Введение к работе
Актальндсгь_п20блэш. К разрабатываемым в настоящее время 1товым радиоэлектронным средствам (РЭС) (семолагаым, бронетан-1ым, автомобильный) предъявляются высокие требования по времени ятлуатвцая аппаратуры, в течение которого она должна сохранять іотоспособность. Согласно техническ"м заданиям на разработку РЭС шов время достигает 60000...ЄОО0О часов и более. Это требует тедения дополнительных исследований радиоэлементов (РЭ), ис-іьзуемнх в настоящее время в промышленности, так как у болыпинс-1 из них минимальная наработка на отказ согласно техническим ус-зиям (ТУ) на РЭ явне ниш заданного времени эксплуатации аппара-ры. Й прн этом максимально допустимые ускорения на РЭ по ТУ час-выше, чем реальные виброускорения в конструкции. То есть суще-вуют определенные запаси по эксплуатационным возможностям РЗ, о позволяет расширить требования'ТУ на РЭ. Таким образом, можно ести понятие длительной работоспособности, которое означает ботоспособность РЭ в течение времени,, превышающего минимальные работки на отказ.
Учитывая сказанное, моено говорить об обеспечении длительной ботосгособности РЭ. Эта проблема касается также и вновь разраба-ваемых РЭ, так как для них уже на стадии проектирования необхо-мо обеспечить минимальву» наработку не отказ не менып зоданного вмени эксплуатации, что при столь большой длительности представит собой достаточно сложную задачу.
В настоящее время разрабатывается бортовые РЭС 3,4 и 5 rqieo-іния, в которых применены интегрелыша схемы (ИО) различной оте--іни интеграции,. Анализ различных поколений бортовых РЭС покатает, что в аппаратуре применяются как полупроводниковые . крис- . шш, в приповерхносгном слое которых сформированы РЭ ИО, так и >рпусные РЭ ( в бортовых РЭС корпуса РЭ жестко крепятся к плате слей, винты,-подставки)). Вопросы анализа и обеспечения длитель-эи работоспособности РЭ в ИС при вибрационных воздействиях дата-зно исследованы к решены в работах Кузнецова О.А., Погалова A.M., эргевва B.C. Что же касается корпусных P3V то для них этот вопрос зтался нерешенным. Это потребовало проведения дополнительных зеледований кс^пусных РЭ, установленных в бортовых РЭС, о целы)
обеспечения их длительной работоспособности. При этом количество выводов корпусных ИС по мере их усложнения постоянно возрастает, что требует учесть данный фє-л при моделировании РЭ.
Распространенными типами конструкций бортовых РЭС в настоящее время являются блоки кассетного типа (БКТ) и блоки этажароч-ного типа (БЭТ). В кассетных конструкциях дачгтше узлы (ПУ) вставляются по направляющим. В эгажэрочных конструкциях ІГУ скреплены южду с^бой шпильками,которые закрепляются на несущей конструкции.
Конструкции БКТ и БЭТ бортовых: P3G обычно подвержены вибрационным воздействиям с параметрами: диапазон вибраций 20...2000 Гц, уровень ускорений гармонической вибрации и среднеквадратических ускорений случайной вибрации до 50g, -. которые имеют тенденцик дальнейшего роста; температура участков конструкции БКТ и БЭ1 достигает +85С.
П"и вибрационных воздействиях в выводах РЭ возникают знакопеременные механические напряжения. Это приводит к накоплению усталостных повреждений в материалах выводов и при длительности воздействия вибрации, превышающей минимальную наработку РЗ на отказ, может привести к обрыву выводов, то есть к потере работоспособности РЭ.
Как показывают экспериментальные исследования, уровень виброускорений участков печатных плзт, изготовленных из стеклотекстолита и применяемых в БКТ и БЭТ бортовых РЭС, может возрастать і 1,2...1,5 раза при перегреве на 40...50С. Это приводит к увеличению амплитуд вибрационных воздействий на РЭ, установленных на печатной плате, что, в свою очередь, приводит к возрастанию механических напряжений в выводах РЭ и, тем самым, к ускорению процесса усталостного разрушения выводов. То есть, время до усталостногс разрушения выводов падает, что приводит к снижению работоспособности РЭ при вибрационных воздействиях.
Таким образом, требуется предварительныГ анализ механическиз характеристик конструкций йгжа и ПУ с целью определения параметров вибрационных воздействий на РЭ, а затем анализ мехавзтскиз характеристик РЗ с целью определения времени до усталостного разрушения выводов, что, в конечном итоге, нужно для принятия решеню о необходимости обеспечения длительной работоспособности РЗ щд вибрационных воздействиях.
Экспериментальные исследования БКТ и БОТ Сортовых РЭС при чх проектировании являются трудоемкими и в большинстве случаев не позволяют оценить длительную работоспособность РЭ при вибрационных . воздействиях, так нак время испытаний аппаратуры при номинальных нагрузках достигает десятков тысяч часов, что практически не реа-лируемо, а проведение ускоренных испытаний требует знания коэффициентов пересчета полученных значение времени до усталостного разрушения выводов РЭ из форсированного режима в номинальный, которые в настоящее вромя для большинства РЭ неизвестны, тем бО."9Є,. .что они могут быть получены только экспериментально.
Таким образом, в настоящее время весьма актуальна задача математического моделирования РЭ в составе БКТ и БЭТ с учетом неравномерности распределения тетаературы по печатной плате для анализа длительной работоспособности РЗ при вибрационных воздействиях.'
Используемые в настоящее время методы и модели для анализа механических характеристик конструкций РЭС, пакеты прикладных программ (ПШ), созданные на их основе, а также методики для анализа и обеспечения механических характеристик конструкций РЭС применять для оценки длительной работоспособности РЭ в составе БКТ и БЭТ при вибрационных воздействиях практически невозможно. Это прежде всего связано с тем, что в существующих методах анализа механических характеристик конструкций РЭС на уровне блоков (авторы:. Шапошников Н.Н., Крищук В.Н., Тартаковский A.M.) моделирование механических процессов в выводис РЭ не проводится,в в методах, построенных на уровне ПУ и РЭ (авторы:Батуев В.П.', Троян Ф.Д.), предусмотрен только расчет механических напряжений в выводах отде.тьных конструкций РЭ, но отсутствует возможность для оценки времени до усталостного разрушения выводов РЭ.
Отсутствуют расчетные модели РЭ, позволяющие провести оценку времени до усталостного разрушения выводов РЭ, которые зависят от варианта установки, материала, геометрических размеров и формовки выводов. Отсутствуют необходимые расчетные модели БКТ и БЭТ, позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью получить параметры вибрационных воздействий на ПУ и РЭ, установленные на стенках БКГ и БЭТ, не проводя полного анализа блока. Известные модели механических процессов в конструкциях РЭС (авторы: Шапошников F.H., Нпквэцов Е.Н., Хог Э., Чой К., Комков В.) являют-
ст универсальными и предполагают полный анализ блока, а люс упрощения модели без .дополнительной экспериментальной провеї могут привести к существенным погрешностям. .
Отсутствует методика зализа и обеспечения работоспособное РЭ, находящихся в БКТ и БЭТ,при вибрационных воздействиях при да тэльнооти воздействия вибрации, превышающей минимальные нарабоа F3 на отказ. В существующих методиках (авторы: Батуев В.І Троян Ф.Д.) рассматриваются анализ и обеспечение работоспособное РЭ прг заданных уровнях вибраций на ІГ/ или непосредственно на К
В связи с вышеизложенным актуальной научноЯ задачей являзї разработка метода оценки времени до усталостного разрушения вні дов РЭ в составе БКТ и БЭТ при вибрационных воздействиях. Для в* го в свою очередь требуется разработать расчетные модели для оц< ки времени до усталостного разрушения выводов РЭ и расчетные і дали для анализа механических процессов в БКТ и БЭТ, а также на ссногэ -создать программна и матодаческие средства для обеспечеі длительной работоспособности РЭ в составе БКТ и_БЭТ бортовых . при вибрационных воздействиях.
Цель_работы. Целью диссертационной работы является разрабо метода и средств для обеспечения работоспособности РЭ, находящи в составе БКГ и БЭТ бортовых РЭС, при гармонических и случай вибрационных воздействиях в течение заданного времени зкеплуе ции, превншзщего мишшальныь наработки РЭ на отказ, позволяй за счет научно обоснованных рекомендаций расширить експлуатації вые возможности применяемой элементной Сазы.
В рабчто показано, что достикениз паставленной цели треб решения следующих основных задач:
исследование особенностей конструкций БКТ и БЭТ, в те конструкций РЭ с целью их учета р расчетах;
разработка метода оценки времени до усталостного разрі ния выводов РЭ, находящихся в составе БКТ и БЭТ, при вибрациоі воздействиях;
разработка расчетных моделей механических процессов в і струкциях БКГ и БЭТ бортовых РЭС, необходимых для определи уровней вибрационных воздействий на РЭ, и расчетных моделей РЭ оценки времени до усталостного разрушения выводов РЭ;
- разработка автоматизированной подсистемы (АПС) анализ!
обеспечения длительной работоспособности РЭ в составе -БКТ и БЭТ при вибрационных воздействиях;
разработка методики анализа и обеспечения длительной работоспособности РЭ в составе БКТ и БЭТ бортовых РЭС при вибрационных воздействиях с учетом неравномерности распределения' температуры по . печатной плате;
разработка методики и средств для проведения ускоренных испытают РЭ, экспериментальная проверка и внедрение результатов работы.
Мэтоды^исследавания. В процессе решения поставленных задач используются принцИіЛ системного подхода, аналитического и топологического моделирования фипических процессов, метода теории упругости, аналитические метода решения дифференциальных уравнений, численные метода решения систем линейных уравнений, метод электромеханической аналогии, экспериментальные методы исследования и методы обработки -результатов испытаний.
ШМ&_53ЕШН|_Ебзульт_ты. Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:
-
Разработан метод оценки времени до усталостного,разрушения выводов РЭ при вибрационных воздействиях. В отличие от известных, метод предусматривает моделирование механических- процессов в выводах РЭ в составе ИСТ и БЭТ.
-
В рамках предлокблгого метода разработаны расчетные модели РЭ и расчетные макромодели БКТ и БЭТ. В отличие от извест--пых, расчетные модели РЭ позволяют получать и механические напряжения в выводах РЭ, и время до их усталостного разрушения. Разработанные макромодели ЕКТ и БЭТ позволяют получить параметры, вибрационных воздействий на ПУ и РЭ, установленные на стенках БКТ и БЭТ, не проводя полного анализа блока, точность расчета которых вполне приемлема с точки зрения проектирования БКТ и БЭТ на промышленных предприяі'иях.
-
Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа и обеспечения длительной работоспособности РЭ в составе БКТ и БЭТ бортовых РЭС при вибрационных воздействиях, в которой реализованы созданные метод и модели.
-
Разработана методика анализа и обеспечения работоспособно- . оти.РЭ в oootqbq БКТ и БЭТ бортовых. РЭС при вибрационных воздэйот-
виях. В отлична от известных, методика пгишчает в себя не тольк анализ на вибрацию ПУ и РЭ, но г расчет коэффициентов передачи па рамэтров вибрационных воздействий от мест крепления блока к места Kjoraieura ПУ, а от. них и к местам крепления РЭ. Это позволяв вносить изменения в конструкцию как на уровне ПУ и РЭ, та:: и н Оолье высоких уровнях иерархии - на уровне этажерочной конст рукции (ЭК), блока, системы виброизоляции, - что расширяет даа пазон возмокных вариантов защиты аппаратуры от вибрационных воз действии.
Порктачес^ая_цещость_ваботы состоит в том, ч?т разработанны в ней автоматизированная подсистема и методика позволяют:
обеспечить длительную работоспособность РЭ в составе БКГ КЭ1 бортовых РЭС при вибрационных воздействиях без зкачительног увеличения массы и габаритов конструкции за счет: I) рациональног расположения виброизоляторов, ребер жесткости к опор в блоке, ПУ 2) рационального рчбора материалов блока, ПУ; 3) рациональной ком поновки РЭ в ПУ;
сократить сроки проекгаровак-тя конструкций БКТ и БЭТ борте вых РЭС за счет уменьшения количества испытаний макетов и опытны образцов, снижения количества конструкторских доработок.
Р&5ЩЩ2_и_внеявще_рзультвтдв_работы. Разработанные диссертации методы, модели, алгоритмы, програвше и методическ средства автоматизированного анализа и обеспечения длительа работоспособност: РЭ в составе БКТ и БЭТ бортовых РЭС при вибрац онных воздайстьлях использовались при выполнении хоздоговоры научно-исследовательских рабо» аа кафедре "Радиотехнические ус ройства и системы" Московского государственного института электр ники и математики за период с 1990 г. по 199^ г.
Основные результата работы внедрены в практику проектирован двух предприятий: НПО "Геофизика" (г.Москва) и КБ "Звукотехник 'г.Муром), а такт в учебный процесс Московского государственно института электроники и математики. Уральского-полктехническо института и Ззпорояского машиностроительного института.
Адр Зация результатов работы. Работа в целом и ее отдельн результаты докладывались и обсуадались на двух Российских, тр Всесоюзных и четырех Мевдународннх ^аучно-технических семинар и конференциях, а также на научно-технических семинарах кафед
"Радиотехнические'устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики с 1990 г. по 19ЭЗ г.
Публикации. По основным результатам проведенных исследований и разработок опубликовано 19 печатных работ, в том чяслэ 2 учебных пособия для студентов специальности 23.03 "Конструированио и технология РЭС", G статей, методические указания к лабораторно-конструкторскому практикуму.
5їВХ1Шй^сс^ртации. Диссертация состоит из введешь;, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, вюиш.лцкх в себя акты внедрения и пример расчета с пошцью разработанной автоматизированной подсистемы.
Научный консультант по вопросам математического моделирования механических процессов в конструкциях P3G - к.-.н., доцент В.Н.Крищук.
