Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проектирования конструкций радиотехнических устройств на виброизоляторах и постановка задач исследования
1.1. Проблемы проектирования конструкций РТУ с учётом механических воздействий
1.2. Анализ современных автоматизированных систем, используемых для проектирования РТУ
1.3. Исследование методов и математических моделей для анализа конструкций РТУ, установленных на внброизоляторах
1.4.Основные задачи исследования
1.5.Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. Разработка математических моделей и метода оптимального проектирования конструкций рту на виброизоляторах
2.1. Структура процесса оптимального проектирования конструкций РТУ на виброизоляторах при всех видах механических воздействиях
2.2. Моделирование и оптимизация конструкций РТУ при гармонической вибрации
2.3. Моделирование и оптимизация конструкций РТУ при ударе и линейном ускорении
2.4. Моделирование и оптимизация конструкций РТУ при случайном воздействии .
2.5. Моделирование и оптимизация конструкций РТУ при акустическом воздействии
2.6. Разработка метода оптимального проектирования конструкций РТУ на виброизоляторах при всех видах механических воздействий
2.7. Получение функций параметрической чувствительности
ГЛАВА 3 Разработка автоматизированной подсистемы анализа и синтеза конструкций рту на виброизоляторах при механических воздействиях
3.1.Организация и структура автоматизированной системы асоника
3.2.Организация и структура автоматизированной подсистемы виброзащита .
3.3. Структура входных и выходных данных подсистемы виброзащита
3.4. Алгоритм автоматического синтеза моделей механических процессов в конструкциях РТУ на виброизоляторах
3.5. Методика идентификации параметров виброизоляторов конструкций РТУ .
3.6. Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. Разработка методики анализа и обеспечения стойкости конструкций радиотехнических устройств на виброизоляторах к механическим воздействиям
4.1.Структура методики
4.2.Экспериментальная проверка разработанных моделей и методики
4.3. Методика обучения работе с подсистемой при проведении научно- исследовательских работ и в учебном процессе вузов
4.4. Внедрение результатов диссертационной работы
4.5. Выводы по главе 4
Заключение
Список использованных источников
Приложение
- Исследование методов и математических моделей для анализа конструкций РТУ, установленных на внброизоляторах
- Моделирование и оптимизация конструкций РТУ при гармонической вибрации
- Алгоритм автоматического синтеза моделей механических процессов в конструкциях РТУ на виброизоляторах
- Методика обучения работе с подсистемой при проведении научно- исследовательских работ и в учебном процессе вузов
Введение к работе
Практически все современные технические системы и объекты, осуществляющие функции управления, регулирования, координации и связи, имеют в своем составе радиотехнические устройства (РТУ), При этом круг задач, решаемых с помощью радиотехнических устройств, с каждым годом расширяется, а их сложность возрастает. Это привело к тому, что оснащённость радиотехническими устройствами таких объектов, как корабли, самолёты, спутники, чрезвычайно возросла, и отказ в работе хотя бы одного из устройств может привести к отказу всего объекта. Поэтому и требования к надёжности радиотехнических устройств всё время возрастают.
Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов радиотехнических устройств. Ухудшение надёжности и стабильности работы аппаратуры вызывается механическими воздействиями, наиболее опасными из которых являются вибрации, удары и линейные перегрузки. Источниками этих воздействий могут быть различные двигатели, в том числе и реактивные, дорожная тряска, быстро вращающиеся разбалансированные массы, акустические шумы, ударная волна и многие другие. Они приводят в одних случаях к помехам в каналах передачи информации, так как параметры электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и узлов могут претерпеть обратимые и необратимые изменения, в других - к снижению точности работы аппаратуры, в третьих - к механическим разрушениям элементов конструкций.
Подавляющее большинство отказов РТУ из-за механических воздействий связано с выходом за пределы, установленные нормативно- технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций РТУ - ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы аппаратуры. При этом важно отметить, что ускорение на каждом ЭРЭ не должно превышать допустимое по техническим условиям (ТУ) значение. Кроме того, к нарушениям прочности часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРЭ и их разрушение.
Наличие тепловыделяющих элементов в составе конструкций РТУ в сочетании с широким диапазоном температур окружающей среды приводит к появлению паразитного теплового фактора, оказывающего существенное влияние на механические процессы, в том числе за счет появления температурных напряжений. При этом от температуры зависят такие физико-механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь (логарифмический декремент затухания колебаний (ЛДЗК)), предел усталости.
Сложность решения задачи защиты РТУ от механических воздействий обусловлена тем что, несмотря на непрерывное повышение надёжности элементной базы (резисторов, конденсаторов, микросхем и других элементов) интенсивность механических воздействий возрастает быстрыми темпами из-за увеличения скоростей подвижных объектов. Кроме того, блоки РТУ представляют собой сложные механические конструкции, в которых возникают резонансные колебания, усиливающие механические нагрузки в десятки раз.
Для обеспечения необходимой надёжности и стабильности РТУ при интенсивных механических воздействиях применяется ряд способов. Здесь принципиально возможны следующие: использование наиболее устойчивых к механическим воздействиям электро- и радиоэлементов и узлов; повышение прочности конструктивных элементов; защита РТУ от источников механических воздействий, достигаемая установкой виброизоляторов; виброизоляция может быть общей, когда изолируется всё изделие, или локальной, когда виброизолируются отдельные элементы или части изделия; устранение или уменьшение до допустимого уровня резонансных явлений в конструкциях РТУ; достигается выведением спектров собственных частот колебаний элементов конструкций за верхнюю границу диапазона частот возмущающего воздействия или увеличением демпфирующих свойств; применение виброизоляции виброактивных устройств; применение активной виброзащиты в виде автоматических систем с внешним источником энергии.
Работа по обеспечению нормального функционирования РТУ начинается с сопоставления допустимых параметров механических воздействий на ЭРЭ с требованиями технического задания (ТЗ). Если применение ЭРЭ удовлетворяют требованиям ТЗ, дальнейшие усилия необходимо направить на устранение резонансных колебаний и обеспечение прочности элементов конструкций РТУ. В случае успешного решения этих вопросов задачу по обеспечению защиты РТУ от механических воздействий на данном этапе проектирования можно считать выполненной. Если устранить или уменьшить резонансные колебания до допустимого уровня не удаётся, то следует применить общую или локальную виброизоляцию. Для обеспечения необходимой защиты от механических воздействий часто приходится применять все рассмотренные способы совместно.
В практике конструирования аппаратов используется несколько различных вариантов установки их на виброизоляторы и крепления к объекту. При этом количество и схема размещения виброизоляторов выбираются, главным образом исходя из конструктивных соображений. В частности, здесь учитываются обеспечение требуемой жёсткости конструкции, достижение допустимой нагрузки на каждый узел крепления, удобство подхода к узлам в процессе эксплуатации.
Наряду с этим при рациональном выборе и размещении виброизоляторов можно избежать сложных пространственных колебаний блока и получить более простые однонаправленные или плоские колебания. При этом упрощается расчёт колебаний блока и облегчается задача его виброизоляции.
Решить данную задачу можно, проведя всесторонний анализ динамических характеристик блока на виброизоляторах путём математического моделирования на ЭВМ и оптимального выбора параметров виброизоляторов, их количества и координат расположения, используя параметрическую и структурную оптимизацию. Учитывая сложность расчётов, ограничения по срокам и стоимости проектных работ, нелинейность моделей за счет параметрических зависимостей упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов от нагрузки, широкий спектр внешних механических воздействий - вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы, сложные воздействия (когда одновременно прикладываются два и более механических воздействий), оптимальное проектирование РТУ на виброизоляторах возможно лишь с помощью специализированной автоматизированной подсистемы, позволяющей в интерактивном режиме осуществлять анализ и обеспечение стойкости РТУ на виброизоляторах при механических воздействиях. При этом требуется синтез как параметров конструкции, так и ее структуры.
Анализ открытых отечественных и зарубежных источников, а также исследования промышленных предприятий и организаций, показали, что подобная автоматизированная подсистема отсутствует. Отсутствует также метод оптимального проектирования конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах и необходимые математические модели конструкций РТУ на виброизоляторах при воздействии ударов, линейных ускорений, случайных вибраций и акустических шумов при сложных механических воздействиях с учетом параметрических зависимостей упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов от нагрузки и с учётом теплового фактора.
Проблемам анализа и оптимального проектирования конструкций РТУ на виброизоляторах в последние десятилетия посвящены работы Ильинского B.C., Фролова К.В., Талицкого E.H., Токарева М.Ф., Карпушина В.Б., Шалумова A.C. и других авторов. Вопросы структурного и параметрического синтеза рассмотрены в работах Норенкова И.П., Фурунжиева Р.И., Черноруцкого И.Г.. Однако в этих работах недостаточно рассмотрены учет параметрических зависимостей упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов от нагрузки, автоматизация задачи идентификации параметров виброизоляторов, автоматизация процесса параметрического и структурного синтеза конструкций на виброизоляторах. Во многих из них рассмотрены конструкции с одной степенью свободы.
Так, в работе Шалумова A.C. проводится моделирование с учётом нелинейности, вызванной параметрической зависимостью коэффициента механических потерь от напряжения, но без учета нелинейности из-за параметрической зависимости коэффициента жёсткости от нагрузки, так как рассматривались конструкции блочного типа с малой массой. Для тяжелых шкафов не учёт подобной зависимости приводит к большим погрешностям.
Отсутствие специализированных графических интерфейсов ввода- вывода для типовых конструкций РТУ на виброизоляторах, отсутствие необходимых баз данных, сложность моделей и многое другое делают затруднительным применение для проектирования РТУ на виброизоляторах существующих универсальных программных комплексов (ANSYS, NASTRAN, ASKA, COSMOS, MARS, ДИАНА и пр.). Отсутствие в существующей справочной литературе упругих и демпфирующих характеристик современных виброизоляторов требует разработки алгоритмов и программ их идентификации.
Таким образом, на сегодняшний день отсутствуют необходимые математическое, программное и методическое обеспечения, позволяющие оптимальным образом выбрать и разместить в конструкции РТУ виброизоляторы.
Целью диссертационной работы является создание математических моделей конструкций РТУ на виброизоляторах и метода оптимального проектирования данных конструкций, отвечающих требованиям по стойкости к механическим воздействиям, позволяющих существенно снизить материальные и временные затраты на разработку аппаратуры.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
Разработка математической модели конструкции РТУ на виброизоляторах с учетом параметрических зависимостей упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов от нагрузки.
Разработка метода оптимального проектирования конструкций РТУ на виброизоляторах, позволяющего проводить структурную и параметрическую оптимизацию.
Разработка алгоритмов автоматического синтеза конструкций РТУ на виброизоляторах, позволяющих создать программное обеспечение, удобное для использования разработчиками аппаратуры.
Разработка алгоритмов идентификации параметров виброизоляторов, позволяющих получить требуемые параметрические зависимости для коэффициентов жесткости и механических потерь.
Разработка структуры и программная реализация специализированной автоматизированной подсистемы анализа и синтеза конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах, при механических воздействиях.
Разработка методики анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ на виброизоляторах к механическим воздействиям.
Проведение экспериментальных исследований по идентификации параметров виброизоляторов и проверке разработанной методики.
8. Внедрение созданной методики анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах, к механическим воздействиям в практику проектирования на промышленных предприятиях.
Методы исследования основываются на теории системного анализа, методах теории упругости, прикладной механики, методах вычислительной математики и оптимизации, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Разработаны математические модели конструкций РТУ на виброизоляторах при воздействии гармонической и случайной вибрации, ударов, линейных ускорений и акустических шумов, а также при сложных механических воздействиях, которые в отличие от существующих учитывают параметрический характер изменения упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов.
Разработан метод оптимального проектирования конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах, отличающийся от существующих возможностью обоснованно осуществлять при проектировании параметрический и структурный синтез конструкции, стойкой к механическим воздействиям.
Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа и синтеза конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах, при механических воздействиях, отличающаяся наличием специализированного интерфейса ввода-вывода информации, модулей идентификации и оптимизации, базы данных с упругими и демпфирующими характеристиками виброизоляторов.
Разработана методика анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах, к механическим воздействиям, позволяющая обоснованно осуществлять оптимальное проектирование конструкций РТУ, стойких к механическим воздействиям.
Практическая значимость состоит в том, что результаты моделирования на основе разработанного метода оптимального проектирования позволяют обоснованно и целенаправленно в минимальные сроки осуществлять синтез конструкций РТУ с соблюдением требований НТД по механическим характеристикам.
Реализация и внедрение результатов работы. Исследования автора выполнялись на кафедре «Прикладная математика и системы автоматизированного проектирования» Ковровской государственной технологической академии. Разработанные в диссертации метод, алгоритмы, подсистема, методика использовались при выполнении 4-х хоздоговорных работ в течении 1998-2001 гг.: «Прочностной расчёт блока БИУВК-1И» (Раменское проектно-конструкторское бюро, г. Раменское), «Идентификация параметров виброизоляторов и моделирование механических процессов в блоке картографа» (ОАО «СКБ ПА», г. Ковров), «Проведение расчетов воздействия сейсмического удара на изделия ВК, размещенные в стойке высотой 1800 мм и РМ 662, входящих в состав ОКР изделия 83т 11-2» (НИИ Автоматической аппаратуры, г. Москва), «Разработка конструкции одноэтажной БНК-3 с термоэлектрической системой охлаждения» (ГУП КБ ИГАС ДП НПП «Волна», г. Москва).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи 2000г.), Международной научно- технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи 2001г.), Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (г.Ковров 2000г.), Международной научно- технической конференции «Управление в технических системах» (г. Ковров 1999г), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г.Красноярск 2000г).
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи [1-12].
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
В главе 1:
На основе анализа проблем проектирования конструкций РТУ с учетом механических воздействий и анализа современных автоматизированных систем, используемых для проектирования РТУ, обоснована необходимость создания метода оптимального проектирования радиотехнических устройств на виброизоляторах который позволил бы обеспечить: а) параметрический и структурный синтез конструкции РТУ на виброизоляторах, стойкой к механическим воздействиям. б) снижение материальных и временных затрат на разработку аппаратуры;
Учитывая сложность расчётов, ограничения по срокам и стоимости проектных работ, нелинейность моделей за счет параметрических зависимостей упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов от нагрузки, широкий спектр внешних механических воздействий - вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы, сложные воздействия, оптимальное проектирование РТУ на виброизоляторах возможно лишь с помощью специализированной автоматизированной подсистемы, позволяющей в интерактивном режиме осуществлять анализ и обеспечение стойкости РТУ на виброизоляторах при механических воздействиях. При этом требуется синтез, как параметров конструкции, так и ее структуры.
Научной основой процесса оптимального проектирования конструкций радиотехнических устройств на виброизоляторах должна стать методика анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ на виброизоляторах к механическим воздействиям.
Сформулированы цель и основные задачи, составляющие предмет исследования в настоящей работе.
В главе 2:
Были разработаны математические модели конструкций РТУ на виброизоляторах при воздействии гармонической и случайной вибрации, ударов, линейных ускорений и акустических шумов, а также при сложных механических воздействиях, которые в отличие от существующих учитывают параметрический характер изменения упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов. При этом: учтены нелинейности в моделях; установлены определенные закономерности для изменения параметров виброизоляторов в зависимости от нагрузки определены коэффициенты а; к-
Разработан метод оптимального проектирования конструкций РТУ на виброизоляторах, отличающийся от существующих возможностью обоснованно осуществлять при проектировании параметрический и структурный синтез конструкции, стойкой к механическим воздействиям.
Для решения многомерных задач безусловной оптимизации конструкций РТУ выбран метод Нелдера-Мида (метод прямого поиска) как наиболее эффективный с точки зрения быстродействия.
Предложена согласно сформулированным в диссертации принципам целевая функция.
Получены функции параметрической чувствительности для определения путей наиболее рационального изменения конструкций РТУ с целью обеспечения механических характеристик ЭРЭ.
В главе 3:
Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа и синтеза конструкций РТУ на виброизоляторах, при механических воздействиях «ВИБРОЗАЩИТА», отличающаяся наличием специализированного интерфейса ввода-вывода информации, модулей идентификации и оптимизации, базы данных с упругими и демпфирующими характеристиками виброизоляторов.
Программно реализованы задачи параметрического и структурного синтеза: существует возможность оптимального выбора коэффициентов механических потерь и жесткости виброизоляторов по всем осям координат; существует возможность оптимального выбора координат расположения виброизоляторов и их количества.
Представлена необходимая для работы программы структура входных и получаемая структура выходных данных.
Разработан алгоритм автоматического синтеза моделей механических процессов в конструкциях РТУ на виброизоляторах.
Разработана методика идентификации параметров виброизоляторов конструкций РТУ.
В главе 4:
Была разработана методика анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ на виброизоляторах к механическим воздействиям, позволяющая обоснованно осуществлять оптимальное проектирование конструкций РТУ, стойких к механическим воздействиям.
Представлено описание экспериментальных исследований. Приведена схема установки, позволяющей имитировать вибрационный режим РТУ. Описана программа работ по проверке эффективности амортизаторов АТРМ 20/70-4 при их использовании для подвески картографа. Проведенные исследования макетов и реальных конструкций РТУ на виброизоляторах показали, что расхождение результатов расчетов и испытаний находится в пределах 10... 15% по ускорению и 3...5 % по резонансной частоте, что вполне приемлемо с точки зрения проектирования радиотехнических устройств на промышленных предприятиях.
В диссертации рассмотрены примеры применения разработанной методики для блоков и шкафов РТУ, установленных на виброизоляторах.
Разработана методика обучения работе с подсистемой при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе вузов.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования предприятий и в учебный процесс высших учебных заведений.
Автор выражает благодарность проф. Шалумову A.C. за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности. Автор признателен к.т.н. доценту Тюриной О.И. за советы и помощь в работе.
Исследование методов и математических моделей для анализа конструкций РТУ, установленных на внброизоляторах
Практически все современные технические системы и объекты имеют в своем составе радиотехнические устройства, осуществляющие функции управления, регулирования, координации и связи. При этом круг задач, решаемых с помощью радиотехнических устройств, с каждым годом расширяется, а их сложность возрастает. Это привело к тому, что оснащённость радиотехническими устройствами таких объектов, как корабли, самолёты, спутники, чрезвычайно возросла, и отказ в работе хотя бы одного из устройств может привести к отказу всего объекта. Поэтому и требования к надёжности радиотехнических устройств всё время возрастают [13-15].
Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов РТУ. Ухудшение надёжности и стабильности работы аппаратуры вызывается механическими воздействиями, наиболее опасными из которых являются линейные перегрузки, вибрации и удары. Источниками этих воздействий могут быть различные двигатели, в том числе и реактивные, дорожная тряска, быстро вращающиеся разбалансированные массы, акустические шумы, ударная волна и многие другие. Они приводят в одних случаях к помехам в каналах передачи информации, так как параметры электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и узлов могут претерпеть обратимые и необратимые изменения, в других - к снижению точности работы аппаратуры, в третьих - к механическим разрушениям элементов конструкций [16].
Конструкции бортовых РТУ обычно подвержены вибрационным воздействиям с параметрами: диапазон вибраций 20...2000 Гц, уровень ускорений гармонической вибрации и среднеквадратических ускорений случайной вибрации до 50 g, - которые имеют тенденцию дальнейшего роста; температура участков конструкций бортовой аппаратуры достигает +85 С. В этих условиях часто не удается избавиться от резонансов в конструкции, что приводит к превышению допустимых ускорений ЭРЭ, перемещений и напряжений в элементах конструкций. При вибрационных воздействиях в выводах ЭРЭ возникают знакопеременные механические напряжения. Это приводит к накоплению усталостных повреждений в материалах выводов и при длительном воздействии вибрации может привести к обрыву выводов, то есть к потере работоспособности ЭРЭ [17].
Кроме вибрации, аппаратура может подвергаться ударным воздействиям, возникающим при транспортировке, монтаже или эксплуатации, при действии ударной волны и т.д. В процессе удара нагрузки к элементам аппаратуры прикладываются в течение короткого промежутка времени. Вследствие этого возникающие ускорения, перемещения и напряжения элементов аппаратуры могут достигать больших значений и вызывать различные повреждения. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса. При периодическом приложении ударных импульсов блок РТУ на упругих опорах приходит в колебательное движение.
Таким образом, возникает необходимость одновременной защиты от ударов и вибраций [18].
Линейные ускорения характерны для всех объектов, движущихся с переменной скоростью (например, при разгоне, торможении). Влияние линейных ускорений на детали конструкций и ЭРЭ обусловлено инерционными силами, которые могут достигать и во много раз превышать силы тяготения. При движении объекта по криволинейной траектории, например по дуге окружности, элементы конструкции аппарата будут испытывать центробежное ускорение. Трудность борьбы с влиянием линейных перегрузок заключается в том, что они практически не поддаются ослаблению. Только в случае кратковременного действия линейных перегрузок могут быть использованы некоторые конструктивные меры защиты. Во всех же остальных случаях обеспечение требований НТД по механическим характеристикам элементов конструкции может быть достигнуто только за счет увеличения их жесткости, что ведет к увеличению массы [26].
Воздействие акустического шума приводит к механическому возбуждению деталей и узлов конструкций РТУ, а также различных ЭРЭ. Отличие данного вида возбуждения от вызванных механической вибрацией заключается в распределенном воздействии их усилий, зависящих не только от уровня звукового давления, но и от площади изделия. При чисто механических воздействиях вибрация передается изделиям, главным образом, через точки крепления. В технических заданиях на разработку РТУ звуковое давление, создаваемое акустическим шумом, задается до 175 дБ в диапазоне частот от 10 до 10000 Гц. Давление в столь широком диапазоне частот может привести к существенным поломкам в аппаратуре из-за резонансных колебаний [26].
Подавляющее большинство отказов РТУ из-за механических воздействий связано с выходом за пределы, установленные нормативно- технической документацией, механических характеристик конструкций РТУ - ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы аппаратуры. При этом важно отметить, что ускорение на каждом ЭРЭ не должно превышать допустимое по техническим условиям (ТУ) значение. Кроме того, к нарушениям прочности часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРЭ и их разрушение.
Наличие тепловыделяющих элементов в составе конструкций РТУ в сочетании с широким диапазоном температур окружающей среды приводит к появлению паразитного теплового фактора, оказывающего существенное влияние на механические процессы, в том числе за счет появления температурных напряжений. При этом от температуры зависят такие физико-механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь (логарифмический декремент затухания колебаний (ЛДЗК)), предел усталости [19].
Моделирование и оптимизация конструкций РТУ при гармонической вибрации
Одной из наиболее сложных задач в техническом проектировании является оптимизация конструкций. Методы и алгоритмы оптимизации составляют фундамент математического обеспечения проблемы принятия решений в проектировании. Любой процесс проектирования в той или иной мере связан с оптимизацией проектных решений, поскольку проект, в конечном счете, должен удовлетворять определенным техническим условиям. Если при конструировании РТУ возникает необходимость дополнительной защиты от внешних факторов, то конфликтными условиями здесь часто становятся ограничения по габаритам, массе и стоимости изделия, так как проведение дополнительной защиты связано с добавлением элементов в конструкцию РТУ, заменой материалов, производством дополнительных работ.
Задача исследования операций при конструировании и технологической подготовке производства РТУ состоит в математической формализации вербальных (словесных) формулировок, количественных ограничений технического задания и обязательных нормативных документов в виде типовой модели операции с известным алгоритмом нахождения оптимального решения. Таким образом, в исследовании операций, цель которого состоит в отыскании оптимальных решений, наблюдается три характерные части. Первая часть исследований связана с построением математической модели операции, вторая - с выбором критерия оптимальности и выделением ограничений, а третья - с применением известных методов оптимизации для нахождения решения. Фактически первые две части исследований относятся к постановке оптимизационной задачи, а последняя - к ее решению [41 - 45].
Представление механического процесса в виде отдельной расчетной системы является по сути дела средством выделения этого процесса с целью его расчета и исследования, при котором другие процессы, в соответствии с терминологией системотехники, играют роль внешней среды, воздействующей на рассматриваемую систему, то есть на исследуемый механический процесс.
Операторное описание механического процесса имеет вид: где Ш - операторы моделей, связывающие между собой входное воздействие выходные характеристики и внутренние параметры конструкции ! Т); Т - внешнее воздействие в виде массива температур участков конструкции; - независимый аргумент (время, частота).
Математическая модель механических процессов отображает операторную связь между указанными в (2.1) величинами уи 7,а также внутренними параметрами /. В процессе оптимизации величины х и у не изменяются и имеют значения, которые предусмотрены в ТЗ на проектирование. В этом же ТЗ содержатся требования к выходным механическим характеристикам у. Они сформулированы в форме ограничений, односторонних или двусторонних. Смысл оптимизационной задачи состоит в том, чтобы удовлетворить требования к выходным механическим характеристикам наилучшим образом путем соответствующего изменения внутренних параметров ц.
Задача оптимизации сводится к нахождению вектора внутренних параметров / из множества допустимых векторов, составляющих минимум целевой функции при заданном векторе входных воздействий .г и ограничениях. Для нестационарной аппаратуры существенную роль играет масса, которую было бы целесообразно выбрать в качестве критерия оптимальности. Однако, учитывая тот факт, что моделирование механических процессов в конструкциях РТУ проводится преимущественно на основе численных методов, связать массу и ограничения по выходным механическим характеристикам практически невозможно. Тем более, на первом месте стоит задача обеспечения требований НТД по механическим характеристикам. А снижение массы является часто желательной, но не обязательной задачей, хотя в ряде случаев (например, для самолетной аппаратуры) предельная масса изделия жестко оговаривается в техническом задании на разработку аппаратуры. Поэтому целесообразнее целевую функцию построить на основе одной из выходных механических характеристик, которую необходимо обеспечить, а параметры, от которых напрямую зависит масса, сделать варьируемыми с целью ее снижения. Таких выходных характеристик в конструкции РТУ в общем случае три: ускорение, перемещение и механическое напряжение. Таким образом, возможны три частных критерия оптимальности. В каждом конкретном случае используется тот или иной частный критерий.
Вид целевой функции получим исходя из следующих соображений. Часто при проектировании параметры конструкции берутся заранее с большими запасами, чтобы наверняка обеспечить требования НТД по механическим характеристикам. Однако эти запасы могут оказаться не оправданно большими, то есть требования НТД могут выполняться и при значительно меньших значениях параметров, влияющих на массу изделия, например толщины стенки блока. В результате получаем завышенные значения массы конструкции. Чтобы этого не происходило, нужно определиться с предельным значением выходной характеристики и устремить разницу между расчетным значением выходной характеристики и ее предельным значением к нулю, то есть минимизировать эту разницу, что может быть сделано путем варьирования выбранных параметров [46 - 48].
Для каждой выходной механической характеристики практически всегда есть предельное значение: для ускорения это максимально допустимое ускорение по ТУ на РЭ; для перемещения это расстояние между частями конструкции, между которыми возможны соударения; для механического напряжения это предел прочности.
Кроме того, в процессе проектирования конструкций РТУ, подверженных механическим воздействиям, необходимо учитывать разбросы геометрических, физико-механических параметров конструкций, а также параметров самих механических воздействий. Поэтому выходная характеристика должна браться с учетом допуска. Необходимо также предусмотреть возможность введения разработчиком некоторых запасов на выходные механические характеристики.
Алгоритм автоматического синтеза моделей механических процессов в конструкциях РТУ на виброизоляторах
Современные информационные технологии проектных исследований радиотехнических устройств требуют реализации комплексного моделирования протекающих в РТУ физических процессов. Сложность проектных исследований конструкций РТУ на механические и тепловые (в том числе комплексные) воздействия обусловлена как многофункциональностью элементов конструкции (например, несущие элементы конструкции служат для крепления элементов, придания конструкции жесткости, осуществления теплоотвода), что является специфической особенностью современных РТУ, так и неопределенностью физических параметров материалов в составе конструкции - коэффициентов жесткости, коэффициентов механических потерь, коэффициентов теплопроводности и т.д. При этом на физико-механические параметры материалов конструкций существенное влияние оказывают температуры участков конструкций РТУ.
Разработанная на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА) [83 -88] имеет в своем составе четыре проблемно-ориентированные подсистемы: - анализа и обеспечения электрических характеристик аппаратуры (АСОНИКА-Э); - анализа и обеспечения тепловых характеристик аппаратуры (АСОНИ- КА-Т); - анализа и обеспечения механических характеристик аппаратуры (АСОНИКА-М); - анализа и обеспечения показателей надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА-К).
Рассмотрение вопросов анализа тепловых процессов в конструкциях РТУ будет опущено, так как они не составляют предмет данной диссертации. Структура подсистемы АСОНИКА-ТМ, с которой интегрирована подсистема ВИБРОЗАЩИТА, представлена на рис.3.1. В диссертации рассмотрены структура единой подсистемы АСОНТЖА-ТМ, структура классов монитора, а также программный комплекс для расчета механических характеристик конструкций РТУ на виброизоляторах при различных воздействиях.
Подсистема имеет в своем составе монитор (управляющую программу), обеспечивающий связь между сервисной оболочкой и программными модулями, входящими в подсистему. Монитор дает возможность пользователю осуществить выбор задач, обеспечить программу входной информацией, организовать процесс управления программным обеспечением подсистемы.
Информационная согласованность подсистемы АСОНИКА-ТМ с подсистемами АСОНИКА-Э и АСОНИКА-К достигается с помощью интерфейсов связи, задачей которых является преобразование структуры и выходных форматов одной подсистемы во входные форматы и структуру, приемлемые для другой подсистемы.
Через интерфейс связи с подсистемой АСОНИКА-Э в подсистему АСОНИКА-ТМ передается информация о токах через элементы и узловых потенциалах для каждого функционального узла аппаратуры; затем по полученным значениям производится расчет мощностей тепловыделений на ЭРЭ. Этот же интерфейс получает из подсистемы АСОНИКА-ТМ значения температур на ЭРЭ и формирует входной файл для подсистемы АСОНИКА-Э. Интерфейс связи тепловых и механических расчетов внутри подсистемы АСОНИКА-ТМ «ИНТЕРФЕИС-ТМ» получает значения температур участков кон- струкции по результатам работы программного комплекса для расчета тепловых характеристик «ТЕПЛО» и формирует входной файл для программного комплекса для расчета механических характеристик типовых конструкций РТУ при сложных воздействиях «МЕХАНИКА».
Вся информация по результатам работ подсистем АСОНИКА-Э и АСО- НИКА-ТМ передается в подсистему АСОНИКА-К с использованием соответствующих интерфейсов связи. Расчет показателей надежности РТУ проводится, таким образом, на основе моделирования физических процессов в аппаратуре. Полученные в результате моделирования электрических и тепловых процессов в РТУ токи через р-n переходы полупроводниковых приборов, функции чувствительности выходных характеристик РТУ к изменению параметров ЭРЭ и температур на ЭРЭ используются в модели надежности РТУ для исследования стабильности выходных характеристик аппаратуры, а значения коэффициентов электрической нагрузки ЭРЭ, температур на ЭРЭ и ускорений ЭРЭ - для исследования показателей безотказности РТУ.
Реализовать последовательность проектных процедур при разработке устройства на печатной плате, включающую этапы размещения ЭРЭ на печатной плате и ее трассировку, позволяет интерфейс с САПР P-Cad. Данный интерфейс позволяет обработать выходной файл САПР P-Cad, реализованный в формате PDIF, и получить информацию о размерах печатной платы и ее топологии. Далее полученные данные (размеры печатной платы, координаты установки ЭРЭ и их ориентация) поступают в подсистему АСОНИКА-ТМ. Таким образом, конструктору не требуется заново описывать конструкцию печатной платы, спроектированной в системе P-Cad, при расчете тепловых и механических характеристик.
Методика обучения работе с подсистемой при проведении научно- исследовательских работ и в учебном процессе вузов
При синтезе варианта структуры конструкции решаются задачи выполнения требований НТД по механическим характеристикам. Для придания этому процессу законченного типового характера разработана и используется методика анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ на виброизоляторах к механическим воздействиям (см. рис.4.1), позволяющая на основе созданных в работе метода и моделей и с использованием автоматизированной подсистемы "ВИБРОЗАЩИТА", содержащей банк данных виброизоляторов, материалов и типовых проектных решений, провести обоснованный и целенаправленный синтез конструкции РТУ, отвечающей требованиям НТД по механическим характеристикам и ограничениям по массе, используя предложенный в работе метод идентификации виброизоляторов при выборе лучшего варианта структуры, и дать рекомендации по наиболее слабым с точки зрения механических характеристик местам в конструкции, где нужно установить виброизоляторы.
Интерактивный режим представляет собой специально организованное, в рамках непрерывного технологического процесса автоматизированного конструирования, сочетание в любых последовательностях и пропорциях автоматических вычислений по программам, реализующим типовые (стандартные) проектные процедуры, и взаимодействие конструктора- оператора с подсистемой в интерактивном режиме для разрешения не формализуемых задач, оценки результатов, принятия решений и директивных указаний по режимам и условиям дальнейшего конструирования. При реализации интерактивного режима конструирования конструкций РТУ на базе ЭВМ IBM/PC заложены следующие принципы: 1. В интерактивном режиме конструирования возможны задание, получение и выбор наилучшего решения (по формализованным, неформализованным и визуальным критериям) из определенного множества вариантов, рассчитываемых в автоматическом режиме, то есть возможно многовариантное конструирование. 2. Интерактивный режим позволяет не накапливать неразрешимые в автоматическом режиме задачи до конца автоматических вычислений, а решать их конструктору-оператору по мере их возникновения, переходя в интерактивный режим путем прерывания автоматических вычислений на время разрешения «конфликтной проектной ситуации». 3. В интерактивном режиме можно задавать и отменять контрольные точки, в которых конструктору будут предъявляться результаты автоматического выполнения типовых проектных процедур и в которых он будет производить оценку полученных результатов или изменять условия и ход процесса конструирования по своему усмотрению. Центральным местом методики является методика идентификации параметров виброизоляторов - коэффициентов механических потерь и жесткости, позволяющая получить неизвестные параметры модели механических процессов. Рассмотрим основные положения разработанной методики анализа и обеспечения стойкости конструкций РТУ, установленных на виброизоляторах. 1. Задание геометрических и физико-механических параметров конструкции, предельных значений выходных характеристик и допустимых значений, варьируемых с целью снижения массы параметров; задание варианта закрепления конструкции на виброизоляторах и характеристик виброизоляторов (коэффициентов жесткости к по трем осям и коэффициентов механических потерь). 2. Формирование целевой функции на основе выходных характеристик, указанных в описанных в диссертации алгоритмах при оптимизации конструкций с целью снижения массы. 3. Формирование обобщенной функции оптимизации на основе целевой функции и ограничений, указанных в описанных в диссертации алгоритмах при оптимизации конструкций с целью снижения массы. Варьируемыми параметрами принимаются только характеристики виброизоляторов. 4. Формирование макромодели механических процессов конструкции РТУ на виброизоляторах. 5. Минимизация целевой функции по методу Нелдера-Мида. 6. Если выбор виброизоляторов предполагается из имеющейся номенклатуры, то берутся виброизоляторы со значениями характеристик, наиболее близкими к тем, которые получены из оптимизации. Если нет, то по полученным характеристикам изготавливаются новые виброизоляторы. Для определения путей наиболее рационального изменения конструкций РТУ с целью обеспечения стойкости к механическим воздействиям используются функции параметрической чувствительности. 7. При наличии нескольких вариантов конструкции, выполняющих требования НТД по механическим характеристикам, полученных в результате оптимизации, нужно выбрать наиболее подходящий вариант. Масса конструкции и механические характеристики, в частности, резонансная частота являются конфликтными параметрами: уменьшая толщины стенок, размеры сечений, влияющие на массу в сторону уменьшения, мы сдвигаем вправо резонансную частоту, ухудшая механические характеристики. Например, получены 2 варианта: конструкция №1 с массой 5,4 кг и виброускорением при допустимом ускорении 2g и конструкция №2 с массой 5 кг и виброускорением при допустимом ускорении 2g. Здесь требуется экспертная оценка. Для одного заказчика более важным показателем является минимальная масса, для другого - минимальное ускорение. Для того чтобы судить о качестве конструкции в целом, необходимо показатели массы и механические показатели свести к одному, комплексному показателю, который качественно оценит одну разработку в сравнении с другой того же назначения. Такой комплексный показатель имеет вид: где ш - коэффициент весомости для массы; т1 - коэффициент весомости для ьй выходной механической характеристики; М Б - базовое (заданное) значение массы; Мр - расчетное (полученное) значение массы; АБ - допустимое значение 1-й выходной характеристики; Ар - расчетное значение 1-й выходной характеристики.
Если затруднительно обеспечить выполнения требований НТД по механическим характеристикам в случае, когда были испробованы все варианты при оптимизации в установленных пределах, то возможно применение многоуровневой виброизоляции. При её расчёте можно применить автоматизированную подсистему "ВИБРОЗАЩИТА".
Таким образом, разработанная методика позволяет целенаправленно обеспечивать требования технического задания по механическим воздействиям на основе математического моделирования и информационных технологий и обоснованно осуществлять оптимальное проектирование конструкций РТУ, стойких к механическим воздействиям, что позволяет, в конечном счете, существенно снизить материальные и временные затраты на разработку аппаратуры и повысить ее качество.
