Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проектирования низковольтных комплектных устройств и постановка задач исследования 16
1.1. Проблемы проектирования низковольтных комплектных устройств с учетом дестабилизирующих факторов 16
1.2. Анализ современных программных комплексов, используемых для проектирования низковольтных комплектных устройств 19
1.3. Исследование методов и математических моделей для анализа низковольтных комплектных устройств 30
1.4. Основные задачи исследования 54
1.5. Выводы по главе 1 57
ГЛАВА 2. Разработка математических моделей и метода проектирования низковольтных комплектных устройств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов 58
2.1. Структура процесса проектирования низковольтных комплектных устройств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов 58
2.2. Моделирование и оптимизация низковольтных комплектных устройств при гармонической вибрации 69
2.3. Моделирование и оптимизация низковольтных комплектных устройств при ударе и линейном ускорении 83
2.4. Моделирование и оптимизация конструкций низковольтных комплектных устройств при случайном воздействии 84
2.5. Моделирование и оптимизация конструкций низковольтных комплектных устройств при акустическом воздействии 85
2.6. Моделирование и оптимизация конструкций низковольтных комплектных устройств при тепловом воздействии 86
2.7. Разработка метода проектирования низковольтных комплектных устройств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов 111
2.8. Получение функций параметрической чувствительности 120
2.9. Выводы по главе 2 122
ГЛАВА 3. Разработка автоматизированной подсистемы анализа низковольтных комплектных устройств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов 123
3.1. Организация и структура автоматизированной подсистемы «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» 123
3.2. Структура входных и выходных данных подсистемы «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» 128
3.3. Алгоритм автоматического синтеза моделей тепловых и механических процессов низковольтных комплектных устройств 132
3.4. Методика идентификации параметров тепловых и механических моделей низковольтных комплектных устройств 153
3.5. Выводы по главе 3 160
ГЛАВА 4. Разработка методики анализа и обеспечения стойкости низковольтных комплектных устройств к воздействию дестабилизирующих факторов 161
4.1. Структура методики анализа и обеспечения стойкости низковольтных комплектных устройств к воздействию дестабилизирующих факторов 161
4.2. Экспериментальная проверка разработанных моделей и методики 186
4.3. Методика обучения работе с подсистемой при проведении научно-
исследовательских работ 191
4.4. Выводы по главе 4 193
Заключение 194
Список использованных источников 197
Приложения
- Проблемы проектирования низковольтных комплектных устройств с учетом дестабилизирующих факторов
- Исследование методов и математических моделей для анализа низковольтных комплектных устройств
- Моделирование и оптимизация низковольтных комплектных устройств при гармонической вибрации
- Организация и структура автоматизированной подсистемы «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ»
Введение к работе
Низковольтные комплектные устройства (НКУ) применяются для управления, распределения, трансформации, защиты, измерения и сигнализации. НКУ являются неотъемлемыми составными частями структуры всех современных электротехнических систем и комплексов промышленных и сельскохозяйственных предприятий, транспортных средств, аэрокосмической техники, морских и речных судов, служебных и жилых зданий, специальной техники и т.п., в связи с чем, они должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование в широком диапазоне внешних воздействий. Все большее число НКУ применяются индивидуального исполнения. Документация НКУ, по которой заводом изготавливается изделие, полностью соответствует документации потребителя (организации разработчика) этих НКУ в отношении: состава аппаратов; приборов устройств; схем электрических соединений, а также габаритов, маркировки, расположения блоков зажимов. В процессе эксплуатации НКУ подвергаются интенсивному воздействию климатических, тепловых, механических и прочих факторов.
Жесткие условия эксплуатации сильно влияют на работоспособность и надежность работы НКУ. Подавляющее большинство отказов НКУ связано с механическими воздействиями, которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций - ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы системы электроснабжения (СЭС). Кроме того, к нарушениям прочности часто приводит накопление усталостных повреждений в материале конструкции и его разрушение. Отказы, связанные с потерей механической прочности, выявляются на завершающих этапах разработки, и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что, в конечном итоге, сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ.
5 Во многих организациях разработчики НКУ затрачивают на
проектирование до 5-7 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки
создания опытных образцов, освоение их серийного выпуска и первые годы
эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых
является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок как
к простым, так и к системным отказам, а также самих системных отказов
(обуславливаются комплексным воздействием дестабилизирующих факторов).
Причины такого положения лежат в недостатках процессов проектирования и
отработки создаваемых образцов, связанных, в первую очередь, с
недостаточным уровнем развития автоматизированных методов
проектирования, базирующихся на комплексном (учет наиболее существенных
взаимных связей) математическом моделировании разнородных физических
процессов в электротехнических системах и интегрирующихся с методологией
современных информационных технологий проектирования наукоемкой
продукции - СЖ-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support),
реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного
цикла изделия.
Применение компьютерного моделирования механических процессов, протекающих при эксплуатации электротехнических систем, позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций НКУ и уменьшить себестоимость и время проектирования.
Актуальность моделирования на механические воздействия возрастает с каждым днем, так как, с одной стороны, повышается интенсивность механических воздействий, а, с другой стороны, сокращается время, отводимое разработчику на проектирование.
Одной из особенностей НКУ является наличие в них тепловыделяющих элементов, температура которых, при большой мощности, может достигать достаточно высоких значений, оказывая влияние и на механические характеристики конструкций, поскольку от температуры зависят такие физико-
механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь (логарифмический декремент затухания колебаний), предел усталости. Отсюда следует, что моделирование НКУ при механических воздействиях необходимо производить с учетом тепловых характеристик.
Компьютерное моделирование тепловых и механических процессов в НКУ требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в печатных узлах (ПУ) тысяч электрорадиоизделий (ЭРИ), тепловые и механические характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексного характера приложения тепловых и механических воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.
Существующие специализированные программы моделирования тепловых и механических процессов в НКУ не учитывают всех вышеизложенных факторов, недостаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкциях НКУ, не позволяют построить всю иерархию конструкций НКУ от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии НКУ, например, от блока к ПУ.
Для моделирования тепловых и механических процессов в несущих конструкциях НКУ применяются следующие универсальные САЕ-системы: NASTRAN, COSMOS-M, MARC, ANSYS и т.д.
Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области тепла и прочности, неразбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому данным специалистам требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем возникает множество итераций по согласованию результатов моделирования
7 между проктировщиком и разработчиком. За это время разработчик при
наличии удобного инструмента мог уже перебрать множество вариантов,
работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от
подобной практики и передать вопросы моделирования разработчику. Однако
для этого разработчик помимо пользовательских навыков работы с
универсальной системой автоматизированного моделирования (САЕ-система)
должен обладать глубокими теоретическими знаниями в области математики
метода конечных элементов и физики протекания механических процессов в
конструкциях НКУ. Подготовка такого специалиста, сочетающего в себе
знания конструктора, аналитика-проектировщика и пользователя САЕ-
системой, требует значительных временных и финансовых затрат, что,
учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в
современных условиях, неэффективно. Однако даже наличие
высококвалифицированного разработчика не решает проблемы моделирования
тепловых и механических процессов в конструкциях НКУ. Использование
компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную
модель несущей конструкции, провести сбор входных данных, осуществить
ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель САЕ-системы,
произвести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным
результатам. В результате время, потраченное на моделирование изделия,
может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить, что
большую часть времени, потраченного на моделирование, занимает ввод
конструкции НКУ в САЕ-систему и анализ результатов моделирования.
Выход из сложившегося положения заключается в разработке специализированных средств компьютерной графики, позволяющих разработчику НКУ в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.
Решением задачи моделирования тепловых и механических процессов в
8 конструкциях НКУ занимались такие специалисты как Крищук В.Н., Шалумов
А.С, Фадеев О.А. и другие. Но в данных работах детально не рассматривались
вопросы повышения эффективности моделирования конструкций НКУ
средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных
и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями
по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской
базы.
Таким образом, исследования, проведенные в диссертации, показали, что в настоящее время информационная технология проектирования НКУ с учетом дестабилизирующих тепловых и механических факторов развита недостаточно. Не выполняются требования, указанные выше, или выполняются не полностью, а главное - отсутствует необходимая для практической реализации данной информационной технологии проблемно-ориентированная система. Другими словами, актуальной является разработка и внедрение автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов на базе нового метода проектирования НКУ.
Целью работы является создание нового метода проектирования НКУ, соответствующих требованиям нормативных документов, с учетом тепловых и механических воздействий, сокращающего сроки проектирования НКУ и стоимость их разработки.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
Исследование особенностей НКУ и условий их эксплуатации с учетом дестабилизирующих факторов.
Исследование и классификация доступных систем автоматизированного проектирования (САПР).
Исследование и анализ информационных потоков, возникающих в процессе конструкторско-технологического проектирования НКУ.
Разработка структуры комплексной электронной модели НКУ с
9 учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей физических
процессов, протекающих в НКУ.
С этой целью необходимо провести исследование информационных
потоков, возникающих в процессе кон структорско-технологического
проектирования и математического анализа НКУ. Выделить макромодели
физических процессов, протекающих в НКУ, и систематизировать их
параметры. Осуществить интеграцию макромоделей отдельных физических
процессов в рамках комплексной электронной модели с определением
взаимосвязей между ними посредством метода обмена данными в соответствии
с принципами стандарта STEP.
Разработка методики обмена данными между компонентами комплексной электронной модели НКУ.
Построение структуры сквозной интегрированной САПР с учетом дестабилизирующих факторов на базе комплексной электронной модели НКУ.
Разработка методики автоматизированного сквозного проектирования и анализа НКУ с учетом дестабилизирующих факторов, базирующейся на созданной комплексной электронной модели НКУ.
Для решения поставленных задач используется теория системного анализа, прикладной механики, методы вычислительной математики и компьютерной графики.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы.
В первой главе исследованы особенности НКУ с точки зрения их проектирования и эксплуатации. Показано, что НКУ, как объект проектирования, представляет собой сложную как в схемотехническом, конструкторско-технологическом, так и в плане надежности, систему, подвергающуюся широкому спектру воздействий дестабилизирующих факторов. Для НКУ характерно протекание нескольких взаимосвязанных физических процессов, характер протекания и взаимодействия которых в
10 значительной степени определяет показатели технического уровня.
Выполнен анализ современных программных средств, используемых в процессе разработки НКУ. Показано, что большинство программных средств не имеет свойств, учитывающих наиболее важные особенности построения и эксплуатации НКУ. Кроме этого, показано, что в программных средств отсутствуют интегрированные среды, позволяющие вести разработку НКУ с использованием комплексной электронной модели, отражающей методологию их разработки.
Во второй главе разработаны математические модели конструкций НКУ при воздействии гармонической и случайной вибрации, ударов, линейных ускорений и акустических шумов, которые в отличие от существующих учитывают нелинейный характер изменения демпфирующих характеристик конструкционных материалов НКУ. Разработаны математические модели конструкций НКУ при тепловом воздействии, которые в отличие от существующих позволяют построить комплексную электронную модель НКУ с учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей тепловых и механических процессов, протекающих в НКУ.
Для решения многомерных задач безусловной оптимизации конструкций НКУ выбран метод Нелдера-Мида (метод прямого поиска) как наиболее эффективный с точки зрения быстродействия.
Предложен новый вид целевой функции, представляющей собой интегральное отклонение механических характеристик от их допустимых значений с учетом случайного характера разброса параметров, и возможностью снижения массы конструкции при обеспечении требований НТД по механическим характеристикам.
Разработан метод проектирования НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, отличающийся от существующих возможностью обоснованно осуществлять при проектировании параметрический и структурный синтез конструкции, стойкой к механическим
и тепловым воздействиям.
Получены функции параметрической чувствительности для определения путей наиболее рационального изменения конструкций НКУ с целью обеспечения тепловых и механических характеристик ЭРИ.
В третьей главе разработана структура автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» на базе комплексной электронной модели НКУ, отличающаяся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования тепловых и механических процессов в конструкциях НКУ в конечно-элементной среде и обеспечивающая удобный проектировщику НКУ язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода.
Осуществлена интеграция макромоделей отдельных физических процессов в рамках комплексной электронной модели с определением взаимосвязей между ними посредством метода обмена данными в соответствии с принципами стандарта STEP.
Разработаны алгоритмы автоматического синтеза моделей тепловых и механических процессов НКУ, позволяющие проектировщику оперативно осуществлять ввод и редактирование.
Разработана методика идентификации параметров тепловых и механических моделей НКУ, позволяющая получить необходимые теплофизические и физико-механические параметры моделей тепловых и механических процессов НКУ.
В четвёртой главе разработана методика анализа и обеспечения стойкости НКУ к воздействию дестабилизирующих факторов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости НКУ к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам.
12 Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на
адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению
технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям
нормативно-технической документации по тепловым и механическим
характеристикам, сокращению сроков и стоимости их создания за счет
формирования нового метода проектирования НКУ.
Разработанная методика предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций НКУ и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, в общем, по сравнению с использованием универсальной САЕ-системы, составляет до 95% на ввод и редактирование конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя.
Рассмотрены примеры применения разработанной методики и проведена экспериментальная проверка разработанных моделей и метода.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке:
Имитационных и математических моделей конструкций НКУ с учетом гармонической и случайной вибрации, ударов, линейных ускорений и акустических шумов, которые в отличие от существующих учитывают нелинейный характер изменения демпфирующих характеристик конструкционных материалов НКУ, и математических моделей конструкций НКУ при тепловом воздействии, которые в отличие от существующих позволяют построить комплексную модель НКУ с учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей тепловых и механических процессов, протекающих в НКУ, а также структуры комплексной модели НКУ с учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей физических процессов, протекающих в НКУ на принципах СALS-технологии.
Метода проектирования НКУ с учетом дестабилизирующих факторов, отличающегося от существующих возможностью обоснованно осуществлять
13 при проектировании параметрический и структурный синтез конструкции,
стойкий к механическим и тепловым воздействиям.
Структуры автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» на базе комплексной модели НКУ, отличающейся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования тепловых и механических процессов в конструкциях НКУ в конечно-элементной среде и обеспечивающей удобный проектировщику НКУ язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода.
Методики анализа и обеспечения стойкости НКУ к воздействию дестабилизирующих факторов, позволяющей в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости НКУ к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам.
Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданных методических и программных средств позволяет повысить эффективность моделирования и проектирования НКУ, обеспечить более высокие показатели технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам, сократить сроки и стоимость их создания за счет созданного нового метода проектирования НКУ.
Для освоения разработанного программного и методического обеспечения требуется не более 8 рабочих дней, в то время как освоение универсальных САЕ-систем требует несколько месяцев и более.
Разработанные в диссертации модели, метод, алгоритмы, подсистема, методики внедрены в практику проектирования Особого конструкторского бюро Ижевского радиозавода (г. Ижевск) (Приложение 1) и Производственно-
14 Торгового Предприятия «Электромонтаж-Экспорт» (г. Варшава) (Приложение
2).
Основные результаты диссертационной работы были доложены на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2005 г.); на I Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г. Пенза, 2005 г.); на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (г. Москва, 2004 г.); на VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 2003 г.); на Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2003 г.); на XIX Международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики» (г. Йошкар-Ола, 2002 г.).
Практическая реализация результатов диссертационной работы в виде автоматизированной подсистемы анализа НКУ с учетом дестабилизирующих факторов «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» была представлена на:
V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 2005 г.)
IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-НАУКА 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО (г. Москва);
Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004 (г. Москва).
На V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций, который проходил 15 - 18 февраля 2005 г. во Всероссийском выставочном центре данная работа в конкурсе инновационных проектов получила
*
15 серебряную медаль.
По материалам диссертационных исследований опубликовано 5 научных
работ.
Проблемы проектирования низковольтных комплектных устройств с учетом дестабилизирующих факторов
НКУ применяются для управления, распределения, трансформации, защиты, измерения и сигнализации. НКУ являются неотъемлемыми составными частями структуры всех современных электротехнических систем и комплексов промышленных и сельскохозяйственных предприятий, транспортных средств, аэрокосмической техники, морских и речных судов, служебных и жилых зданий, специальной техники и т.п., в связи с чем, они должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование в широком диапазоне внешних воздействий [1, 45, 73-75, 80].
В процессе эксплуатации НКУ подвергаются интенсивному воздействию климатических, тепловых, механических и прочих факторов [13-19].
Одной из особенностей НКУ является наличие в них тепловыделяющих элементов, температура которых, при большой мощности, может достигать сотни и более градусов, оказывая влияние и на механические характеристики конструкций, поскольку от температуры зависят такие физико-механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь (логарифмический декремент затухания колебаний), предел усталости. Отсюда необходимо сделать вывод, что моделирование НКУ при механических воздействиях надлежит производить с учетом тепловых характеристик.
Процессу внедрения компьютерного моделирования в практику проектирования НКУ препятствуют несколько факторов. Один из них - это высокие требования к пользователю программ моделирования. Освоение современных программ компьютерного моделирования, учитывая их многофункциональность, в малые сроки практически невозможно. Трата значительного объема времени на освоение программы моделирования, которая не является основным видом деятельности разработчика, с целью сокращения трудоемкости работ проектирования не окупаема и не целесообразна. Знание интерфейса программы моделирования еще не гарантирует получение адекватного результата. В дополнение к пользовательским навыкам необходимо добавить глубокие теоретические знания в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в конструкциях НКУ. Реализация решения различных прочностных и тепловых задач относительно легко доступна для пользователя, сочетающего в себе знания математики и физики соответствующих процессов. Для человека, не обладающего такими знаниями, выполнение данных задач, как показывает опыт, затруднительно. Таким образом, для успешного применения программ моделирования необходимо потратить время и деньги на обучение будущих специалистов, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров, в современных условиях неэффективно. Кроме этого, необходимо время для того, чтобы специалист набрал необходимый опыт, который позволит ему понять, что можно получить средствами моделирования, а что невозможно, уметь сопоставлять реальный опыт с виртуальным представлением механического процесса.
Однако даже наличие высококвалифицированного разработчика, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя программой для анализа прочности не разрешает проблемы эффективного моделирования механических процессов в конструкциях НКУ. Использование компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную модель исследуемого объекта, провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель, произвести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным результатам. В результате время, потраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование [7, 11, 72]. Постоянное расширение сферы применения НКУ, новые условия эксплуатации, новые требования заказчиков приводят к необходимости пересмотра сложившихся приемов проектирования и к разработке принципиально новых конструкций. В этот ответственный период системы моделирования позволяют уменьшить объем экспериментальных работ, сокращая сроки разработок и уменьшая их стоимость, получать конструкции с высокими показателями надежности. Для этого каждая новая идея, каждое новое конструкторское решение должно вначале проверяться с помощью системы моделирования, и только после этого, если проверка дала положительный результат, можно переходить к изготовлению опытных образцов и проводить натурные испытания. В связи с этим встает задача моделирования и разработки новых моделей конструкций НКУ, решение которой даст разработчику возможность в краткие сроки и с минимальными затратами внедрять в эксплуатацию новые разработки НКУ.
Таким образом, на основе вышеизложенного, можно сделать вывод о возрастающей актуальности проблемы моделирования механических процессов в НКУ при проектировании.
Исследование методов и математических моделей для анализа низковольтных комплектных устройств
Развитие сложных электротехнических систем с применением интегральных микросхем и микросборок, значительные затраты на этапах их проектирования и изготовления вызвали необходимость осуществления типизации конструкций электронных модулей при создании НКУ. В этих условиях важное значение приобретают вопросы унификации и стандартизации конструкций НКУ, которые позволяют сократить затраты на их проектирование, изготовление и эксплуатацию [56]. Решение задач внутривидовой и межвидовой унификации и стандартизации в сочетании с внедрением базовых конструкций позволяет существенно увеличить количество однотипных модулей аппаратуры, обеспечивая возможность применения САПР и изготовления аппаратуры.
Необходимость сокращения количества типов конструкций, их унификация как способ повышения технологичности и эффективности производства аппаратуры определили актуальность, цели и задачи разработки системы унифицированных базовых несущих конструкций электронных модулей первого-третьего уровней, тем более, что 80% модулей различной аппаратуры размещается в ПУ, блоках, стойках, шкафах. Из сказанного следует, что модульность построения аппаратуры может быть положена в основу декомпозиции конструкций НКУ и использована для повышения эффективности математического моделирования механических процессов в конструкциях НКУ.
Кроме того, каждый модуль (типовая конструкция) - шкаф, стойка, блок, ПУ, радиоэлемент (РЭ) - сам может быть представлен в виде совокупности базовых конструктивных элементов, каковыми в общем случае являются пластина, стержень, виброизоляторы. Полученная путем декомпозиции модель отдельного модуля последовательно редуцируется к упрощенным моделям меньшей сложности (макромоделям). Эта процедура предполагает исключение не влияющих или слабо влияющих на результаты исследований и расчетов составляющих математической модели. Решение данной задачи базируется на экспериментальных исследованиях и параметрической идентификации.
Для моделирования механических процессов необходимо решать дифференциальные краевые задачи. Изначально был принят следующий подход: «В каждом конкретном случае приходится выбирать подходящий аналитический способ и, если такого не окажется, то переходить к одному из дискретных способов» [51]. Аналитические методы дают следующие преимущества: 1) значительный выигрыш по времени, особенно при случайных воздействиях (в связи с использованием, как будет сказано далее, метода Монте-Карло) и при расчете выводов РЭ (в связи с большим количеством элементов); 2) возможность предварительного расчета коэффициентов механических потерь (КМП) по полученным формулам. Для сеточной модели нельзя заранее получить КМП, и это приводит к большому числу итераций при расчете ускорений на каждом шаге по времени или частоте.
Однако аналитическое решение жестко привязано к варианту крепления. Усложнение объектов проектирования резко сужает область применения аналитических методов моделирования механических процессов в конструкциях НКУ [77]. Разработанный В.А. Рвачевым аналитический метод решения задач механики [65] не получил распространения в связи со сложностью получаемых формул. Указанных недостатков лишены решения на основе сеточных методов: метода конечных разностей (МКР), метода конечных элементов (МКЭ), метода граничных элементов, метода суперэлементов. В настоящее время МКР и МКЭ являются наиболее распространенными методами, используемыми в научно-технических и инженерных расчетах при исследовании полей различной физической природы. С точки зрения теоретических оценок точности методы обладают примерно равными возможностями [34, 68, 83]. Оба метода имеют погрешности аппроксимации. В МКР строятся, как правило, регулярные сетки, особенности геометрии области учитываются только в околограничных узлах.
В связи с этим МКР чаще применяется для анализа задач с прямолинейными границами областей определения функций. В МКЭ разбиение на элементы производится с учетом геометрических особенностей области. Поэтому МКЭ наиболее часто используется для решения задач с произвольной областью определения функций, таких, как расчет на прочность деталей и узлов строительных конструкций, авиационных и космических аппаратов, тепловой расчет двигателей и т.д. Так как все типовые конструкции, рассматриваемые в диссертации, имеют прямолинейные границы, и, учитывая, что для таких конструкций при одинаковой с МКР точностью применение МКЭ представляется весьма неэкономичным по времени расчета на ЭВМ [83], в качестве сеточного метода был выбран МКР.
Одним из наиболее важных моментов в постановке задач анализа механических характеристик конструкций является задание в модели граничных условий, определяющих способ и характер закрепления конструкции к объекту. Этот вопрос, применительно к решению систем уравнений, описывающих динамику модели, рассмотрен в главе 2. Здесь же остановимся на некоторых физических аспектах вопроса. Использование физических представлений весьма эффективно при задании граничных условий.
Моделирование и оптимизация низковольтных комплектных устройств при гармонической вибрации
Здесь [м] - матрица масс системы; (и"} - вектор узловых ускорений; [с] - матрица сопротивлений системы; (и } - вектор узловых скоростей; [к] -матрица жесткостей системы; {и} - вектор узловых перемещений. Как можно видеть из таблицы, каждому этапу моделирования конструкции НКУ соответствует формализованный входной файл ANSYS (приведен с сокращениями). При этом данные, введенные с помощью специализированных графических интерфейсов, составляют информационную модель, преобразуются в параметры разработанной топологической и соответствующей ей математической моделей.
Согласно предлагаемой схеме моделирования на основе сформированной в специализированном графическом интерфейсе информационной модели конструкции НКУ формируется главный макрос, который передается в САЕ-систему для проведения расчета. Данный макрос содержит топологическое описание модели механического процесса на языке САЕ-системы. При построении модели в САЕ-системе необходимо провести разбиение геометрии конструкции на конечно-элементную сетку. Результат выполнения этой операции влияет на время расчета и точность. Для получения адекватных результатов при приемлемом времени расчета требуется подобрать оптимальные параметры разбиения геометрии.
С одной стороны, точность результатов при моделировании сильно зависит от плотности конечно-элементной сетки. С другой стороны, при увеличении количества конечных элементов значительно возрастают требования к системным ресурсам ЭВМ. Даже при использовании современных персональных компьютеров расчет модели, разбитой на 20-30 тысяч конечных элементов, займет несколько часов. Для обеспечения достаточной точности при приемлемом времени расчета необходимо производить разбиение модели на конечные элементы с неравномерным шагом сетки.
Обычно «сгущение» сетки производится в местах сильного изменения геометрии (рис. 2.4). Однако, в соответствии с уровнем детализации моделей конструкций НКУ, достаточном для ранних этапов проектирования, нет необходимости учета элементов усложнения геометрии, поэтому нет необходимости разработки рекомендаций по заданию параметров «сгущения» сетки.
Но, «сгущение» сетки необходимо обеспечить в местах прикрепления корпуса блока или шкафа к объекту и в местах креплений ПУ, разъемов и шпилек к корпусу блока (рис. 2.5). Кроме того, обычно, как показывает практика, именно в этих местах наблюдаются наибольшие напряжения. ANSYS позволяет производить экспоненциальное «сгущение» сетки конечных элементов, необходимо лишь указать необходимые для этого места. Для ручного «сгущения» необходимо просто задать конструктивный элемент (отверстие, разъем, ребро жесткости и т.п.), вокруг которого необходимо «сгущение» сетки. Возможно задать автоматическое изменение шага сетки, но практика показывает, что в большинстве случаев такое разбиение не приводит к требуемому результату.
Требование от разработчика НКУ (пользователя программы моделирования) ручного задания параметров изменения шага сетки, даже в рамках специализированного графического интерфейса, приведет к увеличению времени ввода несущей конструкции, а главное повысит влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования. Задание мелкой сетки на всю конструкцию в целом приведет к резкому увеличению размерности задачи и времени расчета, задание крупной сетки - сильно понизит точность результатов.
В работе предлагается следующий подход к заданию сетки разбиения модели на конечные элементы: задается средний размер грани дискрета для группы конструктивно близких элементов конструкции. Например, для шкафа задается средний размер грани дискрета отдельно для корпуса, отдельно для направляющих, отдельно для ПУ и остальных конструктивных элементов, то есть всего три параметра.
Средний размер грани дискрета для корпуса блока или шкафа определяется как среднее арифметическое длины (Lx), ширины (Ly) и высоты (Lz), для направляющих и ПУ - среднее арифметическое двух наибольших измерений (без толщины). Затем полученное значение необходимо разделить на число, зависящее от желаемой точности расчета: для приближенного расчета- 7; для расчета средней точности - 12; для точного расчета - 17. Что касается предполагаемого времени расчета, то оно зависит от многих факторов, и в первую очередь, от самой конструкции. В виду того, что каждая конструкция уникальна, сначала строят зависимость времени расчета от среднего размера грани дискрета на одной частоте или при одном значении времени. Затем при проведении моделирования предполагаемое время расчета можно рассчитать в зависимости от размера шага по частоте или времени, а также предполагаемого количества итераций при проведении оптимизации или иденти фикации.
Расчеты, показали, что разработанные рекомендации по выбору сетки разбиения не приводят к повышению размерности задачи и вполне соответствуют требуемому уровню детализации моделей для ранних этапов проектирования. Рассмотрим формирование модели механического процесса для моделирования печатных узлов НКУ на комплексные тепловые и механические воздействия.
При анализе вибрационных процессов в конструкциях НКУ широкое распространение получил подход к формализации процессов поперечных колебаний в плоских конструкциях, основанный на гипотезе прямых нормалей. Гипотеза гласит, что все прямые, нормальные к срединной поверхности пластины до деформации, остаются таковыми и в процессе деформирования. Применение данной гипотезы позволяет исключить из модели координату, характеризующую толщину пластины, так как, согласно этой гипотезе, происходит распределение перемещений по толщине пластины по линейному закону. Исследования применимости указанного подхода к задачам динамики на основе критериев Росса и Петрашеня показали возможность его использования для анализа вибрационных процессов.
Организация и структура автоматизированной подсистемы «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ»
В данном параграфе представлена разработанная в диссертационной работе структура автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» (рис. 3.1).
Автоматизированная подсистема «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» позволяет моделировать конструкции НКУ на воздействие 1) гармонической вибрации; 2) случайной вибрации; 3) удара одиночного действия; 4) удара многократного действия; 5) линейного ускорения; 6) акустического шума; 7) стационарного и нестационарного тепловых воздействий; 8) комплексных тепловых и механических воздействий. Автоматизированная подсистема анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» позволяет получать в узлах конструкции НКУ, контрольных точках и на отдельных ЭРИ значения 1) температур; 2) абсолютных и относительных ускорений; 3) прогибов и перемещений; 4) напряжений. Результаты моделирования могут быть представлены в виде 1) АЧХ или АВХ, в зависимости от типа воздействия, значений температур, ускорений, прогибов, перемещений, напряжений в контрольных точках и узлах конструкции, а также на отдельных ЭРИ; 2) полей механических и тепловых характеристик при заданном значении времени или частоты; 3) деформации конструкций; 4) таблицы максимальных и допустимых напряжений в конструктивных элементах конструкции, на основе которых разработчиком может быть принято проектное решение; 5) карт режимов тепловых и механических режимов работы с указанием коэффициентов нагрузки и перегрузок, если таковые имеются, на основе которых разработчиком может быть принято проектное решение.
Основу подсистемы составляет управляющая программа, препроцессор, процессор и постпроцессор.
Управляющая программа осуществляет автоматизированную передачу данных между препроцессором, процессором и постпроцессором подсистемы. Управляющая программа осуществляет взаимодействие с PDM-системой хранения и управления данными о НКУ. Управляющая программа имеет интерфейс связи с системой топологического проектирования печатных плат PCad, из которой может быть передан перечень ЭРИ, координаты размещения ЭРИ на плате, а также геометрия самой платы, что значительно сокращает время на ввод модели печатного узла.
В препроцессоре при помощи графических интерфейсов автоматизированного синтеза макромоделей конструкций НКУ и графического интерфейса ввода механических воздействий формируется информационная модель конструкции с точки зрения визуализации исходных данных. Необходимые параметры материалов элементов несущей конструкции можно выбрать из справочной базы данных, а в случае необходимости — иденти ф ицир о вать.
Процессор подсистемы состоит из математического и теплового процессоров.
В основе теплового процессора лежат критериальные уравнения теории подобия, уравнения теплообмена, метод узловых потенциалов для формирования математической модели тепловых процессов в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ) и системы нелинейных алгебраических уравнений (СНАУ). Для решения СОДУ используется метод формул дифференцирования назад, для решения СНАУ - метод простых итераций, а для решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к которым сводятся СОДУ и СНАУ (на каждом шаге по времени и (или) на каждой итерации по нелинейностям), - усовершенствованный метод LU разложения [31 - 33]. Результаты, полученные при тепловом расчете (температуры участком конструкции), используются для корректировки физико-механических параметров материала конструкции.
Основу механического процессора для анализа печатных узлов составляет бигармоническое уравнение колебаний пластины, в котором частные производные заменяются центральными разностями [2, 39, 40, 53]. Формируемая на основе метода узловых потенциалов система алгебраических уравнений является нелинейной ввиду зависимости КМП материла ПУ от напряжения, решение которой ведется методом простых итераций, на каждом шаге которого решается СЛАУ усовершенствованным методом LU-разложения [69]. Механический процессор для анализа несущих конструкций НКУ составляет алгоритмы синтеза макросов системы ANSYS, описывающих топологию механического процесса [87].
Математическим ядром подсистемы является программа решения систем линейных алгебраических уравнений с разреженными матрицами усовершенствованным методом LU-разложения.
В постпроцессоре результаты моделирования отображаются в доступном пользователю виде. На основе полученных результатов разработчиком может быть принято проектное решение об обеспечении стойкости конструкций НКУ к тепловым и механическим воздействиям.
