Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и постановка задач разработки 23
1.1. Исследование особенностей бортовых РЭС и требования к обеспечению их надежности 23
1.2. Существующие методологии автоматизированного проектирования БРЭС, направления и проблемы их развития 29
1 .3. Проблемы моделирования и оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности и стойкости при электрических и тепловых нагрузках ЭРИ 40
1.4. Проблемы оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений параметров ЭРИ БРЭС 52
1.5, Проблемы моделирования, синтеза и оптимального проектирования конструкций БРЭС для обеспечения надежности ЭРИ при внешних механических воздействиях 57
1.6, Анализ современных программных средств, используемых для моделирования и проектирования БРЭС 65
1.7. Анализ и проблемы методов моделирования, оптимизации и синтеза БРЭС 65
1.8. Постановка задачи оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности по параметрическим и внезапным отказам при электрических, тепловых и механических нагрузках ЭРИ 79
1.9, Выводы 92
2. Методы оптимизации электрических и тепловых режимов при проектировании БРЭС 94
2.1.. Интегрированная математическая модель минимального по стоимости комплектующих изделий 94
2.2. Метод оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем 99
2.3. Метод определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем 106
2.4. Метод построения макромоделей и анализа чувствительности выходных характеристик моделей процессов в БРЭС к большим изменениям параметров в частотной области 114
2.5. Выводы 118
3. Математические модели и методы расчета, синтеза и оптимизации конструкций БРЭС и их элементов при внешних механических воздействиях 121
3.1. Метод блочно-иерархического формирования и анализа математических моделей процессов в БРЭС 121
3.2. Метод и математическая модель для анализа и оптимизации конструкций печатных узлов БРЭС 127
3.2.1. Анализ особенностей конструкций печатных узлов БРЭС 127
3.2.2. Анализ существующих методов и выбор метода построения математической модели колебаний конструкции печатного узла 131
3.2.3. Разработка расчетной математической модели динамики конструкции печатного узла 133
3.2.4. Метод учета жесткостей элементов, установленных на плате 138
3.2.5. Оценка точности разработанной модели 142
3.2.6- Разработка метода расчета конструкций печатных узлов БРЭС при удар
ном воздействии 147
3.2.7, Метод оптимизации расположения узлов крепления ПУ 150
3.3. Методы оптимального синтеза систем виброудароизоляции конструкций БРЭС 155
3.4. Выводы 161
4. Программные приложения для синтеза оптимальных проектных решений БРЭС 162
4.1 Структура программного приложения 163
4.2 Программа оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем 164
4.3 Программа построения макромоделей и анализа чувствительности выходных характеристик моделей процессов в БРЭС к большим изменениям параметров в частотной области 168
4.4. Программа определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ и оптимизации параметров элементов системы обеспечения теплового режима БРЭС 168
4.5. Программа расчета динамических характеристик пространственных конструкций БРЭС при внешних виброударных воздействиях 176
4.6. Программы расчета динамических характеристик конструкций печатных узлов БРЭС и оптимизации расположения мест их крепления при внешних механических воздействиях 183
4.7. Программа оптимального синтеза систем виброудароизоляции БРЭС при внешних механических воздействиях 190
4.7.1. Описание конструкции БРЭС и характеристик виброудароизоляторов 190
4.7.2. Синтез систем виброудароизоляции БРЭС 192
4.8. Выводы 196
5. Экспериментальная проверка и практическое применение разработанных ме тодов 196
5.1. Методология оптимального проектирования 196
5.2. Экспериментальная проверка моделей и методов 206
5.2.1. Методика проведения экспериментальной проверки динамических моделей ПУ и системы виброудароизоляции 206
5.2.2. Экспериментальная проверка динамической модели конструкции ПУ 209
5.2.3. Экспериментальная проверка моделей систем виброизоляции БРЭС 217
5.3. Практическое применение разработанных методов и моделей 219
5.3.1. Пример оптимального синтеза допусков на параметры ЭРИ видеоусили теля 219
5.3.2. Пример оптимального синтеза злектричесішх и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ мощного усилителя 222
5.3.3. Пример оптимального проектирования вибронадежной конструкции ПУ 224
5.3.4. Пример оптимального синтеза системы виброудароизоляции БРЭС 230
5.4. Внедрение результатов работы 234
5.5. Выводы 234
Заключение 23 5
Список использованных источников
- Исследование особенностей бортовых РЭС и требования к обеспечению их надежности
- Интегрированная математическая модель минимального по стоимости комплектующих изделий
- Метод блочно-иерархического формирования и анализа математических моделей процессов в БРЭС
- Структура программного приложения
Введение к работе
При проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС), особенно бортовых, сталкиваются с серьезными проблемами, основные из которых:
увеличение требований к надежности при ужесточении условий эксплуатации;
снижение стоимостных параметров (массогабаритных, ценовых, энергопотребления: и т.д.) при одновременном увеличении количества выполняемых функций;
уменьшение сроков морального старения и, соответственно, необходимость сокращать сроки проектирования новых изделий.
Проектирование современных бортовых радиоэлектронных средств (БРЭС) в заданные сроки и в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (НТД) по надежности, электрическим, тепловым и механическим характеристикам в общем случае невозможно без использования информационной технологии на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования.
Необходимость правильного выбора проектных решений на указанных этапах разработки связана с тем, что выявление недостаточной надежности БРЭС из-за электрических, тепловых и механических воздействий на завершающих этапах проектирования (начиная с детального конструкторского проектирования) как путем математического моделирования, так и путем испытаний опытного образца приводит к длительным итерациям по отработке изделия, а значит и к резкому возрастанию материальных затрат и увеличению сроков проектирования.
Необходимость разработки новой информационной технологии вытекает из следующих соображений: исходя из требований нормативно-технической документации по электрическим, тепловым и механическим режимам, нужно на как можно более ранних этапах проектирования оптимально выбрать
7 тип конструкции, системы охлаждения и виброудароизоляции, элементную базу и режимы электрорадиоизделий (ЭРИ) БРЭС, обеспечивающие необходимую надежность БРЭС- Указанный выбор должен исключить ошибки в проектировании на более поздних этапах.
Повышение качества автоматизированного проектирования БРЭС должно состоять в нахождений оптимальных проектных решений, обеспечивающих заданную надежность с учетом всего комплекса влияющих на надежность эксплуатационных факторов при минимальных затратах на реализацию этих решений.
Рассмотрим некоторые предлагаемые возможности повышения качества проектирования БРЭС с использованием моделирования, оптимизации и синтеза в САПР.
В конце этапа схемотехнического проектирования возникают задачи уточнения номинальных значений параметров ЭРИ, синтеза допусков на параметры и выбора электрических нагрузочных режимов ЭРИ, обеспечивающих заданную надежность по внезапным и постепенным отказам, которые могут быть оптимально решены лишь при системном подходе к решению, т.е. с учетом электрического, теплового, механического и других режимов ЭРИ. Однако, на этапе схемотехнического проектирования не известны тепловой и механический режимы ЭРИ, поэтому необходимо построить единую модель оптималь-hoixd надежного БРЭС, в которой в качестве варьируемых будут параметры ЭРИ и параметры конструкции. Эта модель должна использоваться на стыке схемотехнического и конструкторского этапов проектирования, тле. при синтезе конструкции надо, хотя бы ориентировочно, знать тепловой и механический режимы, которые необходимо обеспечить для надежного функционирования БРЭС.
В настоящее время отсутствуют методы и средства, позволяющие производить автоматизированное проектирование минимальных по стоимости надежных БРЭС с учетом взаимосвязанного влияния на ее надежность и стой-
8 мость допусков на параметры ЭРИ, электрических, тепловых, механических и других воздействий и режимов ЭРИ.
Оптимальное проектирование БРЭС с учетом электрического, теплового, механического режимов и требований надежности возможно лишь на основе методов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, обработку, хранение, распространение и отображение информации с целью снижения трудоемкости процессов использования информационного ресурса.
Учитывая сложность поиска оптимального проектного решения, которое в современных условиях возложено на разработчика БРЭС, и жесткие ограничения по срокам и стоимости проектных работ, реализация подобной информационной технологии в автоматическом режиме не дает положительного эффекта. Наиболее эффективным является интерактивный режим, представляющий собой специально организованное, в рамках непрерывного технологического процесса автоматизированного проектирования, сочетание автоматических вычислений по программам, реализующим проектные процедуры, и взаимодействий разработчика с системой для разрешения неформализуемых задач оценки результатов, принятия решений и директивных указаний по режимам и условиям дальнейшего проектирования, что возможно только за счет применения единой оптимальной модели надежности, электрических, механических и тепловых режимов. Следовательно, научной основой информационной технологии оптимального проектирования БРЭС должна стать методология интерактивного проектирования, решающая указанные выше задачи на как можно более ранних этапах проектирования, а практической реализацией в качестве инструментария проектировщика - соответствующие программные приложения.
Анализ открытых отечественных и зарубежных источников, а также многолетние исследования разработок предприятий, проведенные автором, показали, что подобная информационная технология на сегодняшний день отсутствует.
9 Отсутствие методов и средств автоматизированного проектирования оптимальных падежных БРЭС с учетом взаимосвязанного влияния на ее надежность и стоимость допусков на параметры ЭРИ, электрических, тепловых, механических и других воздействий и режимов ЭРИ, отсутствие необходимых баз данных, сложность моделей и многое другое делают невозможным применение для этого существующих однопроблемных программных комплексов (OrCAD 9J9 Protel 99SE, Design Lab, System View, Microwave Office, MENTOR GRAF1CS, Omega PLUS, Polaris, BETA soft, COLDPLATE, Esatan, Flotherm-2.0, TMG, TAS, WinTherm, ThermoCal, COSMOS/M} P-Cad, Design Space, ANSYS, PRAQ Reli-ahitili Manager (MENTOR GRAFJCS и др.), которые не позволяют в полной мере учитывать специфические особенности функционирования и конструктор-ско-техпологического построения таких БРЭС). В автоматизированной системе научных исследований АСОНИКА отсутствуют средства поиска оптимальных проектных решений БРЭС и необходимые для этого математические модели.
Существующие специализированные программные комплексы охватывают лишь узкий круг приведенных выше задач. В основном это разрозненные программы, не связанные единой методологической основой применительно к оптимальному проектированию надежных РЭС Проблемно-ориентированными они являются лишь на уровне электронных схем или конструкций. Здесь нужно использовать те методы, которые позволяют получить наиболее простые макромодели типовых конструкций без больших потерь в точности, сокращая при этом время расчета и создавая предпосылки для автоматического синтеза данных макромоделей на ЭВМ.
Проблемы автоматизированного проектирования РЭС па основе моделирования рассматривались в работах Андреева А.И. [23, 30, 32], Вермишева Ю.Х. [44, 62, 761, Дульнева ГЛ. [13], Журавского ВТ. [21], Зольникова В.К. [8],КечиеваЛ.Н. [11], КофановаЮ.Н, [25,30,32,58,60, 103, 105, 106], Редко-зубова С.А. [220], Кравченко В.А. [221], Норенкова ИЛ. [71, 72, 74], Разевига В,Д. [94-96], Стрельникова ВЛ[40]5 Талицкого Е.Н. [16, 17], Тартаковского AM. [87], Тумковского СР. [58, 64, 102], Увайсова СУ. [106], Шалумова А.С.
10 [38, 56], Сарафанова А.В. [2, 28, 41,45] и др. [42-54]. Проблемы поиска оптимальных проектных решений для БРЭС глубоко рассматривались в работах Вермишева Ю.Х. [44, 76]. Проблемы макромоделирования и оптимизации рассматривались в работах Борисова Н.И. [75, 119, 149], ШрамковаИХ. [111, 112, П9],ГридинаВ.Н, [213].
Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику автоматизированного проектирования БРЭС и математического моделирования физических процессов в БРЭС. Однако при этом перечисленными авторами не уделено достаточного внимания проблеме оптимального проектирования при влиянии разнородных физических процессов на надежность БРЭС,
Таким образом, научная проблема состоит в разработке методологии оптимального автоматизированного проектирования БРЭС, в которой были бы системно увязаны требования к надежности и режимам ЭРИ при различных видах физических процессов, причем проектные решения должны обеспечивать минимальные затраты на комплектующие элементы.
Методы исследования основываются на методах теории системного анализа, надежности, параметрической чувствительности, электротехники, теплообмена, прикладной механики, вычислительной математики и оптимизации, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна результатов работы состоит в разработке методологии автоматизированного проектирования БРЭС, в которой, в отличие от известных, на начальной стадии этапа эскизного конструирования и на этапе технического проектирования, исходя из необходимости обеспечения надежности, автоматически определяются: оптимальные по стоимости ЭРИ допуски на параметры, оптимальные тепловые и электрические режимы ЭРИ, а таюке основные параметры элементов системы обеспечения необходимого теплового режима с минимизацией затрат на реализацию. Разработанная методология отличается от известных также применением методов комплексного моделирования, многопараметрической оптимизации и синтеза электронных схем и конструкций, разработанных в диссертации.
В рамках разработанной методологии созданы:
Интегрированная математическая модель минимального по стоимости комплектующих изделий БРЭС, в которой, в отличие от однорежимных моделей, учтены стоимость конструктивных средств и ЭРИ для обеспечения электрического, теплового и механического режимов- Это позволило целенаправленно проводить разработку методов синтеза оптимальных проектных решений по частным критериям оптимальности минимальных затрат на комплектующие элементы.
Метод поиска оптимального типа и основных параметров системы обеспечения теплового режима БРЭС, а также оптимальных допусков и электрических режимов ЭРИ перед этапом эскизного конструирования путем использования: комплексной оптимизационной макромодели БРЭСЭ в которой, в отличие от известных методов задаются:
для каждого тепловыделяющего ЭРИ в макромоделн теплообмена все возможные способы обеспечения теплового режима с указанием для каждой ветви теплообмена зависимости ее стоимости от величины проходящего по ней.тсплового потока или теплового сопротивления; зависимость стоимости ЭРИ от допусков на его параметры и коэффициентов электрической нагрузки;
критерий оптимальности в виде минимума стоимости системы обеспечения теплового режима БРЭС и набора ЭРИ при выполнении требований к надежности по внезапным и параметрическим отказам. Метод позволяет более эффективно проводить нахождение оптимального типа и основных параметров системы обеспечения теплового режима БРЭС, а также оптимальных допусков и электрических релшмов ЭРИ на начальных этапах проектирования.
Принцип поиска оптимального проектного решения путем выделения главного соотношения "стоимость/ надежность". Принцип позволяет' более эффективно проводить нахождение оптимальных значений парамет-
12 ров элементов БРЭС для обеспечения необходимых значений выходных характеристик.
Метод оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений параметров ЭРИ, в котором в качестве ограничения используется уравнение допусков, что позволило учесть статистический характер разброса параметров ЭРИ и, следовательно, повысить точность синтеза допусков при одновременной минимизации стоимости набора ЭРИ, Также, в отличие от известных методов, выбор варьируемого элемента на текущем шаге оптимизации производится по максимальному отношению коэффициентов чувствительности стоимости ЭРИ и выходной характери-стики к изменению допуска с учетом закона распределения отклонений параметра.
Метод определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ, который в отличие от известных методов определения только оптимальных электрических или только тепловых нагрузочных режимов, позволяет находить оптимальное сочетание электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ с минимальными затратами на их обеспечение при условии выполнения требований по надежности.
Метод построения макромоделей и анализа чувствительности выходных характеристик процессов в БРЭС к большим изменениям параметров в частотной области, который в отличие от известных, обладает большей экономичностью по затратам времени ЭВМ вследствие «скелетной» формы составления уравнений макромодели. Метод позволяет составить зависимость выходной характеристики модели в виде аналитической зависимости от частоты с размерностью, равной числу варьируемых параметров, что позволяет эффективно проводить оптимизацию.
Математическая модель динамики конструкции печатного узла отличается от известных более высокой точностью за счет учета аэродинамического сопротивления воздуха, демпфирования в элементах ПУ, инерции вращения ЭРИ и участков платы. Получены формулы для приближенного
13 учета жесткостей ЗРИ. На модель, реализованную в виде электронной схемы, получено авторское свидетельство на изобретение.
8. Новый метод улучшения динамических и прочностных характеристик
ПУ за счет
оптимизации расположения их узлов крепления, для чего не требуется дополнительных материальных затрат.
9. Метод иерархического формирования и анализа математических моде
лей процессов в БРЭС, который в отличие от известных диакоптических
и суперэлементных методов позволяет получать модель БРЭС в виде свя
занных подмоделей иерархических уровней БРЭС с аналитической зави
симостью от частоты, что позволяет эффективно решать задачи оптими
зации за счет сокращения времени анализа при конкретном значении час
тоты воздействия.
10- Методы синтеза систем виброудароизоляции БРЭС, которые в отличие от известных позволяют производить рациональный монтаж виброуда-роизоляторов, минимизировать количество виброудароизоляторов, а для ударного воздействия производить двухступенчатый синтез: первый этап — это приближенный расчет и отбор вариантов, второй этап - точный расчет переходного процесса для выбранного варианта, что сократило время синтеза. Модернизована известная математическая модель динамики системы виброудароизоляции, которая дополнена учетом совместного «вязкого» и «сухого» демпфирования в виброудароизоляторах.
Применение разработанной в диссертации методологии оптимального проектирования, макромоделирования и оптимизации позволит сократить затраты на проектирование и изготовление БРЭС.
Таким образом, в диссертационной работе разработаны теоретические положения, обобщение и решение крупной научной проблемы принятия оптимальных проектных решений для БРЭС на ранних этапах проектирования при учете их электрических, тепловых и механических режимов, имеющую
14 важное хозяйственное значение. Проблема решена путем создания моделей, методов, программных приложений и на их основе методологии, составивших научную основу оптимального проектирования БРЭС.
Применение разработанной в диссертации методологии оптимального проектирования, макромоделирования и оптимизации позволит сократить затраты на проектирование и изготовление БРЭС.
Решение указанной проблемы является крупным достижением в развитии перспективного направления в системах автоматизации проектирования.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные в ней методология, модели, методическое и программное обеспечения ПОЗВОЛЯЮТ обоснованно, целенаправленно и эффективно снизить затраты на проектирование и изготовление БРЭС с соблюдением требований НТД по надежностным, электрическим, тепловым и механическим характеристикам.
Реализация и внедрение результатов работы. Исследования и разработки автора выполнялись на кафедрах «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и «Информационные технологии в автоматизированных системах» Московского государственного института электроники и математики в рамках госбюджетной и хоздоговорной тематики в течение 1974-2004 гг. и в порядке личной инициативы.
Основные результаты работы внедрены в практику проектирования предприятий; ГП ГОКБ «Прожектор», ОАО ЦКБ «Алмаз», ФГУП "НИИ точных приборов", РКК «Энергия, ФГУП "ЦНИИ автоматики и гидравлики", в/ч 11135, СКВ часовых механизмов, ОАО " ЦНИИ "Циклон".
Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики, Красноярского государственного технического университета.
Апробация результатов работы . Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на десяти Всесоюзных, двух Республиканских, семи Международных конференциях и научных сессиях, в том числе на следующих:
15 Республиканская конференция "Проектирование радиоэлектронной аппаратуры с применением ЭВМ на промышленных предприятиях", КиевД975 г.; Республиканская конференция "Автоматизация проектирования РЭА на промышленных предприятиях", Киев, 1976 г.; Всесоюзная школа- семинар Чувствительность электронных и электромеханических устройств и систем", Москва, 1977 г.; Всесоюзная конференция "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества РЭА", Москва, 1978 г.; Всесоюзная конференция "Автоматизация проектных и конструкторских работ", Москва, 1979г.; Всесоюзная научная сессия НТО РЭС, Москва, 1979г.; Всесоюзная школа-семинар "Чувствительность электронных и электромеханических устройств и систем", Москва, 1979 г.; Всесоюзная н,-т. конфер. Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества РЭА", МахачкалаД980 г.; Всесоюзная конференция "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем", Москва., 1981 г.; международная конференция "Компкон-троль-8111, Варна, НРБ. 1981 г.; Всесоюзная конференция "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества ЭА и П", Воронеж, 1984 г.; семинар общества "Знание" "Программные методы конструирования и ГАП микроэлектронной аппаратуры", Москва , 1986 г.; Всесоюзная конферен-ция"Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС", Суздаль, 1989г.
Всесоюзная конференция "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков электронных и электромеханических систем", Влади-мир,1989 г.; международная научно-технической конфер. и Российская научная школы "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий", Москва-Сочи, 1999 г.; 55-я научная сессия, посвященная дню радио "Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия", НТО РЭС им. А.СПопова, М.9 2000 г.; международная научно-техническая конфер. и Российская научная школа "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий", Москва-Сочи, 2000 г,; международная научно-техническая конфер. и Российская на-
учная школа "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий", Москва-Сочи, 2001 г.; международная научно-техническая конференция и Российская научная школа "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий", Москва-Сочи, 2002 г., международная научно-техническая конфер. и Российская научная школа "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий", Москва-Сочи, 2003 г.; международная научно-техническая конфер. и Российская научная школа молодых ученых и специалистов "Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий", Москва-Сочи, 2004 г.
Публикации по работе. Научные и практические результаты диссертационной работы отражены в 59 опубликованных работах, в том числе: 14 статей, 42 материалов конференций, 1 авторское свидетельство на изобретение, 2 программы сданы в ФАЛ.
Объем и структуро диссертации . Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (221 на-именований) и приложений (13 стр.). Диссертация изложена на 261 стр. машинописного текста, имеет 62 рисунка. 8 таблиц.
В главе 1 на основе анализа проблем проектирования надежных БРЭС и анализа современных автоматизированных систем, используемых для проектирования БРЭС, обосновывается необходимость создания информационной технологии оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности при электрических, тепловых и механических воздействиях. Сформулированы цель и задачи исследований. Разработана структура информационной технологии. Проанализированы современные программные средства, используемые для проектирования Т5РЭС. Показано, что они обладают рядом существенных недостатков, связанных, в первую очередь, с узкой номенклатурой моделей и алгоритмов, учитывающих особенности БРЭС, а также с от-
17 сутствием возможностей гибкой интеграции программных средств, направленной на оптимальное проектирование РЭС.
Рассмотрены существующие методы и проблемы моделирования и оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности при электрических и тепловых нагрузках ЭРИ, оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений параметров ЭРИ БРЭСЭ синтеза и оптимального проектирования конструкций БРЭС для обеспечения надежности ЭРИ при внешних механических воздействиях. На основе анализа проблем, методов моделирования и исследования моделей большой размерности, оптимизации и синтеза РЭС показано отсутствие эффективных и экономичных методов моделирования и синтеза для оптимального проектирования РЭС с учетом требований обеспечения надежности по параметрическим и внезапным отказам при электрических, тепловых и механических нагрузках ЭРИ.
Сформулирована цель диссертационной работы, заключающаяся в разработке моделей, методов, программных средств и инженерных методик для методологии оптимального проектирования БРЭС, базирующейся на основных методологических аспектах исследования характеристик БРЭС средствами математического моделирования и синтезе оптимальных проектных решений.
В заключении главы для достижения поставленной цели на основе сформулированных задач приведена структура задач всей диссертации.
В главе 2 разработана интегрированная математическая модель оптимальной по стоимости комплектующих элементов БРЭС с учетом требований обеспечения надежности при электрических, тепловых, механических и других эксплуатационных режимах ЭРИ, рассмотрены математические модели и хмето-ды синтеза и оптимального проектирования электронных схем БРЭС при электрических и тепловых нагрузках ЭРИ.
К таким моделям и методам относятся:
- математическая модель и метод оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем;
математическая модель и метод определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем;
метод поиска оптимального типа и основных параметров системы обеспечения теплового режима БРЭС, а также оптимальных допусков и электрических режимов ЭРИ перед этапом эскизного конструирования путем использования комплексной оптимизационной макромодели БРЭС;
метод построения макромоделей и анализа чувствительности выходных характеристик процессов в БРЭС к большим изменениям параметров в частотной области;
принцип поиска оптимального проектного решения путем выделения главного соотношения "стоимость/ надежность";
принципы оптимизации параметров элементов БРЭС при поиске оптимальных проектных решений.
Принципиальное отличие возможностей разработанных математических моделей от известных состоит в том, что в них учитываются во взаимодействии технологические, электрические, тепловые, механические, старения и другие воздействия, влияющие на надежность БРЭС и стоимость обеспечения заданной надежности.
Для математических моделей, используемых для оптимизации и синтеза, разработаны критерии оптимальности, отражающие минимум стоимости набора ЭРИ и стоимости средств обеспечения надежности,
В главе 3 разработаны следующие методы и алгоритмы анализа, синтеза и оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности при электрических, тепловых, механических и других эксплуатационных режимах ЭРИ:
методы построения макромоделей для оптимизации параметров пространственных конструкций БРЭС при внешних механических виброударных воздействиях;
19 методы расчета и оптимизации динамических механических характеристик конструкций печатных узлов БРЭС;
методы расчета и синтеза оптимальных систем виброудароизоля-ции БРЭС;
метод иерархического формирования и анализа математических моделей процессов в БРЭС.
Разработанные методы и алгоритмы позволяют практически реализовать применение математических моделей оптимального проектирования БРЭС .
В главе 4 разработана структура программного приложения для моделирования, синтеза и оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности при электрических., тепловых и механических нагрузках ЭРИ. Приведены описания разработанных программ: оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем; определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ и параметров радиаторов охлаждения ЭРИ в БРЭС; расчета динамических характеристик пространственных конструкций БРЭС при внешних виброударных воздействиях; расчета динамических характеристик конструкций печатных узлов БРЭС и оптимизации расположения мест их крепления; расчета и синтеза систем виброударои-золяции БРЭС при внешних механических воздействиях.
Разработанные программы позволяют решить основные задачи оптимального проектирования БРЭС с учетом требований обеспечения надежности при электрических, тепловых и механических нагрузках ЭРИ.
В главе 5 описана разработанная методология оптимального проектирования БРЭС с учетом режимов эксплуатации, а также результаты экспериментальной проверки и практической реализации разработанных методов,
В заключении рассмотрены основные результаты диссертационной работы.
20 В приложении приведены документы о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертационной работы в промышленности, НИР и учебном процессе.
Основные научные результаты, выносимые на защиту.
Оптимизационный подход к построению методологии автоматизированного
проектирования БРЭС, в которой:
на начальной стадии этапа эскизного конструирования и на этапе технического проектирования, исходя из необходимости обеспечения надежности, автоматически определяются оптимальные допуски на параметры ЭРИ, оптимальные тепловые и электрические режимы ЭРИ и основные параметры элементов системы обеспечения необходимого теплового режима с минимизацией затрат на их реализацию;
на этапе эскизного проектирования производится оптимизация параметров конструкций печатных узлов, подверженных внешним виброударным воздействиям.
Стоимостная математическая модель комплектующих изделий и затрат на
проектирование БРЭС, представляющая собой сумму минимумов стоимо
стей реализации локальных проектных решений и затрат на устранение
ошибок проектирования с ограничениями на возможные допуски и режимы
элементов.
- Оптимизационный принцип поиска типа и основных параметров системы
обеспечения теплового режима БРЭС, а также допусков и электрических
режимов ЭРИ на начальной стадии этапа эскизного конструирования путем
использования комплексной оптимизационной макромодели БРЭС.
Принцип выделения главного соотношения "стоимость/надежность" при по
иске оптимального проектного решения. При этом в качестве варьируемого
на текущем шаге оптимизации принимается параметр с наиболее
рациональным значением указанного выше соотношения.
Принцип оптимального синтеза технологических допусков на параметры ЭРИ по критерию минимума стоимости набора ЭРИ при ограничении на допуски в виде уравнения допусков. Данный принцип реализован в методе оптимального синтеза допусков.
Принцип пояска оптимального допуска па параметр ЭРИ, основанный на выделении в процессе оптимизации ЭРИ с максимальным модулем соотношения коэффициента чувствительности стоимости ЭРИ к допуску па его параметр к коэффициенту чувствительности выходной характеристики к изменению параметра ЭРИ, Данный принцип реализован в методе оптимального синтеза допусков.
Принцип минимизации стоимостей обеспечения электрических и тепловых режимов ЭРИ, представленных в виде суммы аналитических зависимостей их стоимостей от предельно допустимых электрических режимов и стоимости средств обеспечения их необходимых тепловых режимов при выполнении требований к надежности. Данный принцип реализован в методе определения оптимальных электрических и тепловых режимов ЭРИ,
«Скелетная» форма составления уравнений макромодели выходных харак
теристик процессов в БРЭС в частотной области с включением в нее варьи-
. руемых параметров, что позволяет упростить применение известных методов обращения полиномиальных матриц с сохранением аналитической зависимости от частоты.
Конечно-разностная аппроксимация би гармонического уравнения орто-
тропной пластины, в которой впервые учтены аэродинамическое сопротив
ление воздуха, диссипативное рассеивание энергии, инерция вращения ЭРИ
и участков платы, жесткости и массы ЭРИ. Данная аппроксимация реализо
вана в математической модели динамики конструкции печатного узла.
Иерархический подход к формированию и анализу линейных математиче
ских моделей процессов в БРЭС, который основан на представлении полной
математической модели в виде совокупности подмоделей более низких ие
рархических уровней, каждая из которых получена путем разбиения полной
22 системы уравнений на иерархические части и их обращении в аналитической зависимости от частоты с использованием спектрального представления матриц. Данный подход реализован в методе иерархического формирования и анализа линейных математических моделей процессов в БРЭС в частотной области. Принципы обеспечения необходимой виброударозащиты и минимизации количества виброудароизоляторов, а также принцип двухступенчатого синтеза при ударном воздействии: первая ступень — это экономичный приближенный расчет по упрощенной аналитической модели и отбор подходящих вариантов, вторая ступень - точный расчет переходного процесса по полной модели для выбранного варианта. Данные принципы реализованы в методах синтеза систем виброудароизоляции.
Автор выражает благодарность профессору Кофанову Ю.Н. за научное консультирование по вопросам надежности в процессе работы над диссертацией. Автор выражает свою благодарность коллективам кафедр «Информационные технологии в автоматизированных системах» и «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ за полезное обсуждение результатов работы. Автор признателен проф. Шрамкову ИХ., проф. Солодовни-кову И.В., проф. Борисову Н.И., проф, Кечиеву Л.Н., проф. Сарафанову A3., доц. Зародову А.Ф., проф, Увайсову СУ., доц. Тумковскому СР. за советы и помощь в работе.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАЗРАБОТКИ
В главе выделяется класс рассматриваемых в диссертации объектов и основных задач их оптимального проектирования. Поскольку трудоемкость процесса решения данных задач велика, проводится обзор и анализ основных методов и подходов, направленных на ее снижение. На основе обзора формулируется постановка задачи диссертационной работы.
Исследование особенностей бортовых РЭС и требования к обеспечению их надежности
Комплекс государственных стандартов «Мороз-6» регламентирует методические, технические и организаиионные вопросы требований к надежности и стойкости бортовых радиоэлектронных средств (БРЭС) с охватом всех стадий их жизненного цикла.
При проектировании БРЭС требования ГОСТ PD 20.39.302-98 предполагают решение следующих задач:
выбор элементной базы с учетом надежности и стойкости к режимам эксплуатации;
обеспечение допустимых или облегченных режимов и условий применения ЭРИ при всех возможных отклонениях их параметров, режимов, внешних и специальных факторов;
оптимизацию схемно-конструктивных решений (по критерию надежности и стойкости) методами и средствами математического и физического моделирования;
сочетание расчетных и экспериментальных методов оценки, увязанных с этапами разработки и изготовления.
В настоящее время выдвинуты также требования к повышению качества продукции в соответствии с новыми требованиями к системе менеджмента качества по ГОСТ Р. ИСО 9001-2001, ГОСТ РВ 15,002-2003.
Решение перечисленных задач лежит в области разработки новых информационных технологий моделирования и системного оптимального автоматизированного проектирования и синтеза надежных БРЭС и входящих в нее микросхем.
Анализ современных БРЭСЭ проведенный в рамках диссертации, показал, что они характеризуются следующими основными особенностями;
І.- Имеют высокие удельные характеристики тешюнапряженности. Для отдельных устройств, таких, например, как источники вторичного электропитания удельная: мощность может достигать 800 Вт/дм3 [1, 2].
2. Происходит повышение требований к показателям надежности, качества и ресурсу [3, 4]. Например, для геостационарных искусственных спутников Земли срок службы должен составлять 15-18 лет [5].
3. БРЭС подвергаются широкому комплексу воздействий дестабилизирующих факторов (см. табл. 1J) [5, 6], БРЭС должны функционировать в условиях воздействия на них электрических, магнитных, электромагнитных полей; непрерывного и импульсного ионизирующего излучения (ИИ) [6, 8]; механических и климатических воздействий [16, 17].
4. В конструктивно-технологическом плане БРЭС применяются различные варианты реализаций, которые базируются на принципах конструирования: моносхемном; функционально-блочном; функционально-модульном; функционально-узловом. В связи с жесткими требованиями к энергоемкости, массогабаритньш характеристикам и надежности в БРЭС широко применяются последние разработки в области интегральных и гибридно-интегральных технологий [1,9]. Широкий спектр дестабилизирующих воздействий [6] и высокие требования к надежности приводят к необходимости использовать специальные схемно-конструкторско-технологические решения, связанные с обеспечением электрических, механических, электромагнитных, тепловых, надежностных и др. характеристик БРЭС, Так, например, в практике разработки БРЭС применяются специальные схемотехнические решения [1э 4, 10, 30], направленные на обеспечение отказоустойчивости, радиационной стойкости, стойкости к электромагнитным полям, теплоустойчивости отдельных элементов, узлов или целых устройств.
5, В процессе конструкторско-технологической проработки БРЭС ис пользуются: специальные защитные (от ионизирующих и электромагнитных излучений) экраны [10, 11]; элементы Пельтье (микрохолодильники) и устрой ства с плавящимся веществом [12]; тепловые шины, тепловые трубы и тепло стоки [1, 9, 13, 14, 15]; вибропоглощающие материалы [] 6, 17, 18]; термостати рующие плиты и контуры с водяным охлаждением [5, 9, 19, 20]; виброударои золирующие платформы [21, 22]; специальные методы компоновки узлов и приборов в целом [23].
6. Реализация БРЭС с высокими удельными массогабаритными харак теристиками в совокупности с достижениями микроминиатюризации приводит к тесной взаимосвязи физических процессов (электрических, электромагнит ных, тепловых, механических, радиационных и т,д.), протекающих в схемах и конструкциях БРЭС [14, 24, 25]- Это, в свою очередь, приводит к необходимо сти осуществлять на различных этапах разработки [26, 27, 28], специальные ме роприятия, связанные с комплексным исследованием характеристик БРЭС; ис следование температурной нестабильности выходных характеристик [28, 29], исследование ухода параметров электрорадиоизделий (ЭРИ) при воздействии ИИ [ГОСТ В 20.39.404-81] и ЭМИ, исследование температурных напряжений в конструкционных материалах [8, 14, 23], анализ влияния паразитных парамет ров печатного и пленочного монтажа на параметры сигналов [30, 31], исследо вание влияния температурных режимов на вязко-упругие свойства материалов конструкции и демпфирующих устройств [1б? 22] и др.
Интегрированная математическая модель минимального по стоимости комплектующих изделий
Концептуальные положения, определенные в 1-й главе, на которых должна базироваться методология оптимального проектирования БРЭС, необходимо интегрировать в набор определенных принципов, направленных, в свою очередь, на разработку и интеграцию в рамках методологии моделей, алгоритмов, методов, методик и программного обеспечения.
Проведенные в диссертации исследования показали, что принципы должны быть ориентированы на реализацию (интеграцию) предметно-ориентированной методологии оптимального проектирования БРЭС. С этой целью в диссертации предложено использовать системную комплексную модель оптимальной БРЭС.
Как было показано в параграфе 1.2, оптимальное проектирование БРЭС опирается на математическое моделирование разнородных физических процессов на базе формализованной схемы взаимосвязи физических процессов БРЭС и методы синтеза оптимальных решений. Для организации такого процесса в рамках методологии необходимо разработать единую комплексную модель оптимальной БРЭС, на основе которой реализовывался бы цикл проектных процедур, отражаемый, в конечном итоге, в некотором информационном проектном пространстве, характеризующем комплекс оптимальных схемно-конструкторских решений.
При оптимальном проектировании БРЭС решаются задачи выполнения требований НТД по надежности, электрическим, тепловым и механическим характеристикам. Для придания этому процессу законченного типового характера разработана методология оптимального проектирования БРЭС, позволяющая на основе разработанных моделей, методов, методик и программ, провести обоснованный и целенаправленный синтез БРЭС, отвечающих требованиям НТД по надежности, электрическим, тепловым и механическим характеристикам, используя предложенный в диссертации обобщенный показатель эффективности и качества проектирования при выборе лучшего варианта , и дать рекомендации по устранению наиболее слабых с точки зрения надежности мест в БРЭС.
Предлагается использовать в качестве основного критерия оптимальности разрабатываемых БРЭС и МЭА минимум стоимости реализации проектного решения (РПР), в виде минимума суммы стоимостей комплектующих элементов, необходимых для реализации локальных проектных задач, при ограничениях на выполнение требований по надежности и предельно допустимым режимам элементов. При этом под стоимостью понимается либо ценовой, либо абстрактно-экспертный показатель, включающий в себя требования к качеству изготовления элементов и их типам, к потреблению энергии, массо-габаритным показателям, к количеству виброудароизоляторов и т.д.
Стоимостной критерий оптимальности проектных решений можно выразить в виде [185, 197, 198,202,203]: где С — стоимость проектного решения; n - количество электронных элементов; СМ1 - стоимость і- го электронного элемента; 3:. - вектор допусков на параметры і- го ЭРИ; Х\ - интенсивность отказов І-го ЭРИ; W, - предельно допустимая электрическая нагрузка для /- го ЭРИ; т - количество ЭРИ, для которых используются индивидуальные средства обеспечения заданного теплового режима (радиаторы, вентиляторы, теплоотводы и пр.); C0XiJ - стоимость индивидуального средства обеспечения заданного теплового режима j - го ЭРИ; д""м номинальное значение параметра j - го ЭРИ; t - время эксплуатации; SYI)m - допустимое относительное отклонение выходной характеристики от номинального значения; Р - заданная вероятность безотказной работы БРЭС и МЭА по внезапным отказам; P"J - заданная вероятность безотказной работы БРЭС и МЭА по параметрическим отказам; q№Mmp - вектор параметров конструкции; Р} - мощность, выделяемая j - м ЭРИ; 7} - температура среды около j - го ЭРИ; Сохяизд - стоимость общей системы охлаждения изделия (продув воздуха и т.п.); 8 - вектор допусков на параметры ЭРИ, входящих в изделие; Рт11 - тепловая мощность, выделяемая в изделии; Тш;р - температура окружающей среды; Сшбр стоимость реализации проектных решений по защите изделия от внешних механических воздействий; W {f) - матрица допустимых механических воздействий на ЭРИ на заданных частотах / (перегрузки, перемещения, механические напряжения, количество выбросов при случайной вибрации); p""fp""! расчетные значения вероятности безотказной работы изделия по внезапным и параметрическим отказам соответственно; Wp ,tTpJpfp - расчетные значения рабочих режимов ЭРИ: электрического, теплового и механического соответственно; Спр- стоимость проектирования; 3(W - машинное время; tbop - время доработки проекта; snp - сложность проекта; гош - количество ошибок в проекте.
Центральным в методологии являются разработанные в диссертации методы расчета и синтеза параметров элементов электронных схем и конструкций БРЭС, обеспечивающие их надежность и стойкость в условиях воздействия электрических, тепловых и механических нагрузок. Необходимость устранения многочисленных обратных связей на предыдущие этапы проектирования, возникающих в существующих процессах автоматизированного проектирования БРЭС вследствие ошибок в проектировании, потребовали разработки методики их оптимального проектирования уже на ранних стадиях рабочего проектирования.
Метод блочно-иерархического формирования и анализа математических моделей процессов в БРЭС
Синтез оптимальных проектных решений при проектировании виброуда-ронадежных конструкций БРЭС заключается в выполнении требований к прочности конструкции и в непревышении перегрузок на ЭРИ допустимых для них значений. Основной выходной характеристикой конструкции при внешних вибрационных воздействиях (кинематическое воздействие и акустический шум), на основе которой можно получить остальные необходимые выходные характеристики, является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), которую необходимо получить в виде, обеспечивающем выполнение указанных выше требований с наименьшими затратами. Поскольку конструкция БРЭС имеет иерархическую структуру, то необходимо оптимальным образом сочетать между собой амплитудно-частотные характеристики отдельных иерархических уровней для получения приемлемой сквозной АЧХ. Поэтому в диссертации был разработан метод иерархического построения математической модели вибрации конструкции с аналитической зависимостью от частоты, эффективный при оптимизации ее параметров.
Для построения математических моделей вибрации пространственных конструкций БРЭС был выбран метод конечных элементов (МКЭ)3 который является численным методом решения дифференциальных уравнений, встречающихся в физике и технике. Известно, что расчетные схемы различных элементов радиоэлектронных конструкций могут быть сведены к стержневым, пластинчатым, ооолочечным или объемным системам, произвольным образом закрепленным и нагруженным- Для расчета целесообразно создавать комплексы программ целевого назначения, которые бы обеспечивали контроль этапа подготовки исходных данных, численную машинную реализацию алгоритма расчета определенного класса конструкций, а также выдачу результатов в удобной для практического использования форме. МКЭ дает возможность создания программ такого типа.
В настоящее время область применения МКЭ обширна и охватывает все физические задачи, которые могут быть описаны дифференциальными уравнениями. Важными преимуществами МКЭ? благодаря которым он широко используется, является следующее [90]:
1) Свойства материалов не должны быть обязательно одинаковыми. Это позволяет применить метод к телам, составленным из нескольких материалов (например, этажерочные конструкции БРЭС, объемные конструкции БРЭС и т. д.)
2) Криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных конечных элементов (например, с помощью треугольных, призматических, шестигранных конечных элементов).
3) Размеры элементов могут быть переменными. Это позволяет укрупнить или уменьшить сетку разбиения области на элементы, если в этом есть необходимость
Указанные выше преимущества МКЭ могут быть использованы при решении задач анализа и оптимизации динамических характеристик конструкций БРЭС, подверженных внешним механическим воздействиям.
Математическая конечно-элементная модель колебаний конструкции с заданными граничными условиями в местах крепления имеет вид [90]: Л \8\ +ju \C\\S\-a2\M\\5\ =\F\ , где: \R\ - глобальная матрица жесткости; 5 - вектор перемещений; \Р\ - вектор внешних воздействий; со - круговая частота вибрации; J - мнимая единица 3 J — v(-l); \С\ - глобальная матрица демпфирования ; \М\ - глобальная матрица масс; \R =JB/ \D\\B\dV; \Rg\- локальная матрица жесткости конечного элемента; - матрица производных функций форм элемента; - матрица упругости материала элемента; V- объем конечного элемента; \Mg\="pvJNIr\N\dV" матрица масс конечного элемента; \N\ - матрица функций форм конечного элемента; р плотность материала; матрица демпфирования конечного элемента; //- коэффициент неупругого сопротивления.
В качестве исходной взята известная математическая конечно-элементная модель динамики конструкции с заданными граничными условиями в месі ах крепления. Ее решение наталкивается на ряд серьезных трудностей, среди которых следует отметить: - большое разнообразие конструкций БРЭС и их составных частей, затрудняющее формализацию и автоматизацию построения математических моделей; сложность учета характеристик материалов и их зависимостей от режимов эксплуатации; большие размерность и трудоемкость решаемых задач, затрудняющие процесс решения и параметрической оптимизации конструкций.
Для преодоления первой трудности на основе метода конечных элементов был разработан набор моделей типовых элементов конструкций с 6-ю степенями свободы, позволивший, в конечном счете, создать комплекс программ моделирования, инвариантный к типу конструкции.
Для построения математической модели конструкции последняя расчленяется на подконструкции различных иерархических уровней, Подконструкция 1-го уровня расчленяется на макроэлементы и (или) конечные элементы.
Макроэлементы (например, печатные узлы) описывают типовые элементы конструкции. Их разбиение на конечные элементы производится автомати-чески с помощью специальных программ, что позволяет автоматизировать построение модели. Для задания макроэлемента указываются его тип, геометрические размеры, материал, возможно, масса и количество ЭРИ, относящихся к макроэлементу, номера узлов сопряжения с другими элементами модели. Если конструкция имеет форму, которую нельзя описать макроэлементами, то она должна быть описана с помощью конечных элементов.
Использованы элементы следующих типов: ? пластинчатый конечный треугольный элемент; ? пластинчатый прямоугольный конечный элемент; ? стержневой конечный элемент; ? пластинчатый обобщенный макроэлемент печатного узла; ? объемный шестигранный конечный элемент; ? абсолютно жесткий объемный элемент; - сосредоточенная масса; ? виброизолятор.
Конечный элемент задается указанием его типа, материала, ограничивающих его номеров узлов. Соединение конечных элементов и макроэлементов в общую конструкцию проводится через узлы конечных элементов, глобальные номера и координаты которых должны быть заданы.
В конечном счете, модель конструкции формируется в виде системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) [90]: [Mp2+Cp + RpC = Y, (3.1) где M,C,R - вещественные матрицы масс, демпфирования и жесткостей конструкции соответственно; p-dldi\ X - вектор искомых узловых перемещений; Г-вектор возмущающих воздействий; в частотной области р = jo = s.
Структура программного приложения
Программное приложение для синтеза оптимальных проектных решений при автоматизированном проектировании БРЭС состоит из следующих программных и методических приложений [192, 195, 202, 203] разработанных на основе методов, изложенных в гл.2 и гл.З: Программа оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем. Программа определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ и оптимизации параметров радиаторов охлаждений ЭРИ в БРЭС. » Программа расчета динамических характеристик пространственных конструкций БРЭС при внешних виброудариых воздействиях. Программа расчета динамических характеристик конструкций печатных узлов БРЭС и оптимизации расположения мест нх крепления при внешних механических воздействиях. » Программа синтеза систем виброудароизоляции БРЭС при внешних механических воздействиях. Программы разработаны в среде программирования DELPHI-7.
В программе оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ в БРЭС и электронных компонентов микросхем объект проектирования представляет собой схему принципиальную электрическую изделия. В алгоритме программы в качестве метода нахождения оптимальных допусков применен метод нелинейного программирования Хука-Дживса [189, 195, 197, 198J.
Исходные данные для расчета, вводимые пользователем или из базы данных: 1) типы ЭРИ? используемых в изделии, значения их параметров и зависимости стоимостей ЭРИ от допусков па их параметры; 2) диапазон изменений температуры окружающей среды, в котором производится оптимальный синтез допусков на параметры ЭРИ; 3) требуемое время наработки изделия; 4) температурная зависимость параметров ЭРИ и скорости изменения параметров вследствие старения; 5) коэффициенты параметрической чувствительности выходной характеристики схемы принципиальной электрической БРЭС по параметрам ЭРИ; 6) допустимое отклонение выходной характеристики БРЭС.
Результатом работы программы являются оптимальные по стоимости значения допусков на параметры ЭРИ.
Состав модулей и процедур программы: - головная программа, организующая процесс вычислений;
Алгоритм программы, основанной на разработанном в диссертации мето де, применительно к построению макромодели электрической схемы или конструкции БРЭС на основе электромеханической аналогии [175, 196, 197, 198, 200] приведен на рисунке 4А
В исходных данных вводится описание моделируемого объекта в виде электрической схемы, количество и перечень варьируемых параметров.
Результатом работы программы является макромодель электрической ф схемы с размерностью, равной числу варьируемых параметров и с включением в нее частоты воздействия в явном виде. ф ф Программа [186, 188, 189, 192, 202, 203] предназначена для нахождения оптимальных значений коэффициентов электрической нагрузки и параметров элементов системы обеспечения теплового режима ЭРИ, минимизирующих стоимость комплекта ЭРИ разрабатываемого БРЭС и элементов системы обес 4 печения теплового режима ЭРИ в БРЭС при условии обеспечения его заданной надежности. Объект проектирования представляет собой схему принципиальную электрическую или конструкцию блока БРЭС, в том числе ее макромодель на этапе эскизного синтеза.
Исходные данные для расчета, вводимые пользователем или считываемые из базы данных: 1) типы ЭРИ, используемых в изделии и их табличные (без учета режимов эксплуатации) интенсивности отказов; 2) электрический режим каждого ЭРИ - ток, напряжение, мощность; 3) время необходимой эксплуатационной наработки изделия; 4) заданная надежность изделия - вероятность безотказной работы в течение времени необходимой эксплуатационной наработки; 5) типы ЭРИ, используемых в изделии и их табличные (без учета режимов) интенсивности отказов; 6) зависимости стоимостей ЭРИ от предельно допустимых для них режимов; 7) зависимости стоимостей элементов системы обеспечения теплового режима от их параметров.
В алгоритме программы в качестве метода нахождения оптимальных нагрузочных режимов ЗРИ (при минимуме стоимости ЭРИ) применены два метода: метод неопределенньтх множителей Лагранжа и метод главного соотношения для выбора варьируемого параметра на текущем шаге приближения к минимуму стоимости с учетом ограничений на требуемую надежность и допустимые режимы ЭРИ (см. раздел 2.3), Соответственно методам в структуре программы имеются два программных модуля.
Результаты расчета, выводимые программой: 1) коэффициенты электрической нагрузки ЭРИ (по току, напряжению или мощности), рекомендуемые для данного ЭРИ; 2) температура окружающей ЭРИ среды5 рекомендуемая для данного изделия; 3) эксплуатаиионная интенсивность отказов изделия; 4) оптимальные параметры элементов системы обеспечения теплового режима;
