.
Рис.2. Модель конструкции 6-этажного шкафа (КБ ИГАС «Волна»),
введенного в подсистеме АСОНИКА-М
Рис.3. Модель конструкции блока цилиндрического типа (государственный НИИ приборостроения), введенного
в подсистеме АСОНИКА-М
Таким образом, полноценный комплексный анализ шкафа на тепловые и механические воздействия вплоть до каждого ЭРИ (получаем ускорения и температуры на каждом элементе) может быть проведен в течение 1 дня.
Подсистема АСОНИКА-М позволяет анализировать блоки кассетного,
этажерочного и цилиндрического типов, шкафы радиоэлектронных средств и
проводить расчет на следующие виды механических воздействий:
гармоническая вибрация;
случайная вибрация;
удар;
линейное ускорение.
В результате моделирования могут быть получены:
1) зависимости ускорений от частоты и времени в контрольных точках и узлах конструкции;
2) перемещения, прогибы, ускорения и напряжения участков конструкции блоков и шкафов (см. рис.4, 5);
3) деформации блоков и шкафов (см. рис.5);
4) ускорения в местах крепления печатных узлов, необходимые для их дальнейшего анализа вплоть до каждого ЭРИ в подсистеме АСОНИКА-ТМ.
Подсистема АСОНИКА-М включает в себя базу данных со справочными геометрическими, теплофизическими и физико-механическими параметрами конструкционных материалов.
Рис.5. Ускорения и деформации участков конструкции блока, полученные
в подсистеме АСОНИКА-М
Подсистема АСОНИКА-В предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков РЭС, установленных на виброизоляторах, при воздействии гармонической вибрации, случайной вибрации, ударных нагрузок, линейного ускорения, при воздействии акустических шумов и для принятия решения на основе полученных механических характеристик с целью обеспечения стойкости аппаратуры при механических воздействиях. Подсистема имеет специальный графический интерфейс ввода конструкции на виброизоляторах.
Подсистема позволяет осуществлять идентификацию параметров виброизоляторов, а также оптимизацию их параметров с целью снижения нагрузок на конструкцию.
В результате моделирования могут быть получены зависимости ускорений конструкции на виброизоляторах от частоты и времени.
Подсистема «ВИБРОЗАЩИТА» включает в себя базу данных со справочными параметрами виброизоляторов.
Подсистема «АСОНИКА-Т» позволяет анализировать следующие типы конструкций: микросборки, радиаторы и теплоотводящие основания, гибридно-интегральные модули, блоки этажерочной и кассетной конструкции, шкафы, стойки, а также произвольные конструкции РЭС.
Подсистема дает возможность провести анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов аппаратуры, работающей при естественной и вынужденной конвекциях в воздушной среде, как при нормальном, так и при пониженном давлении.
При анализе произвольных конструкций определяются температуры выделенных изотермических объемов и выводятся графики зависимости температур от времени для нестационарного теплового режима
Подсистема АСОНИКА-Т включает в себя базу данных со справочными теплофизическими параметрами конструкционных материалов.
Подсистема АСОНИКА-ТМ позволяет анализировать печатные узлы РЭС и проводить расчет:
1) стационарного и нестационарного тепловых режимов как при нормальном, так и при пониженном давлении;
2) на следующие виды механических воздействий:
гармоническая вибрация;
случайная вибрация;
удар;
линейное ускорение;
акустический шум.
Подсистема имеет специальный графический интерфейс ввода конструкции
печатного узла (см. рис.6).
В результате моделирования могут быть получены:
1) зависимости ускорений от частоты и времени в контрольных точках конструкции;
2) максимальные температуры, ускорения и напряжений участков печатных узлов и электрорадиоизделий (рис. 7,8,9);
3) формы колебаний печатных узлов на собственных частотах;
4) карты тепловых и механических режимов электрорадиоизделий.
Подсистема АСОНИКА-ТМ имеет интерфейс с системой P-CAD: автоматически считываются координаты расположения всех ЭРИ на плате.
Подсистема АСОНИКА-ТМ включает в себя базу данных со справочными геометрическими, теплофизическими и физико-механическими параметрами ЭРИ и конструкционных материалов.
Рис.7. Поле ускорений на 1-й резонансной частоте при нормальной температуре
Рис.9. Поле ускорений на 1-й резонансной частоте с учетом температур
Подсистема АСОНИКА-Р предназначена для облегчения и ускорения процесса заполнения карт рабочих режимов ЭРИ. В подсистему заложены все возможные формы карт рабочих режимов последней редакции РДВ.319.01.09-94 (2000 года).
Результаты работы подсистемы – заполненные карты режимов ЭРИ – автоматически конвертируются программой в текстовый процессор WORD, где они могут быть отредактированы и распечатаны.
Подсистема имеет необходимую базу данных, где находится информация о предельных значениях параметров ЭРИ, взятая из нормативно-технической документации (НТД).
Подсистема автоматически заносит информацию для каждого ЭРИ из базы данных в карты режимов в колонки «По НТД»
При верстке карты автоматически осуществляется сравнение значений параметров «В схеме» со значениями «По НТД». Значения «В схеме» выделяются красным цветом, если они превышают значения «По НТД».
Подсистема имеет встроенный конвертор для выходных файлов AUTOCAD и P-Cad, с помощью которого перечни ЭРИ автоматически считываются программой.
Подсистема имеет встроенный конвертор для выходных файлов подсистемы АСОНИКА-ТМ, с помощью которого ускорения и температуры ЭРИ автоматически считываются программой.
Подсистема имеет встроенный конвертор для выходных файлов системы моделирования электрических схем PSpice, с помощью которого электрические характеристики ЭРИ автоматически считываются программой.
Подсистема АСОНИКА-Б позволяет анализировать шкафы, блоки, печатные узлы, ЭРИ и решать следующие задачи: 1) определение показателей безотказности всех ЭРИ; 2) обоснование необходимости и оценка эффективности резервирования РЭС.
Подсистема поддерживает: 1) пассивное резервирование с неизменной нагрузкой; 2) активное нагруженное резервирование; 3) активное ненагруженное резервирование; 4) активное облегченное резервирование.
В результате моделирования могут быть получены: эксплуатационные интенсивности отказов, вероятности безотказной работы и среднее время безотказной работы РЭС.
Сервисное обеспечение подсистемы «АСОНИКА-Б» включает в себя: 1) базу данных с математическими моделями для расчета значений эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ и значениями коэффициентов, входящих в модели; 2) редактор базы данных.
Подсистема позволяет импортировать данные о составе конструкции из других САПР электроники (P-Cad). Подсистема позволяет импортировать тепловые и электрические характеристики ЭРИ из других подсистем системы АСОНИКА-ТМР.
Подсистема АСОНИКА-УМ позволяет позволяет осуществить интеграцию САПР, внедрённых на предприятии – Pro/ENGINEER, P-CAD, АСОНИКА-ТМР, КОМПАС, AutoCAD, PSpice и др. и управлять передачей данных между подсистемами при моделировании в процессе конструкторского проектирования РЭС. Подсистема стыкуется с любой используемой на предприятии PDM-системой. В ходе проектирования подсистема позволяет сформировать комплексную электронную модель РЭС в рамках математических моделей тепловых, электрических, аэродинамических, электромагнитных, механических процессов и математической модели надежности и качества РЭС.
Список использованной литературы
1. 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.
2. 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
3. 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.
4. Кофанов Ю.Н., Новиков Е.С., Шалумов А.С. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 2000. – 160с.