Моделирование динамики конструкций радиоэлектронных средств подвижных носителей

Применение новых информационных технологий в практике проектно-конструкторских работ дает возможность получить реальный и ощутимый прогресс в относительно короткое время. Одним из основных направлений приложения таких технологий является математическое моделирование при автоматизированном проектировании сложных технических объектов.

Наиболее эффективно применение методов и средств моделирования на начальных этапах проектирования, когда задача состоит в выборе альтернативных вариантов исполнения изделия или параметров. На этих этапах существенно возрастает значение проектных исследований, причем главную роль играет совершенство методов анализа. Использование математических методов и средств вычислительной техники открывает перспективы создания новых технологий проектирования, основанных на применении автоматизированных систем и позволяющих на ранних этапах проектирования обоснованно выбирать основные параметры изделий, обеспечивая требуемый уровень их надежности и качества.

Особая роль принадлежит имитационным системам, использующим инструментарий моделирования для анализа и целенаправленного выбора проектных решений, оптимизации параметров, прогнозирования работоспособности проектируемых изделий. Наиболее перспективным представляется использование имитационных систем в тех отраслях, где остро стоит проблема сокращения сроков разработки изделий при обеспечении их высокой надежности. К числу таких отраслей можно отнести отрасли, связанные с производством нестационарных радиоэлектронных средств (РЭС).

Конструкции современных РЭС, устанавливаемые на подвижных объектах, работают в условиях сложных воздействий окружающей среды. Факторы окружающей среды принято делить на климатические и механические [1]. Механические воздействия окружающей среды имеют сложный комплексный характер — ударные импульсы произвольной формы, гармонические и случайные вибрации, линейные ускорения, статические нагрузки.

По существующим оценкам из-за механических воздействий в бортовых РЭС происходит около 50% всех отказов [2].

Поэтому, при проектировании нестационарных РЭС одной из наиболее сложных является проблема защиты РЭС от ударов и вибраций. Проектированию защиты РЭС посвящено достаточно много работ, как например [3, 4, 5], однако в них рассматривается, главным образом, задача конструирования амортизационных систем РЭС. Но во многих случаях условия функционирования аппаратуры таковы, что обеспечить ее защиту от механических воздействий путем применения средств амортизации и демпфирования не удается. И здесь актуальной становится задача выбора на ранних этапах проектирования параметров конструкции, обеспечивающих надежное функционирование в условиях сложных внешних динамических воздействий. Часто эта задача еще более усложняется требованиями минимизации массы и габаритов аппаратуры. Для ее решения необходимо оценить динамические характеристики проектируемой аппаратуры и при необходимости внести коррективы в проект.

В настоящее время в конструировании виброударопрочных РЭС преобладает эмпирический подход, основанный на установившихся в соответствующей отрасли принципах и методике конструирования, а также на опыте и интуиции конструктора. Расчеты прочности и резонансных частот конструкций производятся при этом, как правило, либо для простых конструкций (типа стержневых элементов или плат), либо для весьма упрощенных моделей сложных конструкций. В имеющейся по этому вопросу литературе [5, 6, 7, 8] также приводятся примеры и методики упрощенных расчетов. В результате упрощений обычно не удается оценить требуемые характеристики, что приводит к необходимости длительных стендовых испытаний и многочисленных доводок конструкций изделий.

Испытания требуют больших временных и финансовых затрат, но сами по себе лишь фиксируют факт работоспособности или отказа конструкции и практически не дают информации о причинах отказа и, тем более, о направлении поиска решений при оптимизации конструкций. Кроме того, даже при благоприятном исходе испытаний выбранный вариант конструкции может быть далеким от оптимального.

В то же время, ускорение процесса проектирования, повышение эффективности разрабатываемых конструкций РЭС, требуют умения проводить обоснованный выбор средств защиты от механических воздействий и априорные оценки свойств конструкций. Поэтому актуальны проблемы поиска и внедрения в практику методов анализа работоспособности конструкций уже на этапе проектирования.

Разработка подобных методов связана, прежде всего, с необходимостью выполнения расчетов динамических характеристик с целью определения запасов прочности конструкции, вычисления резонансных частот, и виброперегрузки электрорадиоэлементов.

Подобные задачи относятся к категории нестационарных краевых задач, каждая из которых описывает некоторый физический процесс, протекающий в конструкции при заданных условиях. Поскольку волновая картина переходных нестационарных процессов в ограниченном пространстве, каким является конструкция РЭС, со временем становится весьма сложной [9], то применение точных аналитических методов решения таких задач в общем случае наталкивается на большие трудности. Аналитическое решение задачи возможно только в случае грубых упрощений, например, в задачах, которые сводятся к системе с одной или двумя степенями свободы, или в задачах определения резонансных частот колебаний плат с простым способом закрепления.

С этой точки зрения не менее сложна задача выбора метода расчета механических процессов в конструкциях РЭС при нестационарном нагружении.

Эффективным инструментом решения задачи является математическое моделирование, основное назначение которого — получение некоторых выводов о поведении реальной или проектируемой системы. Основная роль здесь отводится дискретным моделям, ориентированным на использование численным методов, одним из которых, широко используемым в научно-технических и инженерных расчетах, является метод конечных разностей [10].

Математическое моделирование позволяет проводить исследование на ранних этапах, когда объект проектирования представлен технической документацией. Здесь появляется возможность проведения проектных исследований без использования макетов, опытных образцов, и получить информацию для прогнозирования поведения объекта.

Преимущества математического моделирования очевидны: удешевление и ускорение процесса отработки изделиявысокая оперативность смены параметров в моделивозможность многовариантного анализавозможность исследования ряда эффектов, недоступная для натурных экспериментов. Кроме того, математические модели допускают значительно более широкие исследования, чем натурные эксперименты, и позволяют на этапе проектирования получить информацию для прогнозирования поведения системы в заданных условиях эксплуатации.

Важен и тот факт, что использование математического моделирования позволяет организовать процесс оптимального проектирования объекта. Именно результаты исследования математических моделей дают возможность производить оптимизацию параметров объекта, в соответствии с выбранной целевой функцией и заданными ограничениями.

Математическое моделирование составляет основу [11, 12, 13] при создании имитационных систем автоматизированного проектирования сложных технических объектов, какими являются конструкции современных радиоэлектронных средств.

Основная задача имитационной системы для любого уровня проектирования конструкции — коммутационно-монтажное объединение конструктивных узлов предшествующего уровня, когда обеспечивается физическое воплощение заданной электрической схемы в конструкцию некоторого узла РЭС. При этом решаются задачи компоновки, размещения и трассировки [14].

Дальнейший анализ конструкции, включающий исследование механических характеристик, может осуществляться с помощью комплексов программ анализа и оптимизации параметров конструкции. При невыполнении условий и ограничений в ходе такого анализа осуществляется возврат к этапу схемотехнического проектирования и корректировке компоновочных решений. Далее вновь анализируется вариант конструктивного исполнения.

Таким образом, на этапе проектирования осуществляется целенаправленный выбор параметров конструкций с учетом всех требований и ограничений.

В этом плане актуальными являются исследования в области развития математических методов, разработки моделей, алгоритмов и программ для моделирования на ЭВМ физических процессов в конструкциях нестационарных РЭС.

К числу первых работ, где рассматривались вопросы построения расчетных моделей конструкций нестационарных РЭС и приборов и были заложены основы имитационного моделирования относятся работы Ю. Н. Кофанова, Ю. П. Норенкова, П. И. Овсищера, Ю. X. Вермишева, В. JI. Бидермана, А. А. Самарского.

Определенное значение в развитии этого направления имеют работы кафедры КиПРА Пензенского государственного университета. Направленность этих работ [15, 16, 17, 18] и собственные разработки позволили автору подойти к обоснованному решению научно-технической задачи анализа и целенаправленного выбора параметров несущих конструкций нестационарных РЭС на стадии их проектирования. Актуальность работы подтверждается непосредственной связью с планами хоздоговорных работ ряда предприятий-заказчиков и грантами Минобразования РФ, в выполнении которых автор принимал непосредственное участие.

Предмет теоретического исследования в настоящей работе — разработка моделей и алгоритмов расчета прочностных и динамических характеристик сложных конструкций нестационарных РЭС.

Системы имитационного моделирования, кроме основных программ исследования моделей, должны быть снабжены вспомогательными программами, позволяющими достаточно просто и оперативно реализовать вариантные расчеты [13]. Поэтому возникает дополнительный круг задач, связанных с формализацией описания конструкций, контролем входной и выходной информации, автоматизацией построения и преобразования моделей. Эти задачи также составляют предмет исследования в настоящей работе.

Цель диссертационной работы. Цель выполненных исследований состоит в разработке методики определения динамических характеристик конструкций РЭС, что позволяет на этапе их проектирования обоснованно решать задачи обеспечения работоспособности в условиях дестабилизирующих механических воздействий. Для достижения указанной цели разработаны модели, алгоритмы, и пакеты программ расчета динамических характеристик конструкций РЭС различного уровня сложности, что позволяет проводить обоснованный выбор параметров конструкций нестационарных РЭС на основе проведения численных экспериментов по исследованию реакций на дестабилизирующие внешние воздействия.

В соответствии с целью работы при проведении теоретических и экспериментальных исследований решались следующие задачи: разработка математического описания и способов построения расчетных моделей пластинчатых и цилиндрических элементов конструкций РЭС при динамических воздействияхразработка способа представления входной информации для описания конструкций РЭС различного уровня сложностиразработка алгоритмов и пакетов прикладных программ на основе предлагаемых математических моделей для исследования конструкций РЭСразработка методик решения задач динамики пластинчатых и цилиндрических конструкций РЭСисследование моделей конструкций РЭС различного уровня сложности (в том числе и моделей болыперазмерных конструкций) при дестабилизирующих механических воздействияхоценка погрешности численных экспериментов на дискретных моделях, анализ устойчивости процессов вычислений, исследование адекватности предлагаемых моделейприменение разработанных моделей и методик проведения численных экспериментов для решения задач проектирования виброударопрочных конструкций РЭСэкспериментальная проверка результатов численных экспериментов, внедрение программных средств и методик проектирования виброударопрочных конструкций РЭС.

Научная новизна. Научная новизна полученных результатов и положений диссертационной работы, выносимых на защиту, состоит в следующем.

1. Предложены математические модели, позволяющие исследовать динамические характеристики пластинчатых и цилиндрических элементов конструкций РЭС на этапе проектирования с учетом вязкости используемых материалов и потерь на внутреннее трение. Модели позволяют учитывать различные виды механических воздействий.

2. Разработан метод единичных перемещений, позволяющий учитывать влияние жесткости выводов электрорадиоэлементов, изменение жесткости платы при применении покрытий на динамические характеристики узлов на печатных платах.

3. Разработаны табличные формы описания конструкций РЭС различного уровня сложности в виде связанных областей с заданными характеристиками, что позволяет формализовать построение расчетных моделей.

4. Разработан алгоритм автоматизированного поиска и распределения массы навесных электрорадиоэлементов печатных плат для построения дискретной расчетной модели.

5. Разработана методика выбора оптимальных размеров печатных плат на этапе технического проектирования по критерию минимума массы конструкции.

6. Дана оценка погрешности дискретизации при решении задач моделирования вибрационных и ударных процессов в элементах конструкций РЭС.

7. Показана возможность применения предлагаемых дискретных моделей при решении задач анализа болыперазмерных конструкций типа авиатренажера.

Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели, алгоритмы и прикладные программы расчета прочностных и динамических характеристик конструкций являются основой для инженерных методик, стандартов предприятий по анализу нестационарных конструкций РЭС различного уровня сложности.

Применение таких методик дает возможность обоснованно выбирать конструктивные параметры нестационарных РЭС на этапе проектирования.

Пользовательский интерфейс позволяет формулировать исходные данные в привычных и доступных для конструктора терминах и обозначениях.

Проведены комплексные расчеты конструкций различного уровня сложности — печатных модулей РЭС, цилиндрических оболочек, автомобиля типа кузов-фургон с радиоаппаратурой, авиатренажера.

Результаты расчетов конструкций, разработанных на ряде предприятий различных отраслей, позволили оценить их динамические характеристики, запас прочности, производить модификацию конструкций. Экспериментальные оценки резонансных частот и виброперегрузок хорошо согласуются с расчетными данными.

Реализация и внедрение результатов работы.

Работа выполнялась в Пензенском государственном университете в рамках хоздоговорной тематики и по грантам Минобразования РФ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли отражение в следующих научно-технических отчетах: отчет по х/договорной теме N 325, номер гос. регистрации 70 057 773 (Пенза, ФНИИИТ, 1971;1972 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 447, номер гос. регистрации 72 019 726 (Пенза, ФНИИИТ, 1972;1974 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 496, номер гос. регистрации 73 046 697 (Горький, КБИА, 1973;1975 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 610, номер гос. регистрации 74 031 614 (Пенза, ФНИИИТ, 1974;1977 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 928, номер гос. регистрации 77 075 564 (Калининград, п/яВ-2572, 1977;1981 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 1206, номер гос. регистрации 01.82.2 047 390 (Ковров, п/я А-1658, 1981;1983 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 1250, номер гос. регистрации 01.83.71 003 (Москва, п/яР-6324, 1982;1983 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 83−044,номер гос. регистрации 01.83.0.075.460 (Ковров, п/я А-1658, 1983;1985 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 86−030, номер гос. регистрации 01.86.19 431 (Ковров, п/я А-1658, 1986;1987 г. г.) — отчет по х/договорной теме N 89−039, номер гос. регистрации 01.89.22 370 (Саратов, КБ «Электроприбор», 1989;1990 г. г.) — отчет по г/бюджетной теме N 39 (грант Минобразования РФ), номер гос. регистрации 01.9.50 2 034 (Москва, ВНТИЦ, 1993;1996 г. г.) — отчет по г/бюджетной теме N 66 (грант Минобразования РФ), номер гос. регистрации 01.9.40 5 349 (Москва, МИЭТ, 1994;1995 г. г.) — отчет по г/бюджетной теме N 113 (грант Минобразования РФ), номер гос. регистрации 01.9.70 5 664 (Москва, ВНТИЦ, 1997;1999 г. г.).

Программное и методическое обеспечение используется в исследовательской работе, в курсовом и дипломном проектировании студентов кафедры КиПРА ПТУ по специальности 200 800.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях Пензенского политехнического института, 19 731 984 г. г.- на республиканском семинаре «Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и ЭВА», Пенза, 1981;1985 г. г.- на Всесоюзной конференции по автоматизации проектных и конструкторских работ, Свердловск, 1985 г.- на Всесоюзном семинаре «Прогрессивные методы конструирования и гибкое автоматизированное производство микроэлектронной аппаратуры», Москва, 1986 г.- на зональной конференции «Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА», Пенза, 1987 г.- на международной научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем», Пенза, 1993 г., 1995 г., 1997 г., 1998 г.- на международной научно-технической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров», Пенза, 1998 г.- на Международном Симпозиуме, посвященном 275-летию РАН, «Надежность и качество», Пенза, 1999 г.

Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ.

Объем работы.

Диссертационная работа включает введение, пять глав, выводы по работе, заключение, список использованных источников из 88 наименований, приложение и содержит 124 машинописных страницы основного текста, 67 рисунков, 23 таблицы. В приложение вынесены документы, подтверждающие результаты внедрения.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. В работе показано, что прогнозирование вибронадежности конструкций РЭС подвижных носителей на этапе проектирования требует априорного определения их динамических характеристик.

2. Для определения динамических характеристик и решения задач анализа вибрационных режимов разработаны дискретные расчетные модели с учетом потерь энергии на внутреннее трение и с учетом упругих и неупругих свойств навесных элементов и покрытий для автоматизированного проектирования пластинчатых конструкций РЭС (узлы на печатных платах, экраны, несущие конструкции и другие).

3. Разработан алгоритм автоматического поиска навесных ЭРЭ и алгоритмы подготовки входных данных, что дало возможность автоматизировать процесс построения расчетной модели пластинчатых конструкций РЭС и сократить время подготовки входных данных.

4. Разработан метод единичных перемещений для исследования и оценки дополнительных жесткостей связей между дискретными элементами модели, возникающих при деформировании выводов навесных элементов и материала покрытий при изгибных колебаниях пластин. Применение метода дает возможность учесть влияние упругих и неупругих свойств навесных элементов и покрытий на собственную форму и частоту колебаний.

5. Разработана методика поиска оптимальных геометрических размеров пластинчатых конструкций по критериям их защиты от механических воздействий. Методика позволяет проводить оптимизацию пластинчатых конструкций РЭС на этапе технического проектирования.

6. Разработаны и исследованы модели тонкостенных цилиндрических оболочек с тех же позиций, что и модели тонких пластин. Такое рассмотрение целесообразно, поскольку цилиндрические оболочки являются хорошей моделью при проверке различных гипотез и допущений.

7. Разработана методика формализованного представления конструкций различного уровня сложности, позволяющая получить модельное представление конструкции в виде совокупности отдельных областей, каждая из которых задается геометрическими и физико-механическими характеристиками.

8. Разработана табличная форма задания входных данных для конструкций различного уровня сложности. Она удобна и достаточно проста для проектировщика.

9. Разработанные модели позволяют строить универсальные алгоритмы и программы для проведения численных экспериментов. Методы анализа моделей доведены до уровня алгоритмической и программной реализации, что позволяет исследовать динамику конструкций РЭС.

10. Проведены вычислительные эксперименты по оценке разработанных моделей пластинчатых и цилиндрических конструкций РЭС. Показана достаточная для практики точность решения задач, подтверждена адекватность предложенных моделей и адаптация системы моделирования к погрешностям дискретизации при подготовке данных.

11. При анализе вынужденных колебаний показано, что предлагаемые модели качественно правильно отражают динамику линейной механической системы, что подтверждается совпадением картины деформирования, полученной на моделях, с известными теоретическими представлениями о поведении систем подобного рода.

12. Проведены стендовые эксперименты. Показано, что погрешности численных расчетов основных динамических характеристик соответствуют теоретическим оценкам и лежат в пределах погрешностей самих экспериментов.

13. В работе на основе предложенной методики моделирования ударов и вибраций пластинчатых конструкций показано: влияние упругих свойств выводов навесных элементов на изгибные колебания пластинобоснована необходимость их учета при исследовании динамики пластинчатых конструкцийсущественное влияние комплексного воздействия ударов и вибраций на пластинчатые конструкции бортовых РЭС, что позволяет уточнить картину вибропроцессов в конструкциивлияние инерционной и деформационной составляющих вибрации, передаваемых на бортовые РЭС через области крепления к корпусу носителя, выявлены особенности воздействия этих составляющих и причины увеличения уровня виброперегрузки, передаваемой в конструкцию через области крепления.

14. В работе на основе трехмерной дискретной модели проведено исследование динамики сложных конструкций: болынеразмерной конструкции типа подвижного комплекса РЭС на базе автомобиля «КАМАЗ», что позволило получить представление о динамическом состоянии основных несущих элементов комплекса и оценить уровни воздействий, передаваемых на стойки РЭСболынеразмерной стержневой конструкции типа несущей платформы авиатренажера, что позволило оценить прочность стержневых элементов платформы при динамическом нагружении и предложить варианты конструктивного исполнения, удовлетворяющие эксплуатационным требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации содержится решение важной прикладной задачи проектирования радиоэлектронных средств, устойчивых к механическим воздействиям, на основе разработанных моделей конструкций, отличающихся возможностью учета комплексных механических воздействий.

При решении указанной задачи получены следующие основные результаты.

1. Предложена модель пластинчатых конструкций РЭС, отличающаяся возможностью априорного получения динамических характеристик с учетом неупругих свойств материалов при комплексных механических воздействиях.

2. По результатам сопоставления проведенных численных экспериментов и аналитических решений подтверждена адекватность предлагаемых моделей и достаточная для практики точность решения задач определения динамических характеристик конструкций РЭС.

3. Разработан метод единичных перемещений для оценки дополнительных жесткостей связей дискретных элементов модели, обусловленных деформациями навесных ЭРЭ и материала покрытий.

4. Разработана методика получения описания конструкций различного уровня сложности, позволяющая строить ее геометрическое представление, адекватное реальной конструкции.

5. Разработаны и программно реализованы алгоритмы автоматизированного поиска навесных ЭРЭ печатных плат и автоматического формирования дискретных моделей, что позволяет существенно сократить время построения расчетных моделей конструкций РЭС.

6. Разработана методика поиска оптимальных геометрических размеров печатных плат, позволяющая проводить оптимизацию конструкций РЭС на этапе технического проектирования.

7. Исследованы возможности применения дискретных моделей для решения задач анализа болыперазмерных конструкций типа авиатренажера.

8. Показано, что исследуемые модели несущих конструкций РЭС позволяют оценить характеристики виброударопрочности конструкций на этапе проектирования.

9. Полученные при исследовании моделей динамические характеристики дают возможность решать задачу обеспечения вибрационной надежности конструкций РЭС, устанавливаемых на подвижных объектах и носителях.