Содержание к диссертации
Введение
1. Информационное и методологическое обеспечение решения задач синтеза базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств автоматизированных систем управления 14
1.1. Анализ динамики и перспективы развития базовых несущих конструкций как сложных иерархических систем 14
1.2. Исследование комплекса требований, предъявляемых к перспективным многоуровневым базовым несущим конструкциям 19
1.3. Общесистемная математическая постановка задач структурно-параметрического синтеза базовых несущих конструкций 35
2. Математическое обепечение решения задач синтеза базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств автоматизированных систем управления 47
2.1. Построение основных аналитических соотношений для единой общесистемной математической модели базовых несущих конструкций как сложных систем 47
2.2. Аналитическая зависимость для расчета полезной площади коммутационных плат
на ранних этапах проектирования 63
2.3. Аналитические зависимости для расчета метрических параметров электромагнитной совместимости электронных модулей 69
2.4. Аналитические зависимости для расчета максимального числа электромонтажных соединений, проходящих через кабельные каналы конструктивных модулей базовых несущих конструкций 72
2.5. Аналитические зависимости для расчета трудоемкости производства различных видов многоуровневого электромонтажа 80
2.6. Аналитические зависимости для расчета трудоемкости производства конструктивных модулей базовых несущих конструкций 85
3. Алгоритмическое обеспечение решения задач синтеза базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств автоматизированных систем управления 91
3.1. Общесистемный алгоритм синтеза с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости 91
3.2. Общесистемный алгоритм синтеза с учетом обеспечения требований механической прочности 96
3.3. Общесистемный алгоритм синтеза с учетом обеспечения требований нормального теплового режима 103
3.4. Общесистемный алгоритм многокритериального структурно-параметрического синтеза 109
4. Программное обеспечение и примеры решения задач синтеза базовых несуших конструкций радиоэлектронных средств автоматизированных систем управления 120
4.1. Построение программного обеспечения синтеза 120
4.2. Система базовых несущих конструкций 123
Заключение 130
Список литературы 135
- Исследование комплекса требований, предъявляемых к перспективным многоуровневым базовым несущим конструкциям
- Общесистемная математическая постановка задач структурно-параметрического синтеза базовых несущих конструкций
- Построение основных аналитических соотношений для единой общесистемной математической модели базовых несущих конструкций как сложных систем
- Аналитические зависимости для расчета метрических параметров электромагнитной совместимости электронных модулей
Введение к работе
В настоящее время решение множества комплексных проблем существенного ускорения социального и экономического развития страны непосредственно связано с радикальным повышением эффективности и темпов роста масштаба отечественного производства конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках изделий новой техники во всех отраслях промышленности. Одним из ключевых направлений успешного решения этих системных задач является интенсификация разработки и внедрения высокоэффективных больших распределенных автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. При этом главной задачей становится создание принципиально новых методов и средств проектирования этого особого и, в настоящее время, важнейшего и перспективного класса АСУ.
Мировая практика совершенствования АСУ различного назначения показывает, что эффективность внедрения достижений науки и техники, прежде всего в микроэлектронике, схемотехнике и технологии, в значительной степени зависит от их конструкторской реализации при создании радиоэлектронных средств (РЭС), которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ как по наиболее широкому диапазону выполняемых функций, так и по объему серийного производства. При этом существенные возможности повышения эффективности конструирования РЭС АСУ закладываются на этапе проектирования базовых несущих конструкций (БНК), которые занимают 15-20% объема электронных модулей (ЭМ) и РЭС как сложных систем в целом и составляют до 25% трудоемкости их производства. В своем развитии БНК претерпевали множество изменений и совершенствовались вместе со схемотехнической, конструктив- ной и технологической базами создания новых поколений РЭС и с расширением области внедрения, главным образом, больших распределенных и интегрированных АСУ специального и профессионального назначения в различных сферах человеческой деятельности.
Заниматься решением задач совершенствования БНК, которые являются сложными системами, необходимо уже на ранних стадиях проектирования РЭС. В этом проявляется системность подхода, позволяющая реализовать многие преимущества БНК как составной части РЭС и создать благоприятные условия для адаптации БНК к разрабатываемым ЭМ различного уровня иерархии.
В настоящее время БНК играют все более значительную роль в обеспечении ключевых требований качественного и надежного функционирования РЭС и создаваемых на их основе больших распределенных АСУ различного назначения. Например, на первый план выдвигается необходимость обеспечения требований высокой скорости и защищенности передаваемой информации, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима, снижения сроков и стоимости разработки и производства.
Анализ конструктивно-технологических характеристик и перспектив развития конструктивных модулей (КМ) систем БНК показал, что комплексное решение задач их проектирования и производства возможно только на основе разработки и внедрения методов и средств математического синтеза. Однако системному исследованию и разработке этой актуальной проблемы не уделялось достаточного внимания, что подтверждается малым количеством публикаций.
Актуальность исследования и решения задач математического синтеза оптимальных КМ БНК для системы структурных модулей РЭС при создании АСУ подтверждается также комплексом НИОКР, которые проводятся ведущими предприятиями и организациями в рамках программы Минобороны РФ «Разработка концепции комплексной унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий РЭС»; «Межотраслевой программы комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС», разработанной Российским агентством по системам управления; программы Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей»; федеральных программ Российского агентства по судостроению, Российского авиационно-космического агентства, утвержденных постановлениями Правительства РФ 17.05.96 г. №609, 21.12.99 г. №1404, 30.12.00 г. №1034 и другими.
Целью диссертации является разработка физико-математических моделей, алгоритмического и программного обеспечения структурного и параметрического синтеза системы БНК РЭС при построении АСУ различного назначения. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие основные задачи: системный анализ комплекса действующих факторов, определяющих специфику проектирования, подготовки производства и непосредственно производства многоуровневых БНК РЭС как сложных систем; построение целевой функции оптимизации и математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза БНК РЭС АСУ по совокупности практически необходимых показателей качества; разработка пригодных для алгоритмизации математических моделей, учитывающих зависимости между производственно-технологическими и структурно-геометрическими параметрами и показателями качества перспективных БНК ЭМ различного уровня иерархии РЭС АСУ; разработка экономичных алгоритмов структурного и параметри- ческого синтеза оптимальных БНК РЭС АСУ, учитывающих схемотехнические, конструктивные и технологические показатели качества; разработка и внедрение специального программного обеспечения синтеза оптимальных БНК РЭС с учетом реализации множества практически вероятных требований процессов проектирования, производства, эксплуатации и модернизации АСУ;
Теоретические исследования диссертационной работы строятся на основе методов анализа сложных систем, исследования операций, математического программирования и современных методов вычислительной математики. В работе используются элементы теории множеств, теории алгоритмов, а также общие вопросы теории и методов конструирования и технологии производства РЭС.
В диссертационной работе предложен, разработан и исследован новый класс методов и средств анализа и синтеза БНК как сложных систем, а также оптимизации их структуры и параметров с комплексным учетом реальных условий проектирования, подготовки производства, непосредственно производства и эксплуатации перспективных РЭС при создании больших распределенных АСУ различного назначения.
Принципиальный вклад в развитие комплексных исследований в области автоматизации проектирования и производства БНК РЭС АСУ составляют следующие новые научные результаты, полученные лично автором: предложены критерии, состав ограничений и переменных векторной оптимизации КМ различных иерархических уровней БНК и их совокупности; общая математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза системы оптимальных БНК, комплексно учитывающая практически важные требования всех этапов создания и эксплуатации пер- спективных АСУ; разработаны и выбраны математические модели, которые отражают реальные условия проектирования и изготовления БНК и позволяют рассчитывать трудоемкости проектирования, подготовки производства и изготовления модулей БНК различного уровня иерархии, а также оценивать в стоимостном выражении потери от неэффективного использования объема (площади) БНК при компоновке в них РЭС АСУ; разработаны принципы алгоритмизации и методика структурного и параметрического синтеза БНК на основе функционально-стоимостного анализа, позволяющие создавать БНК с максимальной функциональной емкостью при минимуме затрат на их изготовление с учетом схемотехнических, электромагнитных, теплофизических, механических, технологических и других практически вероятных ограничений; предложены и программно реализованы принципы организации специального программного обеспечения векторного синтеза оптимальных БНК как сложных технических систем; методы и результаты решения с помощью ЭВМ задач синтеза структуры и параметров БНК на основе разработанных и выбранных физико-математических моделей и алгоритмов.
На защиту выносятся следующие новые научные положения: методы, модели и алгоритмы векторной оптимизации структуры и параметров системы КМ БНК позволяют синтезировать компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса проектирования многоуровневых и многофункциональных РЭС за счет системного согласования функционально-экономического критерия оптимальности и технических показателей качества, комплексно учитывающих практически необходимые условия разработки, производства и эксплуатации РЭС и АСУ в целом; математическая постановка задач структурной и параметрической оптимизации КМ любого уровня иерархии и их совокупности, целевой функцией которой является минимизация компоновочных потерь объема (площади) системы БНК и затрат на их проектирование, подготовку производства и производство, создает возможность для проектирования высокоэффективных многоуровневых РЭС при построении перспективных АСУ различного назначения; комплекс разработанных и обоснованно выбранных экономико-математических и физико-математических моделей и методик для расчета, анализа и оптимизации стоимостных и конструктивных параметров и показателей качества перспективных БНК позволяет построить эффективные алгоритмы автоматизированного решения сформулированных задач синтеза, отличающихся высокой размерностью и недостаточностью априорной информации; общесистемные и частные алгоритмы синтеза КМ и системы БНК в целом, основанные на применении метода дискретного программирования - метода многократного отсечения по множеству разнородных и противоречивых критериев, ранжирования определяющих фиксируемых и управляемых параметров, эвристических приемов направленного перебора возможных вариантов и автоинтерактивного режима обработки информации, обеспечивают решение задач структурной и параметрической векторной оптимизации БНК за практически приемлемое время на современных ЭВМ; применение прогрессивных принципов построения специального программного обеспечения синтеза БНК с учетом организации функционального взаимодействия программных компонентов моделирования электромагнитных, теплофизических, механико-прочностных и других процессов позволяет практически реализовать действительно системный подход к оптимизации структуры и параметров БНК и, благодаря этому, существенно повысить экономическую эффективность, технический уровень и качество разработки и производства перспективных РЭС и АСУ.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании методов и средств автоматизированного структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных КМ системы БНК для перспективных РЭС АСУ различного назначения. Практические результаты работы используются при создании системы новых государственных стандартов в соответствии с «Межотраслевой программой комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС» Российского агентства по системам управления и программой Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей». Результаты работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, что подтверждается соответствующими актами.
Результаты диссертационной работы в виде разработанных и программно реализованных алгоритмов структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных БНК были использованы при создании ведущими предприятиями Российского агентства по системам управления унифицированной системы БНК для различных классов РЭС АСУ, соответствующей перспективным стандартам МЭК и не уступающей лучшим мировым аналогам. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения также используются в НИОКР, проводимых предприятиями Российского агентства по судостроению, Российского авиационно-космического агентства и других ведомств (ОАО «Авангард», г. Санкт-Петербург; ОАО «НПО «Прибор», г. Санкт-Петербург; ООО «НИИ «ЭлектроРадиоАвтоматика», г. Санкт-Петербург; ОАО «НПО «Такт», г. Пермь), что подтверждается соответствующими актами.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на 4-й и 8-й международных научно-практических конференциях «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Одесса, 2000 г. и г. Черкассы, 2004 г.); на 2-й, 5-й и 7-й международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2001, 2004 и 2006 г.г.).
По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 монография.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Текстовый материал изложен на 132 страницах. Работа содержит 7 таблиц и 11 рисунков. Список литературы включает 108 наименований отечественных и зарубежных публикаций.
В первом разделе на основе системных исследований тенденций развития БНК РЭС АСУ, разработанных отечественными и зарубежными предприятиями, сформулирована общесистемная математическая постановка задач структурно-параметрического синтеза БНК.
Во втором разделе предлагается комплекс разработанных математических моделей для расчета определяющих параметров КМ системы БНК РЭС АСУ.
В третьем разделе приведены основные разработанные общесистемные алгоритмы анализа и синтеза структуры и параметров БНК как сложных иерархических систем.
В четвертом разделе описаны конкретные результаты разработки и внедрения специального программного синтеза системы БНК РЭС АСУ.
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.
Исследование комплекса требований, предъявляемых к перспективным многоуровневым базовым несущим конструкциям
Первоочередной задачей в совершенствовании методов и свойств проектирования перспективных БНК является анализ их основных свойств и предъявляемых к ним требований на различных этапах жизненного цикла. При проектировании, производстве и эксплуатации БНК возникают многочисленные задачи, требующие знания характерных для них количественных и качественных закономерностей. Особенно большое значение имеет рассмотрение этих вопросов в контексте общей структуры БНК, взаимосвязи между ее элементами, совокупному взаимодействию элементов БНК с внешней средой и т.д. Только в результате подобного анализа можно выявить определяющие факторы, влияющие на принимаемые решения на этапе проектирования, сформулировать математическую постановку задачи автоматизированного многокритериального синтеза БНК и выбрать адекватную методику решения поставленной задачи. Рассматривая требования к БНК, ее свойства и множество состав МО \ (0 (0 0 )!,- г ляющих ее элементов С = jCj 9С2 ,....,С (CZL/, обеспечивающих наличие этих свойств в конструкции, можно утверждать следующее (см. рис. 1.1). Между элементами конструктивной системы перспективных БНК существует многообразие отношений в двух аспектах: статическом, заключающемся в количественной определенности конструкционных элементов и КМ БНК, и динамическом, характеризуемым пространственными, механическими и другими функциональными связями. Например, для любого КМ z-го уровня структурной иерархии БНК Проектирование БНК в целом подчинено достижению одной общей цели: обеспечению предъявляемой к конструкции совокупности требований. Однако, множество этих требований, в том числе противоречивых, обусловливает формирование при проектировании разных по уровню, как согласующихся между собой, так и конфликтных частных целей. Иллюстрацией этого положения может служить выбор КП, при котором исходя из условий обеспечения механической прочности необходимо уменьшать ее размеры, а исходя из условий обеспечения трассировки межсоединений ИЭТ необходимо увеличивать.
Существует объективная проблемная ситуация, заключающаяся в нецелесообразности проектирования БНК без ориентации на ее целостность, принципиальную сложность и единство со средой. При этом, наличие проблемной ситуации, так же как и своих определенных и ограниченных целей, характерно для каждого КМ БНК. Условия внешней среды, во взаимоотношениях с которой выражается целостность БНК, определяют существование ряда ограничений, которые должны быть учтены при проектировании, например, в выборе материалов и размеров конструкционных элементов. Таким образом, БНК присущи все признаки системного объекта [87-89], необходимость и достаточность возникновения и существования ко 22 торого характеризуется рассмотренными выше факторами. В соответствии с общей теорией систем эти факторы подразделяются на [16]: - системообразующие, включающие такие компоненты как свойства, для обеспечения которых создается и возникает система, и конструкция, обеспечивающая наличие этих свойств и включающая в себя элементы (или части) системы, а также статические и динамические отношения между элементами; - системопорождающие, в которые входят целевое состояние (цель) и системопорождающее противоречие (проблемная ситуация); - системообусловливающие, характеризуемые условиями внешней среды, которая накладывает на действия системы ограничения.
Более того, БНК присущи свойства сложных систем [16]: иерархичность структуры, взаимодействие с окружающей средой и стохастичность поведения. При этом, свойствами, перечисленными выше, обладает не только БНК в целом, но и ее КМ различного уровня структурной иерархии БНК различных классов РЭС. Отсюда можно сделать вывод о возможности и необходимости применения системного подхода для решения проблемы проектирования БНК.
Эффективность системного подхода для анализа существующих и синтеза перспективных БНК обусловлена тем фактом, что практически все БНК являются сложными системами. Современные иерархические системы КМ БНК представляют собой не одиночные изолированные объекты для механического размещения в них РЭС, а единую совокупность взаимосвязанных объектов, направленных на решение общей глобальной задачи, которую в общих чертах можно сформулировать следующим образом: размещение РЭС с обеспечением максимальной функциональной емкости и нормальных условий их работы при широком диапазоне изменения их количественного и качественного состава, при разнообразных условиях эксплуатации и при условии максимального снижения себестоимости изделий новой техники.
Здесь можно сформулировать системные свойства БНК, которые требуют внедрения системного подхода для их многокритериального автоматизированного синтеза. 1. Наличие большого числа взаимосвязанных между собой подсистем. Это системы обеспечения механической прочности, нормального теплового режима, коммутации и межмодульных связей, система обеспечения электромагнитной совместимости, система построения связанных типоразмерных рядов КМ различного уровня иерархии. Все эти подсистемы БНК решают свои задачи, которые необходимо выполнить для реализации упомянутой выше основной задачи, стоящей перед БНК как сложной системой. 2. Многомерность представляющей БНК математической модели, обусловливаемая наличием большого числа связей между системами. 3. Многокритериальное , обусловливаемая разнообразием целей отдельных подсистем, входящих в БНК как в сложную систему, а также разнообразием требований, предъявляемых к синтезируемым БНК, как со стороны входящих в нее подсистем, так и факторами производства и условиями эксплуатации. 4. Многообразие структуры БНК, обусловливаемое как разнообразием структур подсистем, так и разнообразием структур объединения подсистем в единую систему перспективных БНК. 5. Многообразие природы подсистем БНК, которое характеризуется их различной физической сущностью. 6. Взаимодействие с окружающей средой. Таким образом, присущие БНК свойства как сложной системы обусловливаются большой размерностью решаемых при их синтезе задач, их многокритериальностью, иерархичностью структуры БНК и наличием подсистем различной природы. При этом, хотя БНК и состоят из совокупности отдельных подсистем, но их функционирование подчинено общей цели для БНК как сложной системы: эффективному размещению и обеспечению надежной работы размещаемых в них РЭС.
Общесистемная математическая постановка задач структурно-параметрического синтеза базовых несущих конструкций
Во всех приведенных выше соотношениях: / - индекс вида подсистемы БНК; у - индекс номера элемента, принадлежащего синтезированной подсистеме БНК; q - индекс вида типоразмера синтезированного KM; к -уровень конструктивной иерархии синтезированного КМ. Таким образом, вектор входных параметров (X) в предлагаемой математической постановке задачи автоматизированного многокритериального синтеза БНК позволяет определять не только массо-геометрические параметры перспективных БНК и РЭС, создаваемых на их основе, но и оптимальные с точки зрения целевой функции (1.4) аппаратурные параметры. Например, оптимальное число контактов электросоединителей структурных модулей РЭС, число типоразмеров КМ каждого уровня конструктивной иерархии в синтезируемой системе БНК, паразитные индуктивность и емкость электромонтажных соединений, максимальные амплитуды токов и напряжений в этих соединениях, граничные частоты передаваемых межблочным соединениям сигналов для выбранных электросоединителей и кабельных изделий, допустимую мощность рассеивания теплоты РЭС в составе каждого КМ для заданных условий эксплуатации, диапазоны допустимых частот и вибраций для РЭС в составе синтезированных БНК для заданного варианта закрепления БНК РЭС.
Вектор ограничений [ZJ включает в себя не изменяющиеся в процессе синтеза функциональные, структурные, массо-геометрические и другие параметры, которые определяются, исходя из технических требований к БНК, и характеризуют условия проектирования и производства БНК РЭС. В частности, сюда входят ограничения дискретного типа на выбор значений синтезируемых параметров, заданных в виде множеств воз 40 можных допустимых значений этих параметров для каждой /-й подсистемы КМ #-го типоразмера к-го уровня конструктивной иерархии, обусловленных информационной, схемотехнической, конструктивной, технологической, материальной и производственной базами. Ограничения на каждый а 1-й размер синтезируемого (выбираемого) у -го элемента /-й подсистемы, входящего в состав КМ q-ro типоразмера к-го уровня конструктивной иерархии, заданы в виде двойного неравенства, определяющего возможный диапазон изменения соответствующего размера, который может изменяться п=0,1,2... раз с шагом приращения Л , выбираемым ис jals5 ходя из конструктивно-технологических факторов. В состав ограничений входят также ограничения на допустимые (k a i\hnn варианты способов построения подсистем БНК S /k,q,i) и способов связей между подсистемами в пределах выбранной структуры SS частности, варианты способов реализации элементов и связей для подсистемы механической прочности, нормального теплового режима, подсистемы электромонтажа, подсистемы обеспечения электромагнитной совместимости и подсистемы внутри и межуровневои коммутации. Например, в качестве элемента подсистемы обеспечения механической прочности в структуру построения КМ первого уровня конструктивной иерархии (лицевая панель - несущая рама - коммутационная плата - электромагнитный экран - электросоединитель - тепловые шины - краевые поля для прокладки жгутов с лепестками и скобами) входит несущая рама. Она может быть изготовлена литьем, из профилей или гнуто-сварной с такими компонентами как местные утолщения, ребра жесткости, крепежные (резьбовые, круглые, овальные, квадратные и прямоугольные) отверстия и т.д.
В систему ограничений, кроме ограничений на синтезируемые параметры и структуры подсистем, входит также группа параметров оценки качества, характеризующих надежное функционирование БНК и создаваемых на их основе РЭС. Особенностью параметров этой группы является, в общем случае, нецелесообразность их отклонения в допустимую сторону от установленных граничных значений, если это приводит к ухудшению значения целевой функции. Такими основными параметрами и критериями синтеза являются: - допустимые максимальные и минимальные значения размеров геометрических форм элементов; - допустимые максимальные значения прогибов, механических напряжений, деформаций и иных параметров, являющихся критичными с точки зрения обеспечения механической прочности БНК и размещаемых в них РЭС; - величины максимальных перегревов в пространстве синтезируемой системы КМ; - величины минимальной площади поперечного сечения проводников, максимальных толщин жгутов, числа проводников в жгутах, допустимого волнового и гальванического сопротивления связи, максимальных амплитуд токов и напряжений в проводниках и иные критичные параметры электромонтажа для обеспечения гальванических связей между РЭС, размещаемых в проектируемых модулях БНК; - величины максимально допустимой паразитной емкости, индуктивности, взаимоиндукции и иные критичные параметры, характеризующие предельно допустимые параметры электромагнитной совместимости РЭС, размещаемых в проектируемых БНК;
Построение основных аналитических соотношений для единой общесистемной математической модели базовых несущих конструкций как сложных систем
Для БНК характерна иерархическая структура построения, в которой КМ нижестоящих уровней размещаются в КМ вышестоящих уровней (рис.2.1). КМ различного уровня иерархии обладают свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости, поэтому между наружными размерами КМ нижестоящих уровней конструктивной иерархии и посадочными местами под их размещение в КМ вышестоящего уровня иерархии должно соблюдаться размерно-геометрическое соответствие. Для этого задаются габаритные размеры (ширина В, высота Н, глубина Ь) модуля БНК 3-го уровня конструктивной иерархии (стойка, шкаф). Исходя из возможных способов обеспечения нормального функционирования размещаемых ЭМ РЭС (например, обеспечения механической прочности, нормального теплового режима, электромагнитной совместимости), выбираются размеры его краевых полей соответственно по ширине, высо-те и глубине КМ (т зх, т з» т Зу т Зу tn 3z тп &). Тем самым определяется внутреннее пространство КМ вышестоящего уровня, предназначенное для размещения КМ нижестоящих уровней конструктивной иерархии (см. рис.2.2). Это пространство для обеспечения принципа размерно-геометрическое соответствия (см., например,[2-4,90,91]) должно быть Структурная схема построения стоечной БНК: 1 - кабельный канал; 2 - стойка; 3 - электросоединитель вставного каркаса; 4 - вставной каркас; 5 - блок; 6 - печатная плата (базовая); 7 - электросоединитель блока L0z+nrAz Схема построения типоразмеров КМ стойки на основе трехмерной метрической сетки разделено трехмерной сеткой, размеры которой по ширине, высоте и глубине определяются следующими соотношениями: вх(пГх)=в0х+А-"Г (2.1) D /„max\ тт / max\ T /Mmax\ где Х\У1Х ),12ууПу ),Lz\Jlz ) - расстояния, определяемые максимальным целым числом ячеек сетки, умещающимися по ширине . max. , max. - .max. D (Пх ), высоте {Yly ) и глубине (Ylz ) КМ соответственно; JJQX, HQV, LQZ- величины начального значения ячеек сетки по соответствующим координатам; Ax,Ay,Az - шаги приращения размеров ячеек сетки вдоль соответствующих координат. Габаритные и присоединительные размеры КМ /-го уровня конст руктивной иерархии для ЭМу-го типа Km(iJ) определяются как мини мально возможные из ряда значений, задаваемых метрической сеткой. Они диктуются необходимостью размещения в нем требуемой совокупности КМ /-7-го уровня конструктивной иерархии. Число КМ /-го уровня конст руктивной иерархии каждого у -го типоразмера Ng и номенклатура их типоразмеров определяется совокупностью ЭМ РЭС, планируемых к размещению в проектируемом КМ. При этом должны быть обеспечены требования полной трассировки электромонтажных соединений, механической прочности, нормального теплового режима, электромагнитной совместимости, минимальной себестоимости изготовления и многие другие требования, необходимые для обеспечения надежной работы размещаемых ЭМ РЭС. Для обеспечения достаточного разнообразия возможных объемов (площадей сторон) КМ БНК при минимальном числе сочетаний шагов приращений метрической сетки используют различные начальные значения длин сетки и шагов приращений по соответствующим координатам.
Перспективность проектирования систем КМ БНК РЭС на основе применения метрических сеток отражена отечественным и зарубежным опытом разработки БНК РЭС и содержанием отечественных и зарубежных стандартов (см.[1-4]), определяющих основные требования к разрабатываемым конструкционным системам. Рассмотрим обобщенную геометрическую модель КМ (см. рис.2.3). Модуль БНК /-го уровня конструктивной иерархии представляет собой прямоугольный параллелепипед с габаритными размерами V ,В1 и Н1, внутри которого присутствует множество прямоугольных областей Y (У)] с габаритами JL,- ,В: 9Н j для размещения КМ нижестоящих уровней. Кроме этого КМ обладает краевыми полями с размера / / / / / / ми Jilxj9Jflx2,JflyjiJ7iy29Jflzj,1?lz2 и межмодульными полями их, и у, uz. Следует отметить, что описанные элементы геометрической модели КМ БНК присутствуют на всех уровнях конструктивной иерархии. Таким образом, рассматриваемая геометрическая модель пригодна для описания КМ любого уровня иерархии многоуровневых БНК.
Аналитические зависимости для расчета метрических параметров электромагнитной совместимости электронных модулей
В условиях интенсивного развития РЭС особенно актуальной становится проблема обеспечения электромагнитной совместимости ЭМ на всех уровнях схемотехнической и конструктивной иерархии РЭС. Повышение актуальности проектирования РЭС, КП и БНК с более тщательной проработкой вопросов электромагнитной совместимости обусловлено тенденцией комплексной миниатюризации конструкций РЭС. При опережающем перспективном проектировании БНК РЭС разработчикам необходимо иметь в своем распоряжении математические модели, позволяющие прогнозировать исходные данные для синтеза БНК с оптимальными параметрами и структурой. К основным исходным данным, определяющим возможность конструкторской реализации требований электромагнитной совместимости, относятся следующие эмпирически оцениваемые параметры: -средние значения максимальных длин перекрытия проводников печатного и объемного электромонтажа (LJJ) в зависимости от длины наибольшей стороны КП О КП ) или Длины кабельного канала (Lj s ); -средние значения максимальных длин линий печатного и объемного электромонтажа (L ) в зависимости от длины наибольшей стороны КП (Ljqj ) или длины кабельного канала (LJCAE) Поэтому важной задачей конструкторского проектирования является получение статистически обоснованных и простых аналитических зависимостей для выявления указанных параметров, позволяющих использовать известные методики расчета электромагнитной совместимости РЭС (см. например, [8,11,17,18,25,34,52,56,66,80]) при создании перспективных БНК. Статистически обоснованные аналитические зависимости между максимальной величиной перекрытия проводников Ьц и размерами Lyjl и Lj(A получены в работе [74]. Зависимости значений максимальных длин линий печатного и объемного электромонтажа Lmax от длины наибольшей стороны КП LJQJ или длины кабельного канала Lj( получены в работе [80]. Результаты проведенных автором статистических исследований ЭМ РЭС позволили принять как практически приемлемые следующие линейные зависимости: для электромонтажа микросхем (микросборок) на КП блоков (КМ первого уровня конструктивной иерархии) Anax = 63L (2-28) Ln=0,58L, (2.29) для электромонтажа электросоединителей на кроссплатах секций (КМ второго уровня конструктивной иерархии) Цовк=0,821; (2.30) Ln=0,69L, (2.31) для проводного межсекционного электромонтажа в стойках (КМ третьего уровня конструктивной иерархии) — 4nax=0, Z; (2.32) Ln=0,78L. (2.33) В соотношениях (2.28) - (2.33) L- размер наибольшей из сторон монтажного поля КП, кроссплаты или максимальная длина кабельного канала; Lmax- среднестатистическое значение максимальной длины линии печатного или проводного электромонтажа; Ьц- среднестатистическое значение максимальных длин перекрытий проводников печатного или проводного электромонтажа. Полученные зависимости (2.28) - (2.33) могут использоваться для предварительного расчета параметров электромагнитной совместимости на этапе разработки стоечных БНК РЭС. Кроме этого, указанные зависимости удобны для применения при автоматизированном проектировании перспективных БНК для оценки возможности обеспечения требований статистической и динамической помехоустойчивости применяемой элементной базы и структурных модулей РЭС всех уровней конструктивной иерархии. 2.4. Аналитические зависимости для расчета максимального числа электромонтажных соединений, проходящих через кабельные каналы конструктивных модулей базовых несущих конструкций
Решение проблемы увеличения функциональной емкости БНК РЭС стоечного исполнения непосредственно связано с расчетом оптимальных геометрических размеров электромонтажных отсеков (кабельных каналов) КМ различного уровня конструктивной иерархии РЭС. При этом следует учитывать технологию исполнения электромонтажных соединений [81, 84]: жгутового, гибкими печатными кабелями, накруткой, с применением кроссплат, комбинированного и других. Геометрические размеры электромонтажных отсеков КМ БНК определяются исходя из требуемой площади поперечного сечения этих отсеков. Она должна быть минимально достаточной для размещения всех электромонтажных связей, которые проходят через кабельные каналы. В свою очередь, требуемая площадь поперечного сечения электромонтажных отсеков зависит от числа электромонтажный связей, проходящих через нее и геометрических характеристик кабельных изделий, при помощи которых эти связи реализованы. Однако, в любом случае, отправной точкой для проведения подобных расчетов служит максимальное число электромонтажных соединений, проходящих через поперечное сечение электромонтажного отсека. Согласно существующим конструктивным схемам построения многоуровневых стоечных БНК электромонтажные отсеки характерны для КМ 2-го (секция, вставной каркас) и 3-го (стойка, шкаф) уровней конструктивной иерархии. В секции электромонтажный отсек представлен зоной размещения электромонтажа, а в стойке - кабельными каналами. В данном параграфе выводятся и статистически обосновываются пригодные для практического применения простые аналитические зави 73 симости, обеспечивающие расчет и прогнозирование среднего значения максимального числа электромонтажных соединений, проходящих через поперечное сечение зоны электромонтажа секций стоечных РЭС связи (модулей 2-го уровня конструктивной иерархии РЭС) и через поперечное сечение кабельного канала стойки (модулей 3-го уровня конструктивной иерархии РЭС). Для КМ 2-го уровня конструктивной иерархии (секции) исходный статистический материал представлял собой выборку значений максимального числа электромонтажных соединений, проходящих через поперечное сечение зоны электромонтажа секций и кабельных каналов стойки и суммарного числа задействованных контактов электросоединителей всех блоков, устанавливаемых в каждой исследуемой секции РЭС. При этом общий объем выборки содержал параметры более 500 секций различных классов РЭС, разработанных в течение последних 10 лет. Для КМ 3-го уровня конструктивной иерархии (стойки) статистический материал представлял собой выборку значений максимального числа электромонтажных соединений, проходящих через поперечное сечение кабельных каналов стоечных РЭС и суммарного числа задействованных контактов электросоединителей всех секций, устанавливаемых в каждой исследуемой РЭС стоечного исполнения. При этом общий объем выборки содержал параметры более 50 РЭС стоечного исполнения, разработанных в течение последних 10 лет.
