Средства компьютерного моделирования механических процессов в электронной аппаратуре

УДК 681.5

Лышов С.М. , Иванов И.А. Увайсов, С.У.

Москва, МИЭМ ВНИУ ВШЭ

СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

На ранних стадиях проектирования бортовых электронных устройств (БЭУ) особое внимание уделяется электрическим, тепловым, аэродинамическим и механическим процессам. Данное обстоятельство объясняется тем, что перечисленные процессы в наибольшей степени влияют на характеристики надежности БЭУ, при этом защита от их негативного влияния на аппаратуру является наиболее сложной. Так же следует отметить, что перечисленные процессы тесно взаимосвязаны между собой, что может приводить к появлению так называемых системных отказов, возникающих в условиях одновременного воздействия нескольких процессов и не проявляющихся, если эти же процессы действуют на объект по отдельности в разные моменты времени. Так как сложность современных БЭУ очень высока, человек уже не в состоянии предсказать результаты комплексного влияния нескольких процессов на характеристики разрабатываемой аппаратуры даже качественно. Для этой цели применяют программы математического моделирования, позволяющие определять характеристики объектов до изготовления экспериментальных образцов, что способствует сокращению времени проектирования, уменьшению материальных затрат и в целом обеспечивает более качественные результаты.

На сегодняшний день существует довольно большое количество программных средств, позволяющих моделировать эти четыре процесса как с учетом их взаимосвязи, так и по отдельности.

Очевидно, что для БЭУ наиболее важными являются электрические характеристики. Среди программ, позволяющих проводить анализ электрических процессов, наиболее известными являются: PSpice, DesignLab, OrCAD, Multisim, Micro-Сар.Моделирование электрических процессов может проводиться в аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройствах. В процессе моделирования существует возможность учета влияния температуры электрорадиоэлементов (диодов, транзисторов и др.) на электрические характеристики устройства. Однако учет теплового процесса реализован не удачно, так как задается одинаковая температура для всех электрорадиоэлементов схемы, что на практике не встречается.

Корпорация MicroSim создала первую версию программы PSpice для IBMPC в 1984 г., но, несмотря на это, она до сих пор используется многими инженерами для проведения расчетов электрических процессов в схемах. В основе PSpice лежит программа схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная в начале 70-х годов в Калифорнийском университете г. Беркли. В ранних версиях описание электрической схемы производилось с помощью специализированного входного языка, который поддерживается многими системами схемотехнического проектирования, такими как: OrCAD, P-CAD, Micro-Cap, Dr. Spice, ACCELEDA, Viewlogic и др. В более поздних версиях программа совершенствовалась, в частности появилась возможность моделировать смешанные аналого-цифровые устройства, а с выходом версии для ОС Windows, когда PSpice вошел в состав программной системы DesignCenter, появилась возможность ввода принципиальных схем с помощью графического редактора. Позднее PSpice входил в систему DesignLab. В настоящее время, после объединения корпораций MicroSim и OrCad, PSpiceявляется составной частью системы OrCAD 9.2, выпускаемой фирмой CadenceDesignSystems. Относительно моделирования электрических процессов система OrCAD (PSpiceA/D) позволяет проводить: расчеты режима по постоянному току; расчет частотных характеристик; расчет переходных процессов;

многовариантный и статистический анализ по методу Монте-Карло; расчет чувствительности схемы к разбросу параметров элементов.

Кроме этого имеются следующие возможности: проведение графического анализа формы сигнала; анализ производительности по результатам моделирования; графическое редактирование входных сигналов; аналитическое задание входных воздействий;

полуавтоматическое описание полупроводниковых устройств на основе данных производителя.

Для ввода принципиальной электрической схемы в состав системы OrCAD входят графические редакторы схем OrCADCapture и PSpiceSchematics.

В базе данных аналоговых моделей системы OrCAD содержится около 12 тыс. устройств (диоды, транзисторы, операционные усилители, тиристоры, оптроны, стабилизаторы, нелинейные магнитные устройства и др.).

Система OrCAD кроме описанных программных модулей (OrCadCapture, PSpiceSchematics, PSpiceA/D) содержит следующие компоненты:

OrCadCaptureCIS (ComponentInformationSystem) - еще один графический редактор принципиальных электрических схем, в состав которого включены средства ведения баз данных компонентов, с возможностью доступа к каталогу компонентов через Internet;

OrCADPSpiceOptimizer - программа параметрической оптимизации, работающая совместно с PSpiceA/D и Capture; позволяет задавать кроме линейных также нелинейные целевые функции и ограничения; оптимизация может проводится как интерактивно с участием пользователя, так и автоматически;

OrCADLayout - программа графический редактор печатных плат, имеет в своем составе сеточный автотрассировщик проводников (до 16 слоев) и позволят создавать с помощью GerbTool управляющие файлы для фотоплоттеров;

OrCADLayoutPlus - имеет дополнительно к возможностям OrCADLayout бессеточный автотрассировщик SmartRout;

OrCADLayoutEngineer'sEdition - программа для расстановки компонентов на плате и прокладки критических цепей, которую инженер-схемотехник выполняет самостоятельно; программа позволяет просматривать печатные платы созданные в OrCADLayout и LayoutPlus;

OrCADGerbTool - программа, предназначенная для создания и редактирования управляющих файлов для фотоплоттеров, запускается из меню OrCADLayout или LayoutPlus;

Visual CADD - графический редактор сборочных чертежей получающий данные для работы от Or-CADLayout или LayoutPlus.

Рассматривая систему OrCAD в качестве средства проектирования печатных плат БЭУ, следует отметить, что для качественного решения данной задачи OrCAD следует использовать совместно с программами расчета тепловых и механических режимов ЭРЭ ПП.

Дело в том, что, как уже упоминалось, БЭУ подвергаются воздействию широкого спектра дестабилизирующих факторов, в том числе механических, тепловых, электромагнитных и т.д. Для защиты от этих воздействий может потребоваться изменить точки крепления и толщину печатных плат, добавить новые конструктивные элементы (радиаторы, экраны, тепловые шины, ребра жесткости и т.д.), данные мероприятия практически всегда требуют переразмещения компонентов и, следовательно, должны быть учтены на соответствующем этапе проектирования печатной платы. Однако программные средства моделирования этих процессов в системе OrCAD не представлены, следовательно, для решения этих вопросов потребуется применение программного обеспечения сторонних разработчиков.

Другой, не менее известной системой моделирования электрических процессов в является система Micro-Cap, выпускаемая фирмой SpectrumSoftware. Первая версия программы увидела свет в сентябре 1982 года. Последний вариант программы, доступный в настоящее время, называется MicroCap 7 . О (рис.1) .

Рис. 1. Пример моделирования электрической схемы в программе Micro-Cap 7.0

Micro-Cap 7.0, так же как и PSpice (система OrCAD), позволяет моделировать аналоговые, цифровые и смешанные аналого-цифровые устройства. В основе математического ядра программы лежат алгоритмы программы SPICE. Основные особенности программы Micro-Cap седьмого поколения это:

интегрированный графический редактор ввода и математическое ядро анализа электрических схем, что позволяет выполнять расчет, не подгружая других программ;

SPICE совместимые модели компонентов и математическое ядро; анализ по постоянному току;

малосигнальный анализ в частотной области; анализ переходных процессов; спектральный анализ; анализ методом Монте-Карло; проведение параметрической оптимизации;

PCB-интерфейс с популярными программами размещения и трассировки печатных плат (ПП); базу данных, содержащую более 15000 компонентов; моделирование смешанных аналого-цифровых устройств;

отображение результатов расчета одновременно с процессом моделирования, что позволяет разработчику контролировать и прерывать расчет, если получаемые результаты его не удовлетворяют, в результате чего экономится время;

отображать результаты в виде SD-графиков рис. 1.

Как видно, в части моделирования электрических процессов программа Micro-Cap во многом схожа с возможностями системы OrCAD, однако она не имеет средств размещения компонентов, трассировки проводников, подготовки управляющих файлов для фотоплоттеров и выполнения сборочных чертежей. Поэтому фирма SpectrumSoftware предлагает ее как экономичное решение разработки электронных схем, обладающее удобным интерфейсом, мощным математическим ядром и широкими возможностями отображения результатов. Но при разработке электрической схемы ПП БЭУ часто требуется учитывать температуры элементов проектируемой платы, поэтому для полноценного выполнения этой задачи потребуется использовать программы моделирования теплового режима элементов ПП.

Говоря о программах моделирования электрических процессов нельзя не упомянуть про систему Multisim 2001 разработки компании ElectronicWorkbench. Свою известность данная программа получила за очень простой и удобный графический редактор ввода электрических схем (рис. 2.), а так же возможность использования в процессе моделирования так называемых виртуальных приборов: осциллографа, генератора, мультиметра и др.

С помощью программы Multisim можно выполнить следующие виды расчетов:

анализ схемы по постоянному току;

анализ в частотной области;

анализ переходных процессов;

спектральный Фурье-анализ;

расчет функций чувствительности по постоянному и переменному току;

изменение характеристик в статической, частотной и временной областях от изменения температуры;

статистический анализ по методу Монте-Карло; расчет наихудшего случая;

расчет полюсов и нулей (точек нестабильности) и др.

Рис. 2. Пример расчета электронной схемы в программе Microsim

Программа Microsim имеет: базу данных с моделями более чем 16000 компонентов электронных схем; импорт/экспорт описания схем в формате SPICE; PCB-интерфейс для связи с программами размещения и трассировки ПП; а так же средства автоматической передачи результатов расчета в программы MicrosoftExcel и MathsoftMathcad.

Таким образом, можно сделать вывод, что рассмотренные программы моделирования электрических процессов имеют схожие характеристики по возможностям расчета электронных схем, но ни одна из них не позволяет создавать электронные схемы БЭУ без использования дополнительного специализированного программного обеспечения.

Многочисленные программные комплексы на основе метода конечных элементов наиболее развиты применительно к расчетам на прочность элементов и узлов конструкций в авиационной и космической технике и в строительстве. В России к числу крупных универсальных программных комплексов можно отнести «Прочность-75», «Каскад-2», Compas, «ДИАНА», а за рубежом - NASTRAN, ASKA, ISCRA, STARDYNE, ANSYS

Рис. 3 Пример расчетной модели в интерфейсе ANSYS Workbench

Использование существующих универсальных, так называемых, «тяжелых» программных комплексов на ранних этапах проектирования конструкций РТУ, имеющих сложную неоднородную и нерегулярную структуру и содержащих большое количество (тысячи) РЭ с различными вариантами крепления вызывает затруднения по следующим основным причинам:

1) отсутствие специализированных графических интерфейсов для ввода типовых конструкций РТУ;

2) от разработчика РТУ требуются специальные знания в области математического моделирования механических процессов, каковыми он, в подавляющем большинстве случаев, не обладает;

3) лежащие в основе программ модели имеют большую размерность, требуют больших временных затрат применительно к РТУ - от нескольких часов до нескольких дней и месяцев (расчет каждого РЭ, оптимизация, анализ разбросов и пр.);

4) отсутствуют базы данных с необходимыми геометрическими и физико-механическими параметрами РЭ и материалов, получение многих из которых, требует проведения специальных исследований;

5) обучение работе с такими комплексами требует значительных временных затрат, даже для специалистов.

Поэтому, предлагается использовать специализированный отечественный программный продукт, изначально ориентированный на проведение расчета типовых конструкций (блоков, шкафов, ячеек и т.д.) методами конечных разностей и элементов в зависимости от конструктивных исполнений РТУ.

К таким комплексам, в частности, относятся подсистемы АСОНИКА: АСОНИКА-М, АСОНИКА-ТМ.

Каждый модуль (типовая конструкция) - шкаф, стойка, блок, ПУ, РЭ - сам может быть представлен в виде совокупности базовых конструктивных элементов, каковыми в общем случае являются пластина, стержень, виброизоляторы. Полученная путем декомпозиции модель отдельного модуля последовательно редуцируется к упрощенным моделям меньшей сложности (макромоделям). Эта процедура предполагает исключение не влияющих или слабо влияющих на результаты исследований и расчетов составляющих математической модели. Решение данной задачи базируется на экспериментальных исследованиях и параметрической идентификации.

Для моделирования механических процессов необходимо решать дифференциальные краевые задачи. Изначально был принят следующий подход: «В каждом конкретном случае приходится выбирать подходящий аналитический способ и, если такого не окажется, то переходить к одному из дискретных способов». Аналитические методы дают следующие преимущества: 1) значительный выигрыш по времени, особенно при случайных воздействиях (в связи с использованием, как будет сказано далее, метода Монте-Карло) и при расчете выводов РЭ (в связи с большим количеством элементов); 2) возможность предварительного расчета коэффициентов механических потерь (КМП) по полученным формулам. Для сеточной модели нельзя заранее получить КМП, и это приводит к большому числу итераций при расчете ускорений на каждом шаге по времени или частоте.

Однако аналитическое решение жестко привязано к варианту крепления. Усложнение объектов проектирования резко сужает область применения аналитических методов моделирования механических процессов в конструкциях РТУ. Разработанный В.Л. Рвачевым аналитический метод решения задач механики не получил распространения в связи со сложностью получаемых формул. Указанных недостатков лишены решения на основе сеточных методов: метода конечных разностей (МКР), метода конечных элементов (МКЭ), метода граничных элементов, метода суперэлементов. В настоящее время МКР и МКЭ являются наиболее распространенными методами, используемыми в научно-технических и инженерных расчетах при исследовании полей различной физической природы. С точки зрения теоретических оценок точности методы обладают примерно равными возможностями. Оба метода имеют погрешности аппроксимации. В МКР строятся, как правило, регулярные сетки, особенности геометрии области учитываются только в околограничных узлах. В связи с этим МКР чаще применяется для анализа задач с прямолинейными границами областей определения функций. В МКЭ разбиение на эле-

менты производится с учетом геометрических особенностей области. Поэтому МКЭ наиболее часто используется для решения задач с произвольной областью определения функций, таких, как расчет на прочность деталей и узлов строительных конструкций, авиационных и космических аппаратов, тепловой расчет двигателей и т.д. Так как все типовые конструкции, рассматриваемые в пособии, имеют прямолинейные границы, и, учитывая, что для таких конструкций при одинаковой с МКР точностью, применение МКЭ представляется весьма неэкономичным по времени расчета на ЭВМ, в качестве сеточного метода был выбран МКР.

Одним из наиболее важных моментов в постановке задач анализа механических характеристик конструкций является задание в модели граничных условий, определяющих способ и характер закрепления конструкции к объекту. Здесь же остановимся на некоторых физических аспектах вопроса. Использование физических представлений весьма эффективно при задании граничных условий.

При построении уравнений динамического равновесия для узла модели следует учитывать степень подвижности узла. При описании конструкции необходимо определить способ закрепления отдельных точек, областей, т.е. определить, какие степени свободы из шести возможных следует рассматривать или, наоборот, исключить из рассмотрения. Например, если какая-либо точка жестко закреплена, то в соответствующем ей узле модели исключаются все шесть степеней свободы. Для случая шарнирного закрепления в узле модели исключаются линейные перемещения. Исключая те или иные степени свободы, можно учесть любой, в пределах принятых ограничений, характер закрепления. Уравнения, соответствующие исключенным в узле степеням свободы, не составляются.

При решении нестационарных задач анализа на вибрации, удары и линейные ускорения в точках крепления могут быть заданы внешние воздействия в виде перемещений или ускорений в определенных направлениях. При воздействии акустического шума внешнее возбуждение в виде акустического давления задается для всех узлов модели, а не только для точек крепления. В этих случаях функции перемещения, ускорения или акустического давления в точках крепления по соответствующим степеням свободы полагаются известными и уравнения для этих степеней свободы не составляются.

Для «незакрепленных» узлов модели, относящихся к какой-либо граничной поверхности конструкции, составляются усеченные уравнения динамического равновесия, в которых учитывается отсутствие тех или иных связей рассматриваемого узла. Этим фактически учитывается отсутствие сил и моментов на свободной поверхности конструкции.

В конструкциях РТУ возможны различные случаи нежестких соединений, которые несколько отличаются от классических граничных условий. Кроме того, возможно наличие ребер жесткости в конструкции. В этих случаях в уравнения динамического равновесия должны быть введены соответствующие усилия. Например, если перемещение какой-либо точки конструкции вызывает возникновение силы трения, то эта сила должна быть учтена в соответствующем уравнении. Заметим, что зависимость усилия от перемещения при нежестких соединениях может иметь нелинейный характер; в этих случаях в каждом цикле вычислений величина того или иного усилия (или коэффициента жесткости) корректируется в соответствии с заданной или полученной экспериментальной зависимостью.

Таким образом, задание граничных условий позволяет моделировать различные способы закрепления конструкции. Совместно с уравнениями динамического равновесия дискретных элементов граничные условия составляют систему разрешающих уравнений, описывающих динамику конструкций.

Описание подсистемы АСОНИКА-ТМ. Основу подсистемы составляет интегрированная среда (монитор - управляющая программа), осуществляющая ввод конструкции печатного узла, выбор типа расчета и задание графиков входных воздействий, а также управление данными между независимыми процессором и постпроцессором и базой данных по конструкционным материалам и электрорадиоэлемен-там.Управляющая программа позволяет отслеживать всю иерархию конструкции от шкафа до каждого радиоэлемента, осуществляя передачу выходных данных от высшего уровня к низшему (например, от блока к печатному узлу), для которого те являются входными данными (например, ускорения на опорах, температура воздуха между платами). Анализ на механические воздействия шкафов, стоек и блоков радиоэлектронных средств (РТУ) проводится с использованием подсистемы АСОНИКА-М на базе расчетного ядра ANSYS.

Подсистема предназначена для анализа механических и тепловых характеристик печатных узлов (ПУ) и электрорадиоэлементов (ЭРИ) при тепловых (стационарных и нестационарных) и механических (гармоническая и случайная вибрации, одиночный и многократный удары, линейные ускорения и акустический шум) воздействиях.

Подсистема позволяет проводить:

анализ стационарных и нестационарных тепловых процессов в ПУ;

анализ механических процессов в ПУ при воздействии гармонической и случайной вибраций, одиночных ударов и ударов многократного действия, линейных ускорений и акустических шумов с учетом нелинейности механических характеристик;

комплексный анализ механических процессов в ПУ с учетом температуры нагрева участков ПУ, температуры окружающей среды и аэродинамического сопротивления воздуха;

анализ усталостной прочности выводов ЭРИ.

Исследуемые конструкции могут быть закреплены произвольным образом и иметь произвольную ориентацию в пространстве.

Подсистема имеет монитор (управляющую программу). Монитор обеспечивает связь между сервисной оболочкой подсистемы и программами, входящими в подсистему. Монитор дает возможность осуществить выбор задач, обеспечить программы входной информацией, организовать процесс управления программным обеспечением подсистемы в соответствии с принятой методикой проектирования РТУ.

Подсистема имеет базу данных, которая содержит геометрические, теплофизические и физикомеханические параметры ЭРИ и конструкционных материалов.

Подсистема имеет связь с САПР конструирования печатных узлов P-CAD, ACCEL EDA.

В результате расчетов на ЭВМ пользователем может быть получена следующая информация:

температуры корпусов и активных зон ЭРИ, участков ПУ при стационарных и нестационарных тепловых воздействиях;

динамические характеристики (ускорения, перемещения и напряжения) ЭРИ и участков ПУ при всех видах механических воздействий в заданный момент времени или частоты;

амплитудно-частотные и амплитудно-временные характеристики по ускорению, перемещению и напряжению, а также АВХ по температуре в контрольных точках ПУ и на ЭРИ;

максимальные напряжения в выводах ЭРИ и время до их усталостного разрушения при воздействии вибраций и шумов.

Вывод полученной в результате расчетов информации осуществляется в удобной для восприятия и дальнейшего анализа форме.

Описание подсистемы АСОНИКА-М. Подсистема АСОНИКА-М предназначена для анализа ускорений, перемещений и напряжений в конструкциях шкафов, цилиндрических блоков, блоков кассетного и этажерочного типов РТУ при воздействии гармонической вибрации, случайной вибрации, ударов, линейных ускорений.

Метод взаимодействия «проектировщик - система» для моделирования механических процессов в несущих конструкциях РТУ, положенный в основу подсистемы АСОНИКА-М, включает в себя:

методику расчета несущих конструкций РТУ с использованием конечноэлементного ядра при любых механических воздействиях;

методики сбора информации и принятия решений на основе полученных результатов;

инструментарий для повышения эффективности процесса проектирования (программы для автоматизированного ввода моделей, расчета и вывода результатов);

систему управления данными, возможность автоматической передачи информации между различными уровнями иерархии;

средства интеграции полученного программного комплекса с другими программами, используемыми в данной области, для достижения комплексного проектирования, и расчета РТУ от несущих конструкций до отдельных ЭРИ.

Входными данными для подсистемы АСОНИКА-М являются чертежи конструкций, а также данные технического задания на разработку изделия. Подсистема АСОНИКА-М включает в свой состав базу данных с геометрическими и физико-механическими параметрами ЭРИ и конструкционных материалов. На рис. 4 изображен пример модели блока РТУ построенной в подсистеме АСОНИКА-М.

Рис. 4. Модель блока, построенная методом конечных элементов в подсистеме АСОНИКА-М

Выходными данными подсистемы являются поля перемещений, ускорений, напряжений, а также графики зависимостей ускорений и перемещений от времени и частоты.

После анализа шкафов и блоков результаты моделирования передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования механических процессов в печатных узлах РТУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Увайсов С.У., Абрамешин А.Е., Лышов С.М., Дубоделова Д.А. Обеспечение эксплуатационной надежности космической аппаратуры неразрушающими методами виброударной диагностики // В кн.: Надежность и качество-2012: труды Международного симпозиума: в 2-х т. / Под общ. ред.: Н.К. Юрков. . Т. 2. Пенза: Пензенский государственный университет, 2012. С. 454-456.

2. Лышов С.М., Иванов И.А., Увайсов С.У. Экспериментальные исследования возможности вибродиагностики аппаратуры встроенными источниками колебаний // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: материалы международной научно-технической конферен-

ции / Отв. ред.: И.А. Иванов; под общ.ред.: С.У. Увайсов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012. С. 272-274.

3. Увайсов С.У., Иванов И.А., Увайсов Р.И. Показатели контролепригодности радиоэлектронной аппаратуры // Мир измерений. 2008. № 3. С. 47-51.

4. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во

ПГУ, 2013. - 108 с.

5. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367