Метод автоматизированного синтеза параметров конструкций радиоэлектронных средств при учете внешних виброударных воздействий

Метод автоматизированного синтеза параметров конструкций радиоэлектронных средств при учете внешних виброударных воздействий

А.А. Иванов, А.М.Кожевников Кафедра ИТАС, Московский государственный институт электроники и математики

Внешние механические воздействия (удары, вибрации, акустический шум) вызывают от 30 до 50% отказов бортовых радиоэлектронных средств (БРЭС). При этом ускорение на каждом электрорадиоизделии (ЭРИ) не должно превышать значение, допустимое по техническим условиям на него.

Если при конструировании БРЭС возникает необходимость защиты от механических воздействий, то конфликтными становятся ограничения по массе, особенно для авиационной и космической техники. Поэтому актуальной является задача оптимизации параметров проектируемых конструкций БРЭС, отвечающих требованиям по механическим характеристикам при минимально необходимых массе, габаритам и стоимости.

Наиболее распространенным типом конструкций БРЭС являются конструкции этажерочного типа, представляющие собой несколько печатных узлов, соединенных между собой стойками

Для автоматизированного проектирования вибронадежных этажерочных конструкций блоков БРЭС необходимы критерии оптимальности и методы по поиску (из заданного набора) оптимальных средств и их параметров для доведения механических режимов печатных узлов (ПУ) и элементов несущей конструкции до допустимого уровня. Методы должны оптимально решать следующие

функциональные задачи: определение габаритов печатных плат; определение

расположения мест крепления ПУ; рекомендовать места размещения ЭРИ и ребер жесткости на печатной плате; определять параметры минивиброизоляторов для печатных узлов; определять параметры элементов несущей конструкции (стоек); вырабатывать требования к системе виброудароизоляции БРЭС в целом в случае неудовлетворительных динамических механических характеристик конструкции.

Для функционального блока определения габаритов печатных плат фигурирует информация:

• в качестве входных данных - массовая нагрузка на плату, расположение ЭРИ, механические характеристики материала платы, параметры внешнего механического воздействия, топология расположения мест крепления и способ крепления, ограничения на размеры платы, необходимая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

• в качестве выходных данных (результаты проектирования) - рекомендуемые размеры платы в плане и толщина платы.

Для функционального блока размещения ЭРИ и ребер жесткости на печатной плате фигурирует информация:

• в качестве входных данных - описание характеристик отдельных ЭРИ (размеры, расположение, масса, способ крепления), размеры платы, описание мест

крепления, физико-механические характеристики материала платы; параметры внешнего механического воздействия, необходимая АЧХ;

• в качестве выходных данных (результаты проектирования) - рекомендуемое расположение ЭРИ или ребер жесткости с целью обеспечения заданной АЧХ.

Для функционального блока определения способа крепления ПУ и расположения мест его крепления фигурирует информация:

• в качестве входных данных - описание характеристик отдельных ЭРИ (размеры, расположение, масса, способ крепления), размеры платы, описание мест крепления, физико-механические характеристики материала платы, возможные места расположения мест крепления, начальное расположение мест крепления, параметры внешнего механического воздействия, необходимая АЧХ;

• в качестве выходных данных (результаты проектирования) - координаты минимального количества мест крепления, достаточные для получения заданной АЧХ и механической прочности.

Для функционального блока определения мест расположения в этажерочной конструкции пассивных демпферов и их параметров фигурирует информация:

• в качестве входных данных - описание этажерочной конструкции, описание характеристик отдельных ЭРИ (размеры, расположение, масса, способ крепления), физико-механические характеристики материала платы, характеристики материала демпферов, параметры внешнего механического воздействия, необходимая АЧХ;

• в качестве выходных данных (результаты проектирования) - координаты расположения пассивных демпфирующих элементов и их параметры (размеры, толщина демпфирующего слоя).

Для функционального блока определения параметров минивиброизоляторов печатных узлов фигурирует информация:

• в качестве входных данных - описание конструкции ПУ или сборки из нескольких ПУ, описание характеристик отдельных ЭРИ (размеры, расположение, масса, способ крепления), физико-механические характеристики материала платы, параметры внешнего механического воздействия, необходимая АЧХ или допустимая перегрузка при ударном воздействии;

• в качестве выходных данных (результаты проектирования) - геометрические параметры минивиброизоляторов и их физико-механические характеристики.

Для функционального блока выработки требований к системе виброудароизоляции БРЭС в целом фигурирует информация:

• в качестве входных данных - описание конструкции БРЭС, параметры внешнего механического воздействия, АЧХ печатных узлов, необходимая АЧХ или допустимая перегрузка при ударном воздействии; допустимые механические напряжения в элементах конструкции;

• в качестве выходных данных (результаты проектирования) - требования к характеристикам системы виброудароизоляции для обеспечения необходимой виброударонадежности БРЭС.

Для функционального блока выработки требований к параметрам элементов несущей конструкции БРЭС в целом фигурирует информация:

• в качестве входных данных - описание структуры конструкции, описание конструкций ПУ, параметры внешнего механического воздействия, необходимая АЧХ или допустимая перегрузка при ударном воздействии; допустимые механические напряжения в элементах конструкции;

• в качестве выходных данных - параметры элементов несущей конструкции (диаметры стоек и их длины, изменение толщин плат и т.п.).

В настоящее время проектирование БРЭС, эксплуатирующихся в условиях высоких уровней внешних механических воздействий состоит из последовательных этапов с возможными возвратами на предыдущие этапы в случае обнаружения отклонений характеристик БРЭС от требований нормативно-технической документации. Такая схема проектирования даже при применении комплексного моделирования не приводит к нахождению оптимальных проектных решений или близких к ним еще на этапе эскизного проектирования, в результате чего недостатки проектного решения выявляются на более поздних этапах проектирования, что вызывает большие временные и материальные затраты по их устранению. Поиск же оптимальных проектных решений вообще не производится из-за отсутствия соответствующего математического, программного и методического обеспечений САПР.

В целях повышения эффективности и качества проектирования БРЭС, заключающегося в предоставлении возможности на самых ранних этапах проектирования принимать оптимальные проектные решения по обеспечению надежности БРЭС при учете механических режимов предлагается излагаемая далее методика автоматизированного проектирования БРЭС.

Предлагается использовать в качестве основного критерия оптимальности разрабатываемых радиоэлектронных средств и микроэлектронной аппаратуры при учете механических воздействий минимум стоимости реализации проектных решений (РПР) при ограничениях на выполнение требований по надежности и предельно допустимым режимам элементов.

Процесс автоматизированного проектирования БРЭС проводится в следующей последовательности [1].

1. Производится эскизный синтез и компоновка конструкции БРЭС. На этом этапе производится ориентировочный анализ механического режима конструкции БРЭС (поскольку еще не произведено размещение ЭРИ, а только их компоновка) и , если необходимо, автоматический синтез параметров системы виброудароизоляции БРЭС. В случае невозможности реализации синтезированных проектных решений производится анализ результатов и, с использованием моделирования, принимаются решения по устранению недостатков проекта. Проведение такого комплексного проектирования позволяет уже на ранних этапах проектирования получить проектные решения близкие к оптимальным, которые не будут содержать грубых ошибок и связанных с ними доработок в конце процесса проектирования.

2. Производится детальное проектирование конструкции, анализ механического режима и уточненный синтез системы виброудароизоляции (если произошло изменение расположения узлов БРЭС или их массы) и, при необходимости, доработка БРЭС.

Иерархичность макромоделирования и синтеза заключается в построении и применении иерархических математических моделей, соответствующих как этапам проектирования, так и иерархии структуры БРЭС.

Смысл оптимального проектирования состоит в том, чтобы при РПР в каждой задаче проектирования принимать такие решения, которые бы обеспечивали наилучшее соотношение стоимость-надежность.

Стоимость РПР является комплексным показателем (возможно ценовым или абстрактным-экспертным), включающим в себя требования к качеству изготовления ЭРИ и их типам, к массо-габаритным параметрам конструкции, к системе виброудароизоляции и т.д., что можно выразить в виде:

ттС = ттСмеХ

ТТ/ мех ^ ттгмех

при ограничениях: м ,х и на допустимые конструктивные параметры

Цконстр;

где: С - стоимость реализации проектных решений,

Смех - стоимость реализации проектных решений по защите изделия от внешних механических воздействий;

^^ех([,() - матрица допустимых механических воздействий на ЭРИ (перегрузки, механические напряжения); Жр,гмех - расчетные значения механических рабочих режимов ЭРИ, / - частота вибрации, / - время.

Рассмотрим вопросы оптимизации параметров и минимизации стоимости РПР БРЭС при учете внешних механических воздействий.

Основными критериями оптимальности являются критерии минимизации массы и габаритов конструкции при выполнении ограничений на допустимые перегрузки, механические напряжения и конструктивные параметры, обусловленные, в том числе, и требованиями к обеспечению заданного теплового режима БРЭС.

Для построения математической модели динамики конструкции используется метод конечных элементов.

Метод поиска оптимального проектного решения состоит в следующей последовательности действий:

1) строится конечно-элементная модель структуры конструкции и задаются начальные значения параметров конструкции;

2) создается эквивалентная для виброударного воздействия спектральная плотность перегрузки в частотном диапазоне воздействия путем определения спектральной плотности перегрузок последовательности ударных импульсов и последующего сложения спектральных плотностей вибрационного, акустического и ударного воздействий;

3) задаются ограничения на перегрузки ЭРИ;

4) задаются ограничения на параметры конструктивных элементов и допустимые механические напряжения в них (площади плат, толщина плат, диаметры стоек и т.п.);

5) выбирается критерий оптимальности и назначаются весовые коэффициенты для каждого типа изменяемых параметров;

6) в процессе параметрической оптимизации изменяются параметры конструкции таким образом, чтобы максимумы АЧХ конструкции сдвигались в направлении минимумов спектральной плотности внешнего механического воздействия и определяются величины дисперсии, среднеквадратических перегрузок и механических напряжений [2];

7) процесс оптимизации продолжается либо до нахождения оптимальных значений параметров, либо останавливается на улучшенном варианте параметров вследствие невозможности найти решение, удовлетворяющее заданным ограничениям.

Список литературы

1. Кожевников А.М. Методология обеспечения надежности бортовых

радиоэлектронных средств при учете их электрических, тепловых и механических нагрузочных режимов. Надежность: Науч.-техн. журн.-

Технологии”, 2008, №1, с. 64-71.

2. Иванов А.А., Кожевников А.М., Усачев М.Л. Комплекс программ анализа

динамических характеристик конструкций радиоэлектронных средств, подверженных внешним механическим воздействиям. Новые информационные технологии в автоматизированных системах: Материалы 12-го научно-

практического семинара, МИЭМ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, 2009, с.261-275.