Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние человеко-машинных интерфейсов и баз данных для моделирования бортовых приборов и систем 17
1.1. Проблемы моделирования механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах 17
1.2. Анализ современных человеко-машинных интерфейсов и баз знаний, используемых для моделирования бортовых приборов и систем 30
1.3. Основные задачи исследования 41
1.4. Выводы к первой главе 48
2. Разработка методики визуализации исходных данных и результатов моделирования бортовых приборов и систем при комплексных воздействиях 50
2.1. Структура процесса визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС 50
2.2. Информационные модели типовых и нетиповых несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации исходных данных 52
2.2.1. Информационные модели типовых конструкций БПС 59
2.2.2. Информационная модель блока цилиндрического типа 74
2.2.3. Информационная модель блока этажерочного типа 77
2.2.4. Информационная модель блока кассетного типа 80
2.2.5. Информационная модель блока сложного этажерочного типа 82
2.2.6. Информационная модель шкафа 85
2.3. Информационные модели несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации результатов моделирования 89
2.4. Методика визуализации исходных данных и результатов моделирования бортовых приборов и систем при комплексных тепловых и механических воздействиях 91
2.5. Выводы ко второй главе 106
3. Разработка автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений бортовых приборов и систем при комплексных тепловых и механических воздействиях 108
3.1. Организация и структура автоматизированной подсистемы АСОНИКА-М 109
3.2. Организация и структура автоматизированной подсистемы АСОНИКА-ТМ 112
3.3. Структура входных и выходных данных подсистем АСОНИКА-ТМ и АСОНИКА-М 115
3.4. Алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС 119
3.4.1. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции блок цилиндрического типа 122
3.4.2. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции блок этажерочного типа 123
3.4.3. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции блок кассетного типа 124
3.4.5. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции шкафа 125
3.5. Организация и структура справочной базы данных 126
3.6. Выводы к третьей главе 138
4. Разработка методики синтеза и анализа проектных решений бортовых приборов и систем при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов 140
4.1. Структура методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов 140
4.2. Пример применения методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов 143
4.3. Внедрение результатов диссертационной работы 149
4.4. Выводы к четвертой главе 151
Заключение 152
Список использованных источников 155
Приложение 164
- Анализ современных человеко-машинных интерфейсов и баз знаний, используемых для моделирования бортовых приборов и систем
- Информационные модели типовых и нетиповых несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации исходных данных
- Организация и структура автоматизированной подсистемы АСОНИКА-ТМ
- Пример применения методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов
Введение к работе
На многих отечественных предприятиях разработчики бортовых приборов и систем (БПС) затрачивают на проектирование до 3-5 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки создания опытных образцов, освоение их серийного выпуска и первые годы эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок как к простым, так и к системным отказам, а также самих системных отказов (обуславливаются комплексным воздействием дестабилизирующих факторов). Причины этого можно отнести к недостаткам процессов проектирования и отработки создаваемых образцов, связанных, в первую очередь, с недостаточным уровнем развития автоматизированных методов проектирования, базирующихся на комплексном (учет наиболее существенных взаимных связей) математическом моделировании разнородных физических процессов в электротехнических системах и интегрирующихся с методологией современных информационных технологий проектирования наукоемкой продукции - С4/Л-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия.
Жесткие условия эксплуатации существенно влияют на работоспособность и надежность работы БПС. Подавляющее большинство отказов БПС связано с тепловыми и механическими воздействиями [1 -3], которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций и температур электрорадио-изделий (ЭРИ), что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы БПС [4 - 7].
Кроме того, к нарушениям прочности БПС часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРИ и их разрушение [8]. Отказы, связанные с потерей механической и тепловой прочности и устойчивости БПС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ. Проектирование современных БПС в заданные сроки и в соответствии с требованиями НТД по механическим и тепловым характеристикам, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий. Применение компьютерного моделирования механических и тепловых процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций БПС, сроки и затраты на проектирование [9, 10].
Компьютерное моделирование механических и тепловых процессов в БПС требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в печатных узлах (ПУ) тысяч ЭРИ, механические и тепловые характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексного характера приложения механических и тепловых воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.
Существующие специализированные программы моделирования механических и тепловых процессов в приборах и системах не учитывают всех перечисленных факторов, не достаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкций приборов и систем, не позволяют построить всю иерархию конструкций от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии, например, от блока к ПУ.
Для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях приборов и систем применяются следующие универсальные САЕ-системы: NASTRAN, COSMOS-M, ANSYS и т.д. Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области прочности и тепла, не разбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому им требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем происходит множество итераций по согласованию результатов моделирования между расчетчиком и разработчиком. За это время разработчик при наличии удобного инструмента - человеко-машинного интерфейса для моделирования БПС - может перебрать множество вариантов, работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от подобной практики и передать вопросы моделирования разработчику. Для этого конструктор БПС помимо пользовательских навыков работы с универсальной САЕ-системой должен иметь глубокие теоретические знания в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Подготовка разработчика БПС, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя САЕ-системой, требует значительных временных и финансовых затрат, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в современных условиях трудно достижимая задача. Однако даже наличие высококвалифицированного разработчика не решает проблемы моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Использование компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную модель несущей конструкции, провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель САЕ-системы, произвести расчет, обработать результаты и принять решение. В результате время, потраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить, что большую часть времени, потраченного на моделирование, занимает ввод конструкции приборов и систем в САЕ-систему и анализ результатов. Решить данную проблему можно разработав специализированные средства компьютерной графики, составляющие основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС и позволяющие разработчику приборов и систем в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.
Значительный вклад в развитии методов автоматизированного проектирования приборов и систем и информационных технологий сыграли работы Норенкова И.П. [11-16], Вермишева Ю.Х. [17], Зарудного Д.И. [18-20], Гридина В.Н. [21], Новикова Е.С. [9, 22-26], Редкозубова С.А. [27], Петрова Г.М. [28], Моисеева Н.Н. [29], Солодовникова И.В. [30], Деньдобренько Б.Н. [31], Кузнецова О.А., Сергеева B.C. [32, 33] и др. [34-40]. Первые работы в направлении автоматизации расчета механических характеристик конструкций приборов и систем за рубежом принадлежат американскому ученому Стейнбергу Д.С. [41].
Решением задачи моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях приборов и систем занимались такие специалисты как Маквецов Е.Н. [42, 43], Тартаковский A.M. [42, 44], Кофанов Ю.Н. [9, 45-51], Кожевников A.M. [51, 52], Крищук В.Н. [53], Шалумов А.С. [10, 45, 47-50, 54-60, 61-63], Фадеев О.А. [61-65] и др. Но они детально не рассматривали вопросы повышения эффективности моделирования конструкций приборов средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы, что по сути дела представляет собой человеко-машинные интерфейсы для моделирования БПС.
Таким образом, актуальным является разработка и применение средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, составляющих основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС. Целью работы является повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям нормативной документации по тепловым и механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.
Для реализации этой цели, согласно вышеизложенным предложениям, необходимо решить следующие задачи:
1. Исследование особенностей несущих конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.
2. Разработка информационных моделей типовых и нетиповых несущих конструкций.
3. Разработка методики визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях.
4. Разработка алгоритмов человеко-машинных интерфейсов для синтеза моделей механических и тепловых процессов типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС.
5. Практическая реализация алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях.
6. Разработка справочной базы данных (БД) по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций БПС.
7. Разработка методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в БПС на основе человеко-машинных интерфейсов.
8. Внедрение созданной методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе человеко-машинных интерфейсов в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов. Для решения поставленных задач использовались теории системного анализа и прикладной механики, методы вычислительной математики и компьютерной графики.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
В первой главе проведен анализ проблем проектирования конструкций БПС с учётом механических и тепловых воздействий; анализ современных методов и подходов, существующих автоматизированных систем и средств компьютерной графики, используемых для моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС; рассмотрены механические и тепловые воздействия, которым БПС могут подвергаться в процессе эксплуатации; рассмотрены факторы, которые необходимо учитывать при моделировании механических и тепловых процессов в конструкциях БПС; показано влияние механических характеристик на показатели надежности разрабатываемых БПС.
Рассмотрена существующая схема моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС на предприятиях, где это имеет место, но как показывает практика, в подавляющем большинстве случаев моделирование БПС не проводится.
Проведен анализ программного обеспечения, применяемого для моделирования механических и тепловых процессов в БПС. Рассмотрен перечень применяемых специализированных программ, а также универсальных конечно-элементных САЕ-систем для моделирования несущих конструкций БПС.
Исследования процесса проектирования БПС с применением компьютерного моделирования механических и тепловых процессов и существующих универсальных и специализированных программ моделирования, проведенные в диссертации, показали отсутствие в настоящее время необходимого математического, программного и методического обеспечения, позволяющего конструктору БПС в сжатые сроки моделировать и принимать решение об обеспече 11
ний стойкости БПС к комплексным механическим и тепловым воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.
Выход из создавшегося положения можно найти в объединении возможностей математического ядра универсальной САЕ-системы, например, AN-SYS с существующими специализированными программами, в частности с автоматизированной подсистемой комплексного анализа печатных узлов на комплексные механические и тепловые воздействия АСОНИКА-ТМ и подсистемой расчета систем виброизоляции «ВИБРОЗАЩИТА», посредством специальных препроцессора и постпроцессора в рамках общей управляющей программы, позволяющей отследить всю иерархию конструкции БПС от шкафа до отдельного ЭРИ, с целью автоматизированной передачи воздействий и результатов моделирования от высшего уровня иерархии БПС к низшему, например от блока к ПУ. Методика применения программы должна основываться на технологии хранения и управления данными о БПС (PDM-технология). В диссертации приведена структура такой PDM-системы.
На основе проведенного анализа предложена схема моделирования, согласно которой конструктор БПС взаимодействует со сложной конечно-элементной САЕ-системой через препроцессор и постпроцессор, представляющие собой графические интерфейсы ввода-вывода, адаптирующие данную систему применительно к моделированию механических и тепловых процессов в несущих конструкциях БПС. В данной схеме отсутствует аналитик-расчетчик, а также посредничество между конструктором и САЕ-системой, что приводит к сокращению итераций отработки конструкции, сроков и затрат на ее проектирование, уменьшению влияния человеческого фактора на адекватность результатов моделирования.
В качестве универсальной конечно-элементной САЕ-системы предложена система ANSYS - единственная система, сертифицированная согласно се 12 рий стандартов ISO 9000, в виду ее многофункциональности, возможности работать с математическим ядром посредством макросов.
Сформулированы цель работы и задачи, необходимые для достижения поставленной цели.
Во второй главе проведено исследование наиболее распространенных несущих конструкций БПС и разработаны информационные модели типовых и нетиповых несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации исходных данных и результатов моделирования при комплексных механических и тепловых воздействиях. На основе анализа расчетов по проектируемым конструкциям сделаны допущения на модели несущих конструкций, выявлен требуемый уровень детализации моделей, необходимый для получения приемлемого для ранних этапов проектирования результата.
В соответствии с поставленной целью, разработана методика визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях.
В третьей главе, согласно предложенной схеме моделирования и разработанной методике визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС, разработана структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях
Разработаны алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС.
Разработана структура справочной базы данных по параметрам ЭРИ и материалам.
В четвёртой главе разработана методика моделирования комплексных механических и тепловых процессов в БПС на основе человеко-машинных интерфейсов. Данная методика позволят, в отличие от существующих, передавать механическое и тепловое воздействие по всем уровням иерархии конструкций БПС, что влияет на адекватность результатов моделирования и на вы 13 полнение требований технических условий (ТУ) на ЭРИ по механическим и тепловым характеристикам. Методика предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций БПС и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, по сравнению с использованием универсальной САЕ-системы, составляет до 95% на ввод конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя.
Рассмотрены примеры применения разработанной методики для БПС.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке:
- методики визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях, отличающейся от известных наличием комплексных информационных, топологических и математических моделей механических и тепловых процессов;
- алгоритмов человеко-машинных графических интерфейсов для синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС, позволяющих конструктору в минимальные сроки собирать сложную модель несущей конструкции БПС из типовых элементов;
- структуры автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях, отличающейся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях БПС в универсальной САЕ-системе, обеспечивающих удобный проектировщику БПС язык взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов ввода-вывода, возможостью построить всю иерархию конструкций БПС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии;
- структуры справочной базы данных по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций БПС, отличающейся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ, наличием моделей вариантов установки ЭРИ, позволяющих значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др. параметров ЭРИ, возможностью создания новых моделей вариантов установки ЭРИ, наличием необходимых графических параметров, позволяющих придавать реалистичность изображению ЭРИ в пространстве, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые и графические данные об ЭРИ;
- методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе человеко-машинных интерфейсов, отличающейся от существующих наличием доступного разработчику языка взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов автоматизированного синтеза типовых и нетиповых конструкций БПС и универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования, позволяющей в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным механическим и тепловым воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых БПС.
Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданных методических и программных средств позволяет повысить эффективность моделирования БПС, обеспечить более высокие показатели надежности разрабатываемой аппаратуры, сократить сроки и стоимость проектных работ БПС с соблюдением требований НТД по механическим и тепловым характеристикам. 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. Достоинством разработанной методики визуализации следует отметить то, что, прежде всего, она позволяет избежать ошибок, вызванных человеческим фактором при моделирова 15 ний, за счет специализированных графических интерфейсов ввода исходных данных и вывода результатов моделирования.
Разработанные в диссертации алгоритмы, подсистема, база данных, методики внедрены в практику проектирования Российских предприятий: ОАО «НПЦ «Полюс» г. Томск, Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Королев), Раменское проектное конструкторское бюро (г. Раменское Московской обл.), КБ ИГ АС «Волна» (г. Москва), ГНИЙ Приборостроения (г. Москва), НИИ автоматической аппаратуры имени академика B.C. Семенихина (г. Москва), Особого конструкторского бюро Ижевского радиозавода (г. Ижевск). Разработанная автором подсистема АСОНИКА-ТМ используется в рамках Министерства обороны РФ для проведения контроля за правильностью применения изделий электронной техники в аппаратуре специального назначения, рекомендуется комплексом стандартов «МОРОЗ-6» для применения в процессе проектирования и замены испытаний на ранних этапах проектирования согласно РДВ 319.01.05-94, ред.2-2000. Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Ковровской государственной технологической академии и Московского государственного института электроники и математики.
Основные результаты диссертационной работы были доложены на XVII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» г. Томск, Всероссийской научно-методичкской конференции с международным участием «Повышение качества непрерывного профессионального образования», г. Красноярск
Практическая реализация результатов диссертационной работы в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях 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);
• XVII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск,2006 г.
По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ , в том числе 3 статьи и 1 монография.
Анализ современных человеко-машинных интерфейсов и баз знаний, используемых для моделирования бортовых приборов и систем
Внедрение в инженерную практику методов автоматизированного проектирования позволило перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью персональной ЭВМ. Однако высокие требования к срокам и стоимости выполнения проектных работ, недостаток высококвалифицированных разработчиков, сочетающих в себе знания конструктора БПС, аналитика-расчетчика и пользователя программой моделирования механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах, ставит под вопрос применение компьютерного моделирования БПС.
Проблема компьютерного моделирования БПС осложняется еще целым радом факторов, таких как: геометрическая сложность и неоднородность конструкций БПС; многообразие видов механических воздействий; одновременное приложение к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексный характер приложения тепловых и механических воздействий, приводящий к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейность физических характеристик материалов конструкций.
Помимо этого, современные БПС включают в себя большое количество комплектующих электрорадиоизделий (до десятков и сотен тысяч электрора-диоизделий в одном образце БПС), каждое из которых представляет сложный объект, характер протекания физических процессов в которых, в конечном итоге, и определяет функциональные и эксплуатационные свойства проектируемого образца БПС.
С другой стороны, необходимо отметить, что возрастающая мощность персональных компьютеров позволяет использовать все более сложные алгоритмы моделирования, которые уже позволяют получить результат, практически идентичный испытаниям и при этом избежать ошибок, возможных при проведении эксперимента.
Для моделирования несущих конструкций БПС применимы многие так называемые «тяжелые» САЕ-системы, причем практика показывает, что большинство промышленных предприятий отдает предпочтение крупным комплексным САЕ-системам типа: NASTRAN, COSMOS-M, MARC, ANSYS.
Универсальные программы позволяют проводить анализ практически любой степени сложности, но для этого конструктору необходимо строить модель от начала и до конца, то есть создавать геометрию модели, задавать материалы, назначать элементам геометрии соответствующие атрибуты и материалы и т.д.
Сбор информации по применяемым материалам затруднен отсутствием специальных баз данных параметров материалов несущих конструкций БПС и материалов ПУ, отсутствуем модулей идентификации неизвестных тепло-физических и физико-механических параметров материалов.
При построении модели согласно первоначальному эскизу конструктор должен накладывать допущения на модель, то есть заменять элементы реальной геометрии их упрощенными математическими аналогами и т.д. Итоговую конструкцию необходимо не только собрать из отдельных несущих конструкций различных уровней, но и обеспечить их соединение в одно целое, что в свою очередь требует выполнения дополнительных геометрических построений и логических операций.
Согласно схеме, приведенной на рисунке 1.2, разработчик взаимодействует с CAD-системой для построения геометрии модели. Необходимо отметить, что геометрическая модель и модель, по которой будет проводиться моделирование, не совпадают. Первый вариант представляет собой твердотельную модель, используемую для создания чертежей. Такая модель при ее дискретизации обладает неоправданно высокой размерностью, то есть очень трудоемка для расчета. Для анализа механических процессов требуется создавать модель, построенную по средней линии твердотельной модели. Это операция сложная и требует дополнительного времени. Таким образом, конструктор вынужден дважды строить одну и ту же модель конструкции для разных целей.
Информационные модели типовых и нетиповых несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации исходных данных
Согласно ГОСТ Р 50756.0-95 базовые несущие конструкции БПС разделены на три иерархических уровня [68]. Названия базовых несущих конструкций (БНК) соответствуют их уровню: БНК 1 - конструкция первого уровня, БНК 2 - второго, БНК 3 - третьего. Первая цифра в обозначении БНК по ГОСТ также означает уровень, например, БНК 1.34.56.01.1 это БНК первого уровня. Стандарт предусматривает взаимодействие различных уровней иерархии, например: шкаф состоит из блоков, блоки из кассет и т.п. Рассмотрим влияние различных уровней иерархии конструкции БПС друг на друга.
Ниже представлены результаты моделирования блока преобразователя для железнодорожного транспорта (рис. 2.2) и блока обработки танковой аппаратуры (рис. 2.3). Моделирование было проведено в рамках хоздоговорных работ с ГУП ВНИИ «Сигнал» (г. Ковров). Две модели разных несущих конструкций БПС построенных по средней линии (для пластин) и по осевой линии (для стержней и балок), поэтому реальную толщину элементов конструкции (разъемы, шпильки) не видно. В скобках приведены значения резонансных частот, полученных при проведении испытаний.
Конструкция блока преобразователя для железнодорожного транспорта представляет собой вертикальную пластину, прикрепленную к основанию снизу, на которой горизонтально при помощи разъемов одной своей стороной крепятся печатные узлы. Другая сторона печатных узлов соединяется с основанием при помощи шпилек. Из рисунка видно, что печатный узел, де формируясь, изгибает вертикальную несущую пластину конструкции через разъем. Раздельный расчет, в котором не учитывалось взаимного влияния деформирования печатных узлов и вертикальной несущей пластины конструкции, адекватного результата не дал. Для совпадения расчетного результата с результатом испытаний была построена конечно-элементная модель всей конструкции целиком. На печатном узле, где наблюдается резонанс, установлен трансформатор массой 80 г. Первоначально данный трансформатор был представлен в виде сосредоточенной массы, т.е. не вносил дополнительной жесткости в ПУ. Погрешность расчета такой модели составила 38%, значение полученной собственной частоты было занижено. Далее было принято решение о замене модели трансформатора на модель, вносящую не только массовые характеристики, но и дополнительную жесткость в ПУ. С такой моделью погрешность составила 7%.
Форма колебаний конструкции блока преобразователя для железнодорожного транспорта на резонансной частоте 95.144 (107) Гц Конструкция блока обработки танковой аппаратуры представляет собой композицию двух БНК второго уровня иерархии: блок кассетного типа (снизу) и блок этажерочного типа (сверху). Из рисунка видно, что имеет место совместный резонанс кассетного и этажерочного блоков. Верхняя крышка кассетного блока, служащая основанием для блока этажерочного типа поперечными колебаниями и качанием вызывает резонанс шпилек этажерки. Рис. 2.3. Форма колебаний конструкции блока обработки танковой аппаратуры на резонансной частоте 445.782 (506) Гц Из приведенных примеров видно, что при формировании модели несущей конструкции блока или шкафа БПС необходимо учитывать взаимное влияние различных уровней иерархии друг на друга. При этом необходимо обеспечивать не только совместимость геометрии элементов в составе конструкции БПС, но и учитывать взаимное деформирование элементов конструкции, осуществлять точную передачу механических воздействий от уровня к уровню. Для этого при моделировании должна рассматриваться вся несущая конструкция БПС в целом (рис. 2.4). Описание механического процесса будет иметь вид: где W — операторы моделей, связывающие между собой входное воздействие х(), выходные характеристики у() и внутренние параметры конструкции q(T); Т - внешнее воздействие в виде массива температур участков конструкции; , - независимый аргумент (время, частота).
Организация и структура автоматизированной подсистемы АСОНИКА-ТМ
В данном параграфе представлена разработанная в диссертационной работе структура автоматизированной подсистемы моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ (рис. 3.2).
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 БПС. Управляющая программа имеет интерфейс связи с системой топологического проектирования печатных плат PCad, из которой может быть передан перечень ЭРИ, координаты размеще ния 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 макромодели печатного узла (ПУ) и графического интерфейса ввода механических воздействий формируется информационная модель печатного узла с точки зрения визуализации исходных данных. Необходимые параметры материалов элементов несущей конструкции можно выбрать из справочной базы данных, а в случае необходимости - идентифицировать. Процессор подсистемы состоит из математического и теплового процессоров.
В постпроцессоре результаты моделирования отображаются в доступном пользователю виде. На основе полученных результатов разработчиком может быть принято проектное решение об обеспечении стойкости несущих конструкций БПС к тепловым и механическим воздействиям.
В случае превышения расчетных напряжений элементов конструкции или расчетных температур и ускорений на ЭРИ над допустимыми возможна корректировка конструкции.
В главе 4 будет рассмотрено применение разработанной автоматизированной подсистемы моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ в рамках методики синтеза и анализа проектных решений бортовых приборов и систем при комплексных воздействиях.
Входные данные для моделирования несущих конструкций БПС в подсистеме АСОНИКА-М и печатных узлов в подсистеме АСОНИКА-ТМ подготавливаются на основе следующей информации: техническое задание на разработку изделия; эскизы или сборочные чертежи конструкции; спецификация; перечень элементов; параметры механических воздействий.
Структура входных данных для моделирования несущих конструкций БПС на комплексные тепловые и механические воздействия формируется на основе информационных моделей с точки зрения визуализации исходных данных согласно (2.2)-(2.20).
Структура входных данных для моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия формируется на основе следующих данных: геометрия печатного узла; описание слоев материла печатного узла: а) для механического расчета: Dz - толщина слоя; р - плотность материла слоя; Eh Е2, Е3 - модули упругости по осям х, у и под углом 45 соответственно; ц1, ц2, ju3 - коэффициенты Пуассона по осям х, у и под углом 45 соответственно; у0 - коэффициент механических потерь; ка - коэффициент зависимости КМП от напряжения; КЕ , КЕ , КЕ - коэффициенты зависимости модулей упругости по осям х, у и под углом 45 соответственно от температуры; Ку, Kka. - коэффициенты зависимости КМП и коэффициента зависимости КМП от напряжения от температуры; температуры участков конструкции; б) для теплового расчета: Dz - толщина слоя; р - плотность мате рила слоя; Lamp - коэффициент теплопроводности; Kb - коэф фициент черноты поверхности;
Пример применения методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов
В качестве первого примера выбран блок этажерочного типа (КБ ИГАС «Волна» (г. Москва), синтезированный в разработанном человеко-машинной графическом интерфейсе и приведенный на рис.4.1 (стенки корпуса блока полупрозрачны).
В результате расчета блока на случайную вибрацию в подсистеме АСОНИКА-М получено поле среднеквадратических ускорений изображенное нарис. 4.3.
Для проверки обеспечения требований ТУ на ЭРИ, расположенных на ПУ в блоке, необходимо провести моделирование механических процессов в ПУ для чего воздействие с мест крепления ПУ перенесем в качестве входного воздействия в специализированную систему АСОНИКА-ТМ. На рис.4.4 представлен результат расчета ПУ в виде коэффициентов механической нагрузки ЭРИ.
Из рис. 4.4 видно, что ЭРИ D6 и С16, расположенных в середине ПУ испытывают перегрузку, превышающую допустимую как минимум в полтора раза. На уровне ПУ конструктивными мерами данную перегрузку устранить сложно. Более рационально решать сложившуюся проблему на уровне блока. Судя по рис. 4.3 слабым и не равнопрочным местом в блоке являются шпильки. Имеет смысл повысить их жесткость путем продления шпилек до крышки блока, так как это показано на рис.4.5.
Результат расчета измененной конструкции блока на воздействие случайной вибрации представлен на рис. 4.6.
Изменение конструкции блока снизило максимальное среднеквадрати-ческое ускорение на 23%. Повторный перенос механического воздействия и расчет ПУ показал отсутствие перегрузок на ЭРИ. Значения коэффициентов механической нагрузки ЭРИ представлено на рис. 4.7. ANSYS. В результате для ввода конструкции блока в системе ANSYS пришлось затратить времени приблизительно в 6 раз больше, чем в интерфейсе, при редактировании - в 25 раз. Не исключено, что операцию редактирования, а возможно и ввода модели конструкции блока придется выполнить несколько раз, поэтому на лицо значительное сокращение времени, а следовательно, и затрат на выполнение проектных работ при использовании разработанной методики и программного обеспечения. Пример сделан на основе простой конструкции. Усложнение конструкции приведет лишь к увеличению разницы временных затрат.
В результате применения разработанной методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов в минимальные сроки получена конструкция блока, которая удовлетворяет требованиям ТУ.
Перенос механического воздействия из системы ANSYS на модель ПУ в подсистему АСОНИКА-ТМ не производилась, так как стандартные средства системы ANSYS не располагают такой возможностью. Значит ANSYS для сквозного проектирования не пригоден, и при помощи одной только системы ANSYS обеспечить требования ТУ на ЭРИ по механическим характеристикам невозможно.
Разработанные методика и программное обеспечение предоставляют меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций БПС 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.
В таблице 4.1. приведено сравнение затрат времени на моделирование несущей конструкции БПС (трехэтажный шкаф с блоками кассетного типа с числом конечных элементов приблизительно равным 40000) с применением разработанных методики и программного обеспечения и универсальной САЕ-системы.
