Математическое и программное обеспечение человеко-машинных интерфейсов для моделирования бортовых приборов и систем

На многих отечественных предприятиях разработчики бортовых приборов и систем (БПС) затрачивают на проектирование до 3−5 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки создания опытных образцов, освоение их серийного выпуска и первые годы эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок как к простым, так и к системным отказам, а также самих системных отказов (обуславливаются комплексным воздействием дестабилизирующих факторов). Причины этого можно отнести к недостаткам процессов проектирования и отработки создаваемых образцов, связанных, в первую очередь, с недостаточным уровнем развития автоматизированных методов проектирования, базирующихся на комплексном (учет наиболее существенных взаимных связей) математическом моделировании разнородных физических процессов в электротехнических системах и интегрирующихся с методологией современных информационных технологий проектирования наукоемкой продукции — С4/,?-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия.

Жесткие условия эксплуатации существенно влияют на работоспособность и надежность работы БПС. Подавляющее большинство отказов БПС связано с тепловыми и механическими воздействиями [1 -3], которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций и температур электрорадио-изделий (ЭРИ), что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы БПС [4−7].

Кроме того, к нарушениям прочности БПС часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРИ и их разрушение [8].

Отказы, связанные с потерей механической и тепловой прочности и устойчивости БПС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ. Проектирование современных БПС в заданные сроки и в соответствии с требованиями НТД по механическим и тепловым характеристикам, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий. Применение компьютерного моделирования механических и тепловых процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций БПС, сроки и затраты на проектирование [9, 10].

Компьютерное моделирование механических и тепловых процессов в БПС требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкцииналичия в печатных узлах (ПУ) тысяч ЭРИ, механические и тепловые характеристики которых надо определитьмногообразия видов механических воздействийодновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействийкомплексного характера приложения механических и тепловых воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механическиенелинейности физических характеристик материалов конструкций.

Существующие специализированные программы моделирования механических и тепловых процессов в приборах и системах не учитывают всех перечисленных факторов, не достаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкций приборов и систем, не позволяют построить всю иерархию конструкций от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии, например, от блока к ПУ.

Для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях приборов и систем применяются следующие универсальные САЕ-системы: NASTRAN, COSMOS-M, ANSYS и т. д.

Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области прочности и тепла, не разбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому им требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем происходит множество итераций по согласованию результатов моделирования между расчетчиком и разработчиком. За это время разработчик при наличии удобного инструмента — человеко-машинного интерфейса для моделирования БПС — может перебрать множество вариантов, работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от подобной практики и передать вопросы моделирования разработчику. Для этого конструктор БПС помимо пользовательских навыков работы с универсальной CAE-системой должен иметь глубокие теоретические знания в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Подготовка разработчика БПС, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя CAE-системой, требует значительных временных и финансовых затрат, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в современных условиях трудно достижимая задача. Однако даже наличие высококвалифицированного разработчика не решает проблемы моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Использование компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную модель несущей конструкции, провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель CAE-системы, произвести расчет, обработать результаты и принять решение. 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 приборов и систем в САЕ-систему и анализ результатов.

Решить данную проблему можно разработав специализированные средства компьютерной графики, составляющие основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС и позволяющие разработчику приборов и систем в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.

Значительный вклад в развитии методов автоматизированного проектирования приборов и систем и информационных технологий сыграли работы Норенкова И. П. [11−16], Вермишева Ю. Х. [17], Зарудного Д. И. [18−20], Гридина В. Н. [21], Новикова Е. С. [9, 22−26], Редкозубова С. А. [27], Петрова Г. М. [28], Моисеева Н. Н. [29], Солодовникова И. В. [30], Деньдобренько Б. Н. [31], Кузнецова О. А., Сергеева B.C. [32, 33] и др. [34−40]. Первые работы в направлении автоматизации расчета механических характеристик конструкций приборов и систем за рубежом принадлежат американскому ученому Стейнбергу Д. С. [41].

Решением задачи моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях приборов и систем занимались такие специалисты как Маквецов Е. Н. [42, 43], Тартаковский A.M. [42, 44], Кофанов Ю. Н. [9, 45−51], Кожевников A.M. [51, 52], Крищук В. Н. [53], Шалумов А. С. [10, 45, 47−50, 54−60, 61−63], Фадеев О. А. [61−65] и др. Но они детально не рассматривали вопросы повышения эффективности моделирования конструкций приборов средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы, что по сути дела представляет собой человеко-машинные интерфейсы для моделирования БПС.

Таким образом, актуальным является разработка и применение средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, составляющих основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС.

Целью работы является повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям нормативной документации по тепловым и механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.

Для реализации этой цели, согласно вышеизложенным предложениям, необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование особенностей несущих конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.

2. Разработка информационных моделей типовых и нетиповых несущих конструкций.

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

4. Разработка алгоритмов человеко-машинных интерфейсов для синтеза моделей механических и тепловых процессов типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС.

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

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

7. Разработка методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в БПС на основе человеко-машинных интерфейсов.

8. Внедрение созданной методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе человеко-машинных интерфейсов в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Для решения поставленных задач использовались теории системного анализа и прикладной механики, методы вычислительной математики и компьютерной графики.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

4.4. Выводы к четвертой главе.

Основным научным и практическим результатом, полученным в данной главе, является методика синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов, отличающаяся от существующих наличием доступного разработчику языка взаимодействия на базе графических интерфейсов автоматизированного синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций БПС и универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным тепловым и механическим воздействиям.

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным результатом работы является повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям НД по тепловым и механическим характеристикам, повышение показателей надежности разрабатываемых БПС, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.

Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Исследованы особенности конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.

2. Разработаны информационные модели типовых конструкций БПС таких как ПУ, разъем ПУ, шпилька, направляющая, внутренний элемент, ребро жесткости, корпус, лапка корпуса, контрольная точка, а также несущих конструкций: блок цилиндрического, кассетного, этажерочного и сложного этажерочного типов, шкаф, — с точки зрения визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

3. Разработаны алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС, позволяющих конструктору в минимальные сроки собирать сложную модель несущей конструкции БПС из типовых элементов.

4. Разработан методика визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от известных наличием комплексных информационных, топологических и математических моделей механических и тепловых процессов, позволяющая уменьшить влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования механических и тепловых процессов в конструкция БПС.

5. Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от существующих наличием специализированных препроцессора и постпроцессора для моделирования механических процессов в несущих конструкциях БПС в универсальной CAE-системе, обеспечивающая удобный проектировщику БПС язык взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов ввода-вывода, возможностью построить всю иерархию конструкций БПС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии.

6. 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, обеспечивающая реалистическое представление ЭРИ, что делает работу с БД более доступной, и позволяющая создавать дополнительные таблицы параметров ЭРИ без участия программиста.

7. Разработана методика синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых БПС.

Разработанная автоматизированная подсистема моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия 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 319.01.05−94, ред.2−2000.

Проведено внедрение созданного методического и программного обеспечения в практику ведущих Российских предприятий при проектировании бортовых приборов и систем 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 КБ ИГ АС «Волна», только в 2004 году, используя результаты данной работы при проектировании системы управления подводной лодки, сэкономила порядка 30 миллионов рублей на изготовлении опытных образцов и проведении испытаний, при параллельном сокращении сроков проектирования на 1 год.

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