Описание процесса компьютерного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На сегодняшний день почти все современные технические объекты и системы включают в себя большое количество радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), которая постоянно совершенствуется и усложняется. Растет число задач, решаемых с использованием данной аппаратуры и, как следствие, возрастают требования, к ее качеству и надежности. В первую очередь это относится к аппаратуре, используемой в ракетнокосмической отрасли, которая постоянно находится в развитии. Исследовательские спутники все дальше удаляются от нашей планеты, разрабатываются космические программы по исследованию и возможному освоению других планет, поэтому продолжительность работы и надежность радиоэлектронной аппаратуры играет очень большую роль, так как работая в условиях постоянного вибрационного и ударного воздействия, постоянных перегрузок, она может отказать и привести к выходу из строя всего объекта. В связи с этим существует необходимость в поиске решений по уменьшению данных воздействий и увеличении ее надежности и срока службы.

Для обеспечения нормальной работы РЭА в первую очередь определяют допустимые параметры различных воздействий на радиоэлектронные элементы в соответствии с техническим заданием и в случае, если элементы удовлетворяют требованиям, дальнейшую работу проводят на устранение резонансных колебаний и обеспечение их прочности.

Проектирование РЭА является автоматизированным и итерационным процессом, то есть первый полученный результат изменяется со временем, а именно, проводятся работы по устранению каких-либо недостатков, либо улучшается конструкция и характеристики. Длится процесс до тех пор, пока не будут достигнуты требования, установленные техническим заданием.

Проектирование состоит из двух основных этапов: схемотехнического и конструкторского. На первом этапе производится разработка структурной, функциональной и принципиальной электрической схем РЭА в соответствии с требованиями к функциональным характеристикам, заданным в техническом задании. На втором этапе производится разработка конструкторской документации. В процессе проектирования разработка структуры РЭА производится разработчиком, а моделирование и оптимизация его - в САПР с помощью ЭВМ.

Ввиду сложности, дороговизны и необходимости достаточно большого времени для проектирования и реализации натурной модели того или иного электронного устройства или системы используют компьютерное моделирование, которое позволяет в сотни раз сократить затраты на проектирование, как материальные, так и временные. Постепенное развитие САПР и высокая стоимость программных комплексов, которые могут позволить себе только крупные предприятия, привели к появлению большого количества узконаправленных систем автоматизированного проектирования, в которых, как правило, отсутствуют те вычислительные модули, которые не нужны в данной области. Некоторые предприятия разрабатывают свои программные пакеты, так как в таком случае есть понимание того, как работает эта программа, какие методы в ней используются, а также есть возможность написания дополнительных модулей, если в таковых будет необходимость.

Тем не менее, использовать математическое моделирование для простого перебора множества вариантов сложных конструкций во многих случаях из-за большой размерности решаемых задач и связанных с этим больших затрат машинного времени нерационально. Поэтому возникает необходимость разработки алгоритмов направленного поиска при оптимизации параметров конструкции, способов преобразования моделей для уменьшения размерности задач.

Для решения задач, связанных с необходимостью уменьшения воздействия перегрузок, вибраций и ударных воздействий, а также для проектирования радиоэлектронных средств, используют разнообразные вычислительные комплексы и комплексы для проектирования, такие как: SolidWorks, AutoCAD, Компас 3D, АСОНИКА и т.д. Важдой задачей является обеспечение взаимодействия между программами для проектирования и вычислительными программами, либо вычислительным модулем комплекса, так как зачастую они имеют разные форматы представления данных и необходима предварительная подготовка проекта конструкций РЭА для последующих вычислений.

Предварительная подготовка изделия осуществляется в программе AutoCAD, необходимо было выбрать формат, с которым предстоит работать и который нужно преобразовать к виду, необходимому для последующих расчетов. С этой целью были проанализированы 2 самых распространенных формата: DWG и DXF. Так как формат DWG является закрытым и на него нет спецификации, мной был выбран второй, потому что он является связующим звеном между многими САПР и имеет достаточно полную документацию, и возможность просмотра структуры и работы с ней.

1. Описание конструкций РЭА

Радиоэлектронная аппаратура - технические средства, основанные на принципах радиоэлектроники и осуществляющие функции преобразования электрических сигналов, несущих информацию, с использованием электромагнитной энергии в пространстве и электронных линиях связи.

Конструкция РЭА - пространственно организованная совокупность компонентов (изделий электронной техники, несущих оснований и материалов), между которыми существуют электрические, оптические, механические, тепловые, магнитные, электромагнитные и другие связи, обеспечивающие заданные преобразования сигналов при наличии взаимных воздействий и воздействий внешней среды.

Поскольку современный этап конструирования РЭА связан с широким внедрением микроэлектроники, появлением новых качественных характеристик микроэлектронной аппаратуры (МЭА) и ее субъектов, появились новые термины, которые используются для описания этих новых конструкций.

Микросборка - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и состоящее из элементов, компонентов и (или) интегральных схем (ИС) и других электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в различных сочетаниях, разрабатываемое и изготовляемое разработчиками конкретных РЭА для улучшения показателей миниатюризации. Чаще всего микросборки выполняют в виде больших гибридных интегральных схем (БГИС). Они могут быть корпусированными и бескорпусными.

Элемент МСБ - неделимая часть микросборки, которую нельзя специфицировать и поставлять как отдельное изделие. Элементами МСБ являются пленочные резисторы, катушки и конденсаторы, выполненные по той или иной технологии на подложке БГИС.

Компонент МСБ - часть микросборки, которая специфицируется и может поставляться как отдельное изделие. Компонентами МСБ являются бескорпусные транзисторы, диоды, миниатюрные без проволочных выводов конденсаторы, тороидальные катушки индуктивности.

В процессе развития конструирования РЭА сменилось четыре поколения конструкций, для каждого из которых была характерна своя особая, с общей спецификой конструкция или конструктив.

Конструктив РЭА - типовая разновидность конструкции того или иного уровня сложности аппаратуры, определяемая характерными элементной базой и способом компоновки. Примерами конструктивов разного уровня могут быть бескорпусная МСБ, функциональная ячейка III поколения, блок МЭА IV поколения.

Перейдем к классификации РЭС, которая по отдельным признакам, например по назначению, объекту и условиям эксплуатации, определена давно и достаточно строго, а по функционально-конструктивным признакам в различных источниках дается по-разному. Можно привести много примеров, где одним и тем же термином обозначаются совершенно разные по своим функциям и конструктивной сложности изделия: полупроводниковый прибор (транзистор) и измерительный прибор (вольтметр ламповый); импульсное устройство (триггер) - радиоприемное устройство (транзисторный приемник); блок конденсаторов переменной емкости - блок индикатора кругового обзора и т.д. Поэтому остановимся на классификации РЭС по следующим признакам:

по функциональной сложности, т.е. по числу и рангу функций, выполняемых изделием;

по конструктивной сложности, определяемой числом элементов конструкции и числом соединений между ними, выбранной элементной базой и способом компоновки;

по назначению;

по объекту установки;

по виду сигнала и диапазону частот.

По функциональной сложности деление РЭА может быть представлено в виде следующей цепочки (сверху вниз): радиотехническая система - комплекс радиоэлектронных устройств - радиоэлектронное устройство (РЭУ) - блок - субблок - функциональный узел.

Радиотехническая система представляет собой “совокупность сигналов в пространстве, операторов и радиоэлектронной аппаратуры, размещенных на объектах в определенных точках на поверхности или в пространстве, действующих в условиях помех и внешних возмущений”; например, такой системой является система посадки самолета.

Комплекс радиоэлектронных устройств - совокупность РЭУ, объединенных, как правило, на одном объекте и являющихся законченной частью системы; например, наземный и бортовой комплексы радиосвязи самолета с землей.

Радиоэлектронное устройство - часть комплекса, решающая конкретную основную целевую функцию, функционально и конструктивно законченная и, главное, автономно эксплуатационная; например, телевизионный радиоприемник с антенной.

Блок - часть РЭУ, выполняющая частную целевую функцию, функционально законченная, но автономно неэксплуатационная; например, блок питания. Блок может быть конструктивно законченным, но может и входить как часть конструкции в устройство.

Субблок - часть блока, выполняющая функцию его отдельного тракта, например тракта усилителя промежуточной частоты.

Функциональный узел - единица функциональной сложности РЭА на уровне отдельного каскада электрической схемы; например, узел смесителя.

Многоблочные конструкции выполняют в виде шкафов, стоек, пультов; моноблочные - в виде контейнеров или отдельных корпусированных приборов; функциональные ячейки - в виде сборок ЭРЭ и корпусированных ИС на печатных платах или сборок из МСБ на металлических рамках. Микросхемы и функциональные компоненты (оптроны, интегральные пьезофильтры, фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), джозефсоновские приборы, приборы с зарядовой связью (ПЗС) и на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и др.) часто корпусируются и представляют собой изделия электронной техники. В совокупности они образуют элементную базу современных РЭА.

По назначению РЭА делят на средства: радиовещания и телевидения, радиоуправления и радиотелеметрии, радиолокации и радионавигации, радиоастрономии, радиоизмерительные, обработки данных и информации, записи и воспроизведения, медицинские и промышленные.

По объекту установки они классифицируются по трем основным категориям, в каждой из которых существуют группы, а именно: бортовые (самолетные, космические, ракетные), наземные (возимые, носимые, переносные, бытовые, стационарные) и морские (судовые, буйковые).

По виду сигнала и диапазону частот РЭА могут быть аналоговыми, цифровыми и СВЧ. В настоящее время РЭА, как правило, являются комбинированными, т.е. включающими в себя как аналоговые СВЧ-блоки, так и блоки цифровой обработки информации.

В заключение отметим, что РЭА могут иметь различные конструктивные формы в зависимости от их функциональной сложности и степени интеграции используемых ИС. Например, при высокой степени интеграции и соответствующей функциональной сложности (свыше 1000 элементов) устройство может быть заключено в один объем, имеющий форму моноблока, ячейки, микросборки и даже одного кристалла. При недостаточной степени интеграции формообразование радиоустройств идет по пути создания многоблочной конструкции. Это положение отражает табл., в которой показана зависимость формообразования конструкций РЭА от степени интеграции микросхемы.

Ранг функциональной сложности РЭС	Форма конструктивного исполнения при количестве элементов в ИС
	не более 100	100...1000	1000...10000	> 10000
Устройство	Многоблочная конструкция	Моноблок или ФЯ	МСБ	СБИС**
Блок	Моноблок	МСБ	БИС	--
Субблок	Функциональная ячейка	БИС*	--	--
Функциональный узел	ИС, гибридная ИС, функциональный компонент	--	--	--

БИС* - большая интегральная схема, СБИС** - сверхбольшая интегральная схема.

Пример конструкции субблока, которая для повышения прочности может заливаться компаундом приведена ниже на рисунке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструкция функциональной ячейки IV поколения: 1 - соединитель; 2 - передняя стенка; 3 - корпусированная ИС; 4 - навесной ЭРЭ; 5 - задняя стенка с элементами крепления; 6 - бескорпусная микросборка; 7 - печатная плата.

При рассмотрении разнообразной РЭА обычно классифицируют ее по назначению, принципу функционирования, виду объекта установки, конструктивным признакам.

При конструкторском проектировании современной РЭС с применением интегральных микросхем и микросборок различной степени интеграции находят применение в основном четыре варианта конструкций блоков: книжный, разъемный, кассетный и "этажерочные конструкции".

Большие трудности в разработке РЭА традиционными методами приводят к необходимости автоматизации проектирования с использованием ЭВМ. В связи с этим создаются разнообразные по возможностям и назначению алгоритмы проектирования РЭА, являющиеся важным инструментом разработчика и позволяющие моделировать те или иные процессы, происходящие в РЭА.

2. Описание внешних механических воздействий на РЭА

Вибрация и удар являются основной причиной возникновения больших механических напряжений в деталях и узлах РЭС при ее эксплуатации. Это может привести к нарушению ее механической целостности и преждевременному отказу.

Безотказность функционирования аппаратуры является одним из основных факторов, который конструктор должен иметь в виду на протяжении всех этапов проектирования. Конструктор должен создать наиболее благоприятные условия для работы деталей, элементов и узлов аппаратуры, а также разработать способы защиты их от воздействия окружающей среды.

В настоящее время все больше внимания уделяется вопросам разработки радиоэлектронной аппаратуры, работающей в условиях повышенных вибрационных воздействий. Это объясняется тем, что вибрационные нагрузки оказывают существенное влияние на функционирование РЭА, приводя к значительному снижению ее работоспособности [4].

Внешние механические воздействия на РЭА при эксплуатации и испытаниях можно классифицировать по следующим видам:

– Вибрации;

– Удары;

– Акустический шум.

Вибрация на реальном объекте носит случайный характер, но в ряде случаев при инженерных расчетах РЭА проще использовать воздействия, заданные в виде гармонической вибрации (использование всевозможных вибростендов). В этом случае при разработке РЭА используют гармоническое вибрационное воздействие, являющееся некоторым эквивалентом случайного вибрационного воздействия.

Вибрационные воздействия на РЭА передаются в основном через места крепления. Проявление динамических свойств конструкции сказывается в том, что в некоторых точках конструкции, в том числе и в местах установки радиоэлементов, вибрационные перегрузки могут в десятки раз превышать перегрузки в местах крепления радиоустройства. Конструктивные параметры, например, габариты блока или узла, характеристика применяемых материалов, распределение масс, координаты, число точек и жесткость крепления конструкций радиоэлементов, их ориентация, режимы работы должны выбираться так, чтобы при интенсивном вибрационном воздействии обеспечить нормальное функционирование РЭА.

Амплитуды вибрационных воздействий могут быть незначительными, на следствие резонансных явлений, возникающих в конструкциях РЭС, могут усиливаться в десятки раз.

Вибрации являются причинами как поломок, вызванными усталостными разрушениями элементов конструкции, так и появлениями на выходе радиосигнала, синхронного с воздействующей вибрацией.

РЭА, устанавливаемое на борту подвижных объектов, работает в наиболее жестких условиях. Особенно это касается РЭА, работающего на борту летательных объектов. Аппаратуру, установленную на наземных транспортных средствах, можно спроектировать таким образом, чтобы резонансная частота конструкции была выше максимальной частоты работы двигателей. Частота работы двигателей летательных аппаратов значительно выше. Поэтому аппаратуру проектируют так, чтобы ее резонансная частота была меньше, чем частота работающих в обычном режиме двигателей. Таким образом при запуске или остановке двигателей, частота их работы совпадает с резонансной частотой конструкций РЭА. Например, если проанализировать спектр работы поршневых двигателей транспортного самолета, то можно увидеть, что заметной зависимости величины ускорения вибрации от режима работы двигателей не наблюдается, поскольку с увеличением оборотов двигателей общий уровень всех частот незначительно увеличивается. Максимальное ускорение достигается на частоте 20 Гц и соответствует 2g. Однако, стоит отметить, что наибольшие перегрузки соответствуют моменту взлета и посадки самолета.

Вибрационные ускорения более 2g встречаются довольно редко и являются результатом конструктивных особенностей самолетов, либо очень сложными условиями эксплуатации последнего. Следует также отметить, что данные на ударные ускорения для самолетов отличаются от данных на вибрационные ускорения. При нормальном функционировании самолета возникают ударные ускорения не более 12g. Однако, большие ударные ускорения (свыше 12g) все-таки могут возникать при - аварийных посадках на грунт.

На ракетную аппаратуру воздействуют вибрации и акустический шум со случайной амплитудой, имеющей обширный спектр частот. Источником акустического шума и динамических перегрузок на ракетах служит сгорание топлива в маршевых двигателях и ускорителях, внезапное отключение двигателей и сброс ускорителей. Эти перегрузки в основном действуют на начальных стадиях полета и распространяются по корпусу ракеты в виде продольных волн. Вибрации обшивки ракеты возникают также в результате действия аэродинамических сил при запуске ракеты.

Исследования показали, что диапазон вибраций на несущих конструкциях летательных аппаратов простирается до 20 кГц, а перегрузки достигают 40g.

3. Метод конечных элементов

МКЭ представляет собой эффективный метод решения инженерных задач [2,3,5]. Область применения метода от анализа напряжений в конструкциях самолетов, автомобилей до расчета радиоэлектронной аппаратуры или таких сложных систем, как атомная электростанция. С его помощью рассматривается движение жидкости по трубам, решаются задачи электростатики и смазки, анализируются колебания системы и многие другие задачи.

МКЭ является численным методом решения дифференциальных уравнений, встречающихся в физике и технике. Возникновение метода связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Впервые он был опубликован в работе Тернера, Клужа, Мартина и Топпа. В последствие область применения МКЭ существенно расширилась, и он превратился в общий метод численного решения дифференциальных уравнений.

Известно, что расчетные схемы различных элементов радиоэлектронных конструкций могут быть сведены к стержневым, пластинчатым обол очечным или объемным системам, произвольным образом закрепленным и нагруженным. Для расчета целесообразно создавать комплексы программ целевого назначения, которые бы обеспечивали контроль этапа подготовки исходных данных, численную машинную реализацию алгоритма расчета определенного класса конструкций, а так же выдачу результатов в удобной для практического использования форме. МКЭ дает возможность создания программ такого типа.

Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей.

Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области.

В общем случае непрерывная величина заранее не известна и нужно определить значение этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель достаточно легко построить, если предположить, что главные значения этой величины в каждой внутренней точке области известны

При построении дискретной модели непрерывной функции выполняются следующие шаги:

1) В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками, или просто узлами.

2) Значение непрерывной величины в каждой узловой точке считается переменной, которую надо определить.

3) Область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.

4) Непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, коэффициенты которого определяются с помощью значений этой величины в узловых точках. Для каждого элемента определяется свой полином, но полиномы подбираются таким образом, чтобы сохранялась непрерывность величины вдоль границ элемента.

Основная концепция МКЭ может быть наглядно проиллюстрирована на примере заданного распределения температуры в стержне. Рассматривается непрерывная величина Т(х), область определения которой отрезок OL вдоль оси X. Фиксированы и пронумерованы пять точек на оси X.

Эти узловые точки не обязательно располагать на равном расстоянии друг от друга. Можно ввести большее количество точек, но и этих пяти достаточно для иллюстрации основной идеи метода. Значение Т(х) в данном случае известно в каждой узловой точке. Эти фиксированные значения представлены графически на рисунке и обозначены в соответствии с номерами узловых точек через Т1, Т2, ТЗ, Т4, Т5.

Разбиение области на элементы можно произвести двумя различными способами. Можно, например, ограничить каждый элемент двумя соседними узловыми точками, образовав четыре элемента или разбить область на два элемента, каждый из которых содержит три узла. Соответствующий элементу полином определяется по значениям Т(х) в узловых точках.

В случае разбиения области на четыре элемента на каждый элемент приходится по два узла, и функция элемента будет линейна по оси Х (две точки однозначно определяют прямую линию). Окончательная аппроксимация Т(х) будет состоять из четырех кусочно-линейных функций, каждая из которых определена на отдельном элементе. Разбиение области на элементы можно провести двумя способами. Можно, например, ограничить каждый элемент двумя соседними узловыми точками, образовав четыре элемента, или разбить область на два элемента, каждый из которых содержит три узла:

В случае разбиения области на четыре элемента на каждый элемент приходится по два узла, функция элемента будет линейна по оси X.

В настоящее время область применения МКЭ обширна и охватывает все физические задачи, которые могут быть описаны дифференциальными уравнениями. Важными преимуществами МКЭ, благодаря которым он широко используется, является следующее:

Свойства материалов не должны быть обязательно одинаковыми. Это позволяет применить метод к телам, составленным из нескольких материалов (например, этажерочные конструкции РЭА, объемные конструкции РЭА и т. д.)

Криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных конечных элементов (например, с помощью треугольных, призматических, шестигранных конечных элементов).

Размеры элементов могут быть переменными. Это позволяет укрупнить или уменьшить сетку разбиения области на элементы, если в этом есть необходимость

Указанные выше преимущества МКЭ могут быть использованы при составлении достаточно общей программы для решения частных задач определенного класса.

4. Моделирование РЭА в САПР

Система Автоматизированного Проектирования (САПР) предназначена для создания или выполнения проектных работ на ЭВМ, которая позволяет создавать конструкторскую и технологическую документации на отдельные сооружения и изделия.

За счет создания «дружественного» и интуитивно понятного интерфейса в САПР резко повысилась производительность. Практически все современное программное обеспечение ориентируется на пользователя, дружелюбно общаясь с ним понятным ему способом и предоставляя ему полную свободу действий. Такое «общение» человека с компьютером возможно только в интерактивном (диалоговом) режиме, когда пользователь тут же на экране видит результат своих действий. САПР также ориентированы на работу в интерактивном режиме, предоставляя проектировщику оперативный доступ к графической информации, простой и эффективный язык управления ее обработкой с практически неограниченными возможностями контроля результатов. В первую очередь это относится к графическому диалогу, поскольку именно графика (чертежи, схемы, диаграммы и т.п.), как наиболее эффективный способ представления информации, занимает привилегированное положение в САПР. Таким образом, удается автоматизировать самую трудоемкую часть работы - по оценкам специалистов конструкторских бюро, в процессе традиционного проектирования на разработку и оформление чертежей приходится около 70% от общих трудозатрат конструкторской работы (15% - на организацию и ведение архивов, и 15% - собственно на проектирование, включающее в себя разработку конструкции, расчеты, согласование со смежными областями и т.д.).

Многие современные программные пакеты, ориентированные на проектирование различных изделий, имеют достаточно большое количество возможностей в плане интерактивной графики, обеспечивая возможность создания и редактирования двумерных изображений, состоящих из проекций изделия, штриховки, размеров и т.д., а также формирования реалистичных трехмерных изображений проектируемых изделий, построенных на основе исходных данных чертежа с удалением невидимых линий, с учетом различных способов и методов освещения, задания параметров структуры поверхностей и т.п. При этом САПР предоставляют принципиально недостижимые ранее возможности. Фактически конструктор попадает в новую среду - среду компьютерной графики, и качество пакета САПР едва ли не в первую очередь определяется тем, насколько труден для конструктора переход к новой технологии при использовании того или иного программного пакета.

На данный момент существует огромное количество САПР различной сложности и назначения. Естественно, что некоторые из них могут позволить себе только крупные предприятия, ввиду их высокой стоимости, однако существуют также относительно недорогие, а также бесплатные САПР, назначение которых может быть абсолютно разным. Для большинства чертежно-конструкторских работ требуются более скромные, однако все же достаточно широкие возможности, и ряд систем способен их удовлетворить.

Среди систем малого и среднего класса в мире наиболее популярна система AutoCAD фирмы Autodesk, а также системы nanoCAD, OrCAD (разработка и моделирование электронных устройств, в основном - печатных плат), ArchiCAD (архитектура), АСОНИКА, Компас 3D, SolidWorks (широко распространена в промышленности), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки и предпочтительную область применения.

4.1 AutoCAD

AutoCAD - одна из самых распространенных САПР с более чем двадцатилетней историей. Разработана компанией Autodesk в 1982 году и обновляется каждый год (на данный момент последняя версия была выпущена в 2012 году), что позволяет идти в ногу со временем и все больше упрощать процесс проектирования за счет введения новых функций и оптимизации применяемых алгоритмов. Структура данного программного комплекса довольно сложная и состоит из множества модулей и функций. Также существуют и другие программые пакеты на основе ядра AutoCAD (ArchiCAD, AutoCAD Electrical, AutoCAD Civil 3D и т.д.). Простой и понятный интерфейс AutoCAD делает его достаточно легким в изучении, а графическая составляющая интерфейса позволяет без труда найти нужную функцию. Кроме того, каждый пользователь имеет возможность настроить интерфейс «под себя», то есть часто используемым функциям назначить определенные горячие клавиши, что, несомненно, ускоряет работу в несколько раз.

Программа предоставляет широчайшие возможности для создания документации и проектирования изделий, архитектурных сооружений и т.д.. Описывать все функции и возможности не имеет смысла, так как их очень много, но стоит отметить следующие:

1) Ввозможность создания слоев, что позволяет оптимизировать процесс разработки и не дает запутаться во множестве частей и узлов модели;

2) Возможность экспорта проекта в большинство других САПР для последующей доработки, либо проведения необходимых вычислений;

3) Поддержка создания 3D моделей;

4) Создание простейшей анимации:

5) Создание демонстрационных мультфильмов и иллюстраций.

На сегодняшний день программа пользуется большой популярностью не только среди предприятий, но и среди простых пользователей, которые получили возможность работать в AutoCAD благодаря студенческой версии. Функционально студенческая версия AutoCAD ничем не отличается от полной, за одним исключением: DWG-файлы, созданные или отредактированные в ней, имеют специальную пометку (так называемый educational flag), которая будет размещена на всех видах, при печати файла (вне зависимости от того, из какой версии -- студенческой или профессиональной -- выполняется печать). Autodesk предлагает передовые решения для промышленного производства, управления инфраструктурой, строительства, а также анимации и графики, которые затрагивают все аспекты жизненного цикла проекта.

4.2 SolidWorks

SolidWorks - программный комплекс САПР разработанный компанией SolidWorks Corporation, которая в 2012 году была куплена компанией Autodesk, крупнейшим разработчиком комплексов САПР.

В SolidWorks используется принцип трехмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования, что позволяет конструктору создавать объемные детали и компоновать сборки в виде трехмерных электронных моделей, по которым создаются двухмерные чертежи и спецификации в соответствии с требованиями ЕСКД.

Данный комплекс получил широкое распространение на промышленных предприятиях для автоматизации конструкторской и технологической подготовки производства. Включает в себя множество решений, среди которых:

1) Проектирование и оформление конструкторской документации;

2) Проектирование РЭА и электротехника;

3) Проектирование трубопроводов;

4) Проектирование оптических и светотехнических устройств;

5) Проектирование механизмов и т.д.

SolidWorks - одна из немногих систем, объединяющая разработку электрической и механической части РЭА в единой среде проектирования. Инструменты геометрического моделирования SolidWorks дополняются специальными приложениями, которые позволяют организовать полный цикл разработки РЭА различной степени сложности. В общем случае разработку РЭА различного назначения можно свести к выполнению ряду основных этапов.

При работе над проектом, включающим как электрическую, так и механическую составляющие, одной из основных трудностей является воспроизведение в среде трехмерной САПР полноценных 3D-моделей печатных плат со всеми входящими элементами. Геометрическое моделирование такой платы средствами любой трехмерной САПР является достаточно трудоемким занятием и двойной работой, особенно если учесть выполненное схемотехническое проектирование.

Для решения этой задачи в базовый пакет SolidWorks Premium входит модуль CircuitWorks.

CircuitWorks автоматически создает трехмерные модели компонентов и сборку печатной платы на основе данных схемотехнических САПР. При отсутствии необходимого компонента в базе элементов, CircuitWorks автоматически создаст его габаритную модель и разместит на печатной плате. Особенность модуля состоит в том, что он позволяет не только создавать трехмерное представление по данным схемотехнических САПР, но и решать обратную задачу [1].

Базовый функционал SolidWorks Standard предоставляет все необходимые инструменты для моделирования механической составляющей РЭА: проектирование трехмерных деталей и сборок, создание чертежей в соответствии с требованиями ЕСКД. Дополнительные модули позволят проводить частотный анализ, тепловые и прочностные расчеты, проектировать и анализировать оптические и светотехнические составляющие радиоэлектронной аппаратуры [1].

4.3 Форматы файлов

Формат DWG. DWG (Drawing Database File) - это разработанная компанией Autodesk технология, использующаяся в AutoCAD и продуктах на его основе. Она является наиболее подходящим форматом файлов для хранения проектных данных, созданных в этих приложениях. В настоящее время DWG-файлы используются практически во всех отраслях проектирования, что дает право назвать DWG-формат одним из наиболее распространенных форматов проектных данных [2].

Спецификация данного формата не раскрывается компанией Autodesk, известно лишь, что формат претерпевает изменения каждый раз, как выходит новая версия AutoCAD. Обычно эти изменения касаются только новых функций, вводимых с новыми версиями, но с выходом AutoCAD 2013 формат полностью изменили.

В связи с тем, что формат .DWG не опубликован, многие разработчики ПО пытаются декадировать его методом реверс-инжиниринга с целью дальнейшего использования в коммерческом ПО, например в программах просмотра формата .DWG или его конверторах.

Для сохранения монополии на формат, Autodesk встраивает в AutoCAD функциональность TrustedDWG. При открытии DWG-файла, который был сохранен не в продукте Autodesk или продукте, созданном по лицензии RealDWG, она уведомляет об этом пользователя. Таким образом выявляются файлы, которые, возможно, не поддерживаются продуктами Autodesk, а пользователи получают предупреждение о том, что Autodesk не может гарантировать целостность такого DWG-файла и его совместимость с AutoCAD и другими приложениями Autodesk. Надо отметить, что функциональность TrustedDWG не позволяет исправлять ошибки в файлах. Ее предназначение заключается в том, чтобы пользователь AutoCAD самостоятельно принял решение -- использовать или нет DWG-файлы, в последний раз сохраненные не в продукте Autodesk или продукте, созданном по лицензии RealDWG. Уведомления TrustedDWG можно отключить, выбрав соответствующую опцию [2]. Стоит также добавить, что Autodesk создала бесплатную программу DWG TrueView, с помощью которой можно просматривать и преобразовать файлы формата DWG из поздних версий в более ранние. Таким образом пользователи могут не беспокоится за совместимость файлов при использовании разных версий AutoCAD.

Формат DXF

DXF (Drawing Exchange Format File) - это формат хранения файлов с чертежами, разработанный компанией Autodesk в 1982 году с целью обмена данными между системами на базе AutoCAD и другими САПР.

Так как база данных чертежей системы AutoCAD хранится в очень сжатом формате, то программам пользователя непосредственно прочитать эту информацию трудно. Кроме того, различные машинные реализации системы AutoCAD могут использовать различные внутренние форматы для базы данных, подобранные для получения максимальной производительности вычислительной машины, на которой запущена система AutoCAD. Для обеспечения возможности обмена файлами чертежей между различными машинными реализациями системы AutoCAD, а также между системой AutoCAD и другими программами был определен формат файла "обмена чертежами". файл микроэлектронный вибрационный

По мере усложнения AutoCAD формат DXF становился менее востребованным, так как большинство новых вводимых функций не описывались, а обновленные не изменялись. Но ввиду развития бесплатных САПР в последнее время формат снова стал популярен и теперь постоянно обновляется компанией Autodesk.

В отличие от формата DWG, DXF является открытым форматом хранения данных с известной спецификацией. На сайте компании Autodesk также имеется справочное руководство по структуре файла всех версий (для каждой версии свое руководство). Формат DXF содержит всю информацию о чертеже и использует специальные метки для ее хранения. Под специальными метками подразумевается элемент данных, преставленный в виде целого числа, называемого кодом группы. Значение кода группы указывает на то, какой тип данных используется далее. Это значение также указывает на значение элемента данных для данного типа объекта (или записи). Таким образом практически все пользовательские данные могут быть представлены в формате DXF [3].

DXF файлы могут быть в формате ASCII или в бинарном формате. Поскольку ASCII DXF файлы являются более распространенными, чем двоичные, термин DXF используется для обозначения ASCII DXF файлов, а термин бинарный DXF файл - для двоичного формата. Поскольку DXF - стандартные текстовые файлы ASCII, они могут просто быть ретранслированы в форматы другой системы проектирования или добавлены к другим программам для специализированного анализа.

5. Структура формата DXF

В данном разделе подробно описывается формат файла DXF, а именно: его структура. Раздел содержит большой объем технической информации, которая необходима для написания программы.

5.1 Общая структура файла

Файл обмена чертежами представляет собой обычный текстовый файл типа "DXF" в кодах ASCII, в котором находится текстовая информация в специально заданном формате. Файл DXF организован следующим образом:

1) Раздел заголовка (HEADER section) - в данном разделе файла DXF содержится общая информация о чертеже. Каждый параметр имеет имя переменной и соответствующее ей значение.

2) Раздел классов (CLASSES section) - содержит информацию для применения определенных класов, экземпляры которых появляются в разделах объектов, блоков и сущностей базы данных. Определение класса постоянно фиксируется в иерархии классов.

– Раздел таблиц (TABLES section) - Содержит определения для следующих таблиц символов:

– APPID (Таблица идентификации приложения)

– BLOCK_RECORD (Справочная таблица по блокам)

– DIMSTYLE (Таблица размерностей)

– LTYPE (Таблица типов линий)

– LAYER (Таблица слоев)

– STYLE (Таблица стилей)

– UCS (Таблица пользовательской системы координат)

– VIEW (Таблица видов)

– VPORT (Таблица конфигурации видовых окон)

3) Раздел блоков (BLOCKS section) - содержит графические примитивы определений блоков, которые описывают примитивы, входящие в состав каждого блока изображения.

4) Раздел сущностей или примитивов (ENTITIES section) - содержит графические примитивы чертежа, включая любые ссылки на блоки.

5) Раздел объектов (OBJECTS section) - содержит не графические объекты, присутствующие на чертеже. Все объекты, которые не являются сущностями или записями таблицы символов, или символьными таблицами, хранятся в данном разделе.

6) Раздел предпросмотра (THUMBNAILIMAGE section) - содержит информацию об изображении для предпросмотра чертежа (preview image). Данный раздел опционален.

Отличие объектов от сущностей состоит в том, что объекты не имеют графического представления, тогда как сущности - имеют. Например, словари являются объектами, но не сущностями. Сущности также называют графическими объектами, а объекты - не графическими объектами.

Сущности показываются в разделах блоков и сущностей файла DXF. Использование кодов групп в этих двух разделах идентичны. Некоторые коды групп, которые определяют сущности показываются всегда, остальные - опционально или только когда их значения отличаются от значений по умолчанию.

Файл DXF состоит из множества групп, каждая из которых занимает две строки в файле DXF. В первой строке размещается код группы, который представляет собой положительное ненулевое целое число, имеющее формат "I3" языка ФОРТРАН (то есть выровненное вправо число, заполненное пробелами в трехсимвольном поле).

Вторая строка группы представляет собой значение группы, имеющее формат, который зависит от типа группы, задаваемого кодом группы.

Присвоение кодов групп зависит от того, какой элемент описывается в файле. Например, тип значения, которое дает эта группа, определяется из кода группы следующим образом (более подробную информацию о типах можно найти в [3]):

0 - 9 Строковое

10 - 59 С плавающей запятой

60 - 79 Целое

Таким образом, программа может легко прочитать значение, соответствующее коду группы, не имея информации о конкретном использовании этой группы в элементе файла. Форма представления значений в файле DXF не зависит от установки параметров в команде UNITS: координаты всегда представляются в виде десятичных чисел (или если они очень большие, то в виде научных обозначений), а углы всегда представляются в виде десятичных градусов, причем отсчет ведется от направления на восток от начала координат.

Переменные, точки входа в элементы таблицы и графические примитивы описываются с помощью группы, которая представляет элемент, задавая его тип и/или имя, после чего следуют многочисленные группы, которые представляют собой значения, связанные с этим элементом. Кроме того, для разделителей файлов, таких как метки конца и начала разделов, таблиц и самих файлов, используются специальные группы.

Графические примитивы, точки входа в таблицы и разделители файлов всегда вводятся с помощью группы 0, за которой следует имя, описывающее элемент. Например, каждый раздел начинается с группы 0, за которой следует строка SECTION. Далее следует группа 2 и строка, указывающая на имя раздела (например заголовок). Каждый раздел состоит из группы кодов и значений, которые определяют ее элементы. Раздел заканчивается группой 0 и строкой ENDSEC [3].

5.2 Коды групп

Коды групп и соответствующие значения определяют конкретный аспект объекта или сущности. Строка, следующая непосредственно за кодом, - ассоциативное значение. Это значение может быть строкой, целым чистом или числом с плавающей точкой, таким как координата Х какой-либо точки. Строка, следующая за второй строкой группы, если таковая имеется, определены группой определений и данными, связанными с группой. Специальная группа кодов используется в качестве разделителей файлов, таких как маркеры для начала и конца разделов, таблиц и конца самого файла. Сущности, классы, объекты, таблицы и таблицы сущностей вводятся с кода группы 0, за которым следует имя, описывающее группу [3].

Максимальная длина строки в DXF-файле - 256 символов. Если чертеж содержит строки, превышающие эту длину, они будут обрезаны во время сохранения.

Общее назначение групп описаны в таблице ниже, причем те группы, которые выполняют одну и ту же функцию отмечены звездочкой (*).

Назначение кодов групп.

Код группы	Описание кода
0	Устанавливает начало графического примитива, входа в таблицу, или же разделителя файлов. О чем именно идет речь, указывает следующее за ним текстовое значение.
1	Первичное текстовое значение для графического примитива.
2	Имя; описатель атрибута, имя блока, и т.д.
3-5	Другие текстовые или именованные значения.
6 *	Имя типа линии.
7 *	Имя типа текстового шрифта (фиксированное).
8 *	Имя слоя (фиксированное).
9	Идентификатор имени переменной (используется только в разделе «заголовок файла»).
10	Первичная координата Х (начальная точка линии или текстового графического примитива, центр кружности и т.д.).
11-18	Другие координаты Х.
20	Первичная координата Y. Значения второй координаты всегда соответствуют значениям первой координаты следуют непосредственно за ними в файле.
21-28	Другие координаты Y.
30	Первичная координата Z. Значения третьей координаты всегда соответствуют значениям первой и второй координат и следуют непосредственно за ними в файле.
31-36	Другие координаты Z.
38 *	Если ненулевое значение, то это подъем графического примитива (фиксированное).
39 *	Если ненулевое значение, то это таблица графического примитива (фиксированное).
40-48	Значения с плавающей запятой (высота текста, масштабные коэффициенты и т.д.).
49	Повторное значение - многократные группы 49 могут попадаться в одном графическом примитиве для таблиц переменной длины (таких как длины штрихов в таблице LTYPE). Для задания длины таблицы перед первой группой 49 всегда предусматривается группа 7х.
50-58	Углы.
62 *	Номер цвета.
66 *	Флажок «Далее идут графические примитивы».
70-78	Целочисленные значения, такие как количество повторений, биты флажков, или режимы.

Более подробно каждая группа и назначение и описание кодов описаны в [3].

5.3 Написание интерфейсных программ по обработке и созданию DXF файлов

Процесс написания программы, реализующей связь с AutoCAD, посредством использования алгоритма обработки файла формата DXF выглядит очень сложной задачей, чем это есть на самом деле.

Первый раз просматривая файлы данного формата может показаться, что они переполнены разного рода информацией. Но это только так кажется, потому что на самом деле все они построены таким образом, чтобы программист мог легко опустить ту информацию, которая не нуждается в обработке и является лишней. Важным является также то, что проводить обработку групп можно в любом порядке.

Однако обратная процедура, то есть построение файла DXF, является уже не такой простой задачей, потому что программисту необходимо сохранить логическую структуру файла в пределах чертежа, которая является обязательной в системе AutoCAD. Но не стоит забывать, что ненужная информация также, как и в случае с обработкой файла, может быть опущена. Например, если вам вам не требуется устанавливать значения каких-либо переменных в разделе заголовка, то весь раздел HEADER может быть опущен.

Необходимо помнить, что файл DXF - это полное представление базы данных чертежей, и что в ходе дальнейшего совершенствования системы AutoCAD к графическим примитивам для расширения возможностей будут добавляться новые группы. Запись программы обработки DXF с помощью табличного управления, отказ от каких-либо предположений об очередности групп в графическом примитиве и пропуск неопределенных в данное время групп даст возможность намного проще адаптировать файлы DXF для новых версий системы AutoCAD.

6. Разработка технического задания

6.1 Назначение и область применения

Программное обеспечение предназначено для автоматического преобразования файлов формата DXF в формат файлов программы расчетов с целью проведения дальнейших вычислений.

6.2 Описание объектов проектирования

Дан файл формата DXF, содержащий чертеж конструкции РЭА в упрощенном варианте, сделанный в AutoCAD. Необходимо преобразовать данный файл в формат программы вычислений.

6.3 Требования к программе

Разработка и тестирование осуществляются на языке высокого уровня C++ в среде Qt Creator.

Программа должна быть интуитивно понятной для пользователя и не должна быть завязана на последовательности структуры файла для возможности дальнейшего использования в случае обновления формата DXF компанией Autodesk.

6.4 Этапы разработки

Исследование объекта проектирования	- 28 февраля 2013г.;
Анализ структуры формата DXF	- 20 марта 2013г.;
Методика написания программного обеспечения по обработке файлов формата DXF	- 5 апреля 2013г.;
Разработка и отладка программного обеспечения	- 30 апреля 2013г.;
Пример использования программного обеспечения	- 10 мая 2013г.;
Оформление дипломного проекта	- 20 мая 2013г.

6.5 Порядок сдачи программы

Согласно ГОСТ 19301-79 ЕСПД "Порядок и методика испытаний, тестирования. Требования к содержанию и оформлению".

7. Методика подготовки исходных данных

Процесс дискретизации конструкции может быть разделен на два этапа: разбиение конструкции на элементы и нумерация узлов (производится программой автоматически). Для пространственной конструкции выбирается глобальная система прямоугольных координат X,Y,Z. При составлении расчетной схемы анализа конструкции, последняя расчленяется на подконструкции: каркас, печатные узлы, блоки (приборы), стенки, панели и т.п. Степень детализации зависит от выбираемой последовательности анализа: либо анализ всей конструкции с полной детализацией отдельных подконструкций, либо анализ конструкции по частям или с применением макромодели (например, прибор представляется в виде нескольких сосредоточенных масс).

Отдельные подконструкции расчленяются на простейшие конечные элементы: несущий каркас этажерочных конструкций - на стержневые элементы, платы и локальные массы (обобщенные элементы). Соединение конечных элементов и подконструкций производится через узлы конечных элементов.

Для описания конструкции РЭА необходимо нанести на чертеж конструкции глобальную сетку координат, которая представляет собой систему плоскостей, параллельных плоскостям Y0Z, X0Z, X0Y, проходящих через точки соединений элементов конструкции, через границы пластинчатых элементов (плат, стенок, крышки и т.д.), чтобы затем путем указания номеров линий глобальной сетки начала и конца элемента задать его пространственное расположение. Для плоскостей глобальной сетки необходимо указать координаты их пересечения с осями выбранной декартовой системы координат.

Для каждого конструктивного элемента необходимо описать его пространственное расположение.

Разбиение конструкций на конечные элементы может производиться с равномерной сеткой и с фиксированной сеткой (не равномерной).

Глобальная сетка позволяет задать расположение узлов конструкции и соединений между узлами и конструкцией.

Подготовку исходных данных для формирования конечно-элементной модели конструкции РЭА можно разделить на три этапа:

1) Подготовка исходных данных пространственных конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) пластинчато-стержневого типа.

2) Подготовка исходных данных конструкций печатных узлов.

3) Подготовка характеристик материалов элементов конструкции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пространственная конструкция РЭА пластинчато-стержневого типа.

Рассмотрим пространственную конструкцию РЭА в правой прямоугольной системе координат и проведем её структурный анализ. При проведении структурного анализа необходимо выделить конструктивные узлы (платы, панели, стенки и крышку корпуса и т.п.) и элементы (разъемы, трансформаторы, элементы крепления, стержневые элементы и т.п.), которые затем можно будет представить в виде набора соответствующих конечных элементов. Также необходимо выделить точки соединений конструктивных узлов и элементов, для того, чтобы в этих точках затем образовать узлы глобальной сетки координат, т.к. соединение конструктивных элементов можно производить только в узлах конечно-элементной модели.

7.1 Подготовка исходных данных для экспорта в формат программы расчетов

...