Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ

Направление 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Выпускная квалификационная работа

Тема:

Моделирование механических процессов в печатных узлах электронных средств

Студент В.Д. Кавинский

Руководитель д.т.н.,

профессор Ю.Н. Кофанов

Москва, 2018 г.



ОГЛАВЛЕНИЕ

• Введение
• Глава 1. Теоретические основы моделирования механических процессов в печатных узлах
• 1.1 Механические воздействия и их разновидности
• 1.2 Механические нагрузки электронных компонентов и материалов как оценочные параметры стойкости печатных узлов к вибрациям, ударам, линейным ускорения и акустическому шуму
• 1.3 Метод расчёта механических процессов в блоках электронных средств с помощью конечных элементов
• 1.4 Метод расчёта механических процессов в печатных узлах с помощью электромеханической аналогии
• Глава 2. Методика исследования механической стойкости блоков электронных средств
• 2.1 Вычислительный блок спутника как объект исследований стойкости
• 2.2 Взаимосвязь моделей механических процессов в блоке и печатном узле
• 2.3 Цель расчета механической макромодели блока
• 2.4 Цель моделирования механических процессов в печатных узлах
• 2.4.1 Основополагающие принципы при расчете печатных узлов
• 2.4.2 Анализ результатов расчета печатного узла
• 2.5. Способы повышения стойкости электронных компонентов к внешним механическим воздействиям
• Глава 3. Автоматизированные подсистемы АСОНИКА-ТМ и АСОНИКА-М для компьютерного моделирования механических процессов
• 3.1 Описание подсистемы АСОНИКА-М и ее функционала
• 3.1.1 Роль АСОНИКА-М в математическом моделировании механических процессов
• 3.1.2 Входные и выходные параметры при проведении моделирования блоков
• 3.1.3 Анализ результатов моделирования вычислительного блока спутника
• 3.2 Описание подсистемы АСОНИКА-ТМ и ее функционала
• 3.2.1 Роль АСОНИКА-ТМ в математическом моделировании механических процессов
• 3.2.2 Входные и выходные параметры при проведении моделирования печатного узла
• 3.2.3 Анализ результатов механического моделирования печатного узла в вычислительном блоке спутника
• Заключение
• Список литературы


ВВЕДЕНИЕ

В двадцать первом веке радиоэлектронная аппаратура занимает ключевое место в жизнедеятельности человека. Без радиоэлектронной аппаратуры не обходиться не одна из сфер жизни людей. Используется в промышленной, аэрокосмической, военной и во многих других коммерческих и государственных сферах. Таким образом, нормальное функционирование без сбоев и неполадок остро необходимо. Но с развитием радиоэлектронной аппаратуры, усложняется и ее конструкция, тем самым увеличивая риск отказа аппаратуры [9]. Для некоторой коммерческое деятельности данное событие может быть не так существенно. Но в случае с аэрокосмической или военной промышленности отказ части аппаратуры может привести к полному выходу из строя объекта. Например, падению спутника или вертолёта.

Одними из наиболее жестких воздействий на радиоэлектронную аппаратуру оказывают механические. В ходе эксплуатации спутников и самолетов их бортовая аппаратура испытывает колоссальные перегрузки[13]. Тогда существует риск нестабильной работы или вовсе отказа. Статистически отказ радиоэлектронной аппаратуры идет до 70% случаев. Для предотвращения отказов на этапе проектировки используют математическое моделирование механических процессов. Именно по той причине, что эмпирически проводить проверку колоссально дорого.

Данная работа посвящена проблеме механического моделирования в печатных узлах вычислительного блока. Главной целью работы является механическая модуляция, в ходе которой требуется обосновать надежностью данного радиоэлектронного устройства. Моделирование процессов будет выполнено в подсистеме АССОНИКА-ТМ, а также в АССОНИКА-М. Основными результатами дипломной работы будут являться выходные данные из подсистем, на основании которых можно сделать выводы о надежности проектируемого устройства и требований к его перепроектировке.

Область исследования является механическое моделирование вычислительного блока. Главной темой исследования является отсутствие механических расчётов блока, на основании которых обосновывается надежность данной радиоэлектронной аппаратуры. Основная гипотеза основывается на том, что устранение ненадежности радиоэлектронной аппаратуры на этапе проектирования, поможет избежать колоссальных расходов при возникновении нештатных ситуаций. Для достижения поставленных целей, требуется выполнить следующие задачи:

* исследовать теоретические основы механических воздействий

* описать методы моделирования печатных узлов и блоков на механические воздействия

* промоделировать блок и печатную плату на механические воздействия

* сравнить полученные данные с требуемыми

Основное направление работы заключается в том, чтобы ликвидировать неполадки в вычислительном блоке на этапе проектирования данного радиоэлектронного средства. Тем самым обезопасим производство от колоссальных потерь денежных средств и времени в последующем.



Глава 1. Теоретические основы моделирования механических процессов в печатных узлах

1.1 Механические воздействия и их разновидности

Основами механическими воздействиями на спутники можно назвать следующие: вибрация, линейное ускорение, удар, как одноразовый, так и многократный.

Под вибрационными механическими воздействиями подразумеваются периодические колебания как отдельных элементов, так и конструкции в целом.

Подразделяют два вида вибрационных воздействий - гармоническая и случайная вибрация. Возникновение вибрации на печатных узлах и блоках в спутниках может быть в следствии несовершенства конструкции спутника в целом, а также на основании воздействия внешних факторов [1]. Гармоническая вибрация описывается синусоидальным законом, показанном на рис. 1.

Рис. 1. График гармонической вибрации

Основные параметры вибрации: виброперемещение, виброскорость, виброускорение [12].

Виброперемещение - это параметр, который описывает максимальное отклонение точек в ходе вибрационных воздействий. Виброперемещение описывается как

(1.1)

В формуле (1.1) S - амплитуда колебания, щ - угловая частота, а ц - фаза колебания.

В комплексном виде виброперемещение описывается как

(1.2)

Виброскорость - это параметр, описывающий скорость перемещения точки, которая в свою очередь колеблется с определенной частотой. Виброскорость представляет собой первую производную от виброперемещения и описывается следующим уравнением

(1.3)

Виброускорение - это параметр, который описывает инерционную силу, воздействующую на объект. Виброускорение представляет собой первую производную от виброскорости и описывается следующим уравнением

(1.4)

В уравнениях (1.3) и (1.4) щS и щ²S являются амплитудами виброскорости и виброускорения соответственно. Среди данных трех параметров наиболее часто измеряемым является виброскорость, в связи с тем, что характеризует колебательную энергию системы. Виброускорение в основном измеряется в диапазоне от 100 до 10000 Герц, а вибпроперемещение обычно в диапазоне до 200 Герц.

В основном для многих устройств колебания не являются периодическими, тогда в случае с хаотическими колебаниями справедливо записать следующее уравнение

. (1.5)

Тогда в случае с конечным числом периодических процессов

. (1.6)

А в случае неизмеримости частот, данное выражение будет описывать почти периодический процесс

Немало важными параметрами также являются коэффициент передачи и коэффициент перегрузки.

Коэффициент передачи описывает величину воздействия источника на исследуемый объект и записывается следующим образом

, (1.7)

где f - частота источника колебаний, а f₀ - собственная частота объекта.

Коэффициент перегрузки описывается следующим образом

(1.8)

Другим механическим воздействием на радиоэлектронную аппаратуру является линейное ускорение. Линейные ускорения, обусловлены разгонами, торможениями космического аппарата, то есть в целом в случае движения с непостоянной скоростью. Основным влиянием на РЭА в ходе линейного ускорения является инерция [10]. Среди прочих механических воздействий линейные ускорения являются наименее опасными. При расчете РЭА используют максимальные значения ускорений по ступенчатому закону, который представлен следующим рисунком.

Рис. 2. График ударного воздействия ступенчатого вида

В случае движения тела по окружности используют следующую формулу [11]

(1.9)

Следующим видом механического воздействия является удар. Удары могут быть как однократными, так и многократными. Данный вид воздействия является наиболее опасным для хрупких деталей.

Под ударом подразумевается резкое изменение скорости объекта за конечную величину времени, а в случае упруго объекта также возникновения вибраций. Удары классифицируют на одиночные, периодические и непериодические. Основными характеристиками удара являются: форма, амплитуда и длительность. Интенсивность удара зависит от формы импульса, амплитуды удара, а также времени воздействия на объект.

Рис. 3. Разновидность форм импульса

Но для простоты расчетов форму импульса ударов заменяют на треугольную, прямоугольную и полусинусоидальную. Тем самым получаем следующие три основных формы, представленные на рис. 4

Рис. 4. Графики формы импульса, в котором а) полусинусоидальный, б) прямоугольный, в) треугольный

В случае с полусинусоидальным формой импульса при сила будет равняться нулю, а в остальном случае будет описываться выражением

(1.10)

При прямоугольной форме F принимает значения А или нуля.

В варианте с треугольной формой импульса будет рассчитываться как

, при и , при



Под акустическим шумом подразумевают беспорядочные колебания, отличительной характеристикой которых является сложная спектральная и временная структура. В свою очередь шум подразделяется на стационарный и не стационарный. Возникновение акустического шума в блоках РЭС обычно происходит за счёт вибраций. По частоте шум разделяют на низкочастотный, среднечастотный и высокочастотный.

1.2 Механические нагрузки электронных компонентов и материалов как оценочные параметры стойкости печатных узлов к вибрациям, ударам, линейным ускорения и акустическому шуму

Механическое воздействие на различные элементы блоков и печатных узлов могут привести к обратимым и необратимым изменениям. Обратимое изменение подразумевает продолжение функционирования объекта, но с заметным ухудшением его характеристик.

В зависимости от физики процессов данные изменения классифицируют на следующие группы: физическая деформация компонентов, деформация контактов, а также нарушение электромагнитных полей, которые в свою очередь могут привести к электромагнитной несовместимости.

Необратимые изменения связаны с полным разрушением элементов, которое приводит к полному не функционированию.

В ходе возникновения вибрационных воздействий на электронные компоненты основными оценочными параметрами объекта называют вибропрочность и виброустойчивость. Параметр вибропрочности радиоэлектронных средств показывает прочность при воздействии вибрации, с помощью которого определяется срок службы конструкции при вибрационных воздействиях, а также способность сохранения целостной структуры. Виброустойчивость определяет при какой частоте и условиях вибрации происходит отказ аппаратуры. Вибропрочность конструкции ЭС проверяется на основании допустимого значения виброперегрузки, а также значений напряжения материалов к предельному числу циклов. Одними из основных условий вибропрочности являются: отсутствие резонансов в конструкции, амплитуды виброускорений и виброперемещений требуется ограничить, исключив тем самым опасные напряжения в материалах конструкции [2].

При воздействии одиночного удара и многократных ударов основным параметром, описывающим стойкость конструкции, является ударопрочность. Ударопрочность - показатель, характеризующий способность конструкции выполнять свой функционал после воздействия на него ударов. В случае с многократными ударами, конструкция должна выполнять свое прямое назначение в ходе испытаний путем перпендикулярных ударов в трех координатах. При слабой ударопрочности конструкции возникает увеличения уровня шумов, изменение целостности электрической цепи, изменение входного сигнала, деформация конструкции.

Количественной оценкой, описывающей долговечность конструкций, является усталостное разрушение. Усталостное разрушение происходит в следствие цикличных механических нагрузок таких как многократные удары и вибрация. Наиболее часто в ходе усталостных разрушений первыми приходят к отказу выводы элементов ЭС. Усталостное разрушение можно определить как отношение числа циклов к собственной частоте системы. Тем самым при резонансных частотах скорость разрушения компонентов быстро возрастает. Уравнением, описывающим усталостное разрушение, является следующие

, (1.11)

где N_p - число циклов,

f₀ - собственная частота конструкции.



1.3 Метод расчёта механических процессов в блоках электронных средств с помощью конечных элементов

Метод конечных элементов являются одним из математических инструментов, с помощью которого моделируют физических процессы.

Метод конечных элементов - математический инструмент, построенный для приближенного решения физических задач, который базируется на двух основных идеях: функция аппроксимируется кусочно-элементным методом и объект дискредитируется на конечное множество элементов.

Развитие метода приходиться на середину двадцатого века, в связи с потребностью к моделированию воздействий на самолеты и элементы космической промышленности. Но в целом, концепция метода зарождать в девятнадцатом веке Пуассоном.

Как говорилось ранее одной из основных идей является дискредитация на конечное множество элементов [6]. То есть деформируемое тело разбивается на конечные элементы. Примером может послужить следующих рисунок

Рис. 5. Метод конечных элементов

Размер элементов может отличаться друг от друга. После разбития создается сетка, а пересечения элементов являются узлами. В зависимости от типа тела выбирается форма элементов. Для одноосных элементов используется стержневой тип конечного элемента при воздействиях сжатия-растяжения, кручениях и сгибах. Для пластин используется двумерный конечный элемент. Трехмерный конечный элемент служит для определения объемного состояния напряжения. Все конечные элемент обладают разными свойствами, которые определяются путем задачи констант. Узлы и элементы номеруются, для также существуют алгоритмические методы нумерации.

В случае с функцией аппроксимации поля перемещений деформации аппроксимируются при помощи кусочно-непрерывных функций или функций формы. Функции формы отличны от нуля только в области своего конечного элемента и принимает значения 1 в узле данного элемента. Степени в полиномах, которые используются в функциях формы определяют порядок КЭ, то есть выбор порядка аппроксимации определяет некоторые условия количества узлов элемента.

Основными преимуществами МКЭ перед, которые способствовали развитию данного метода являются:

1. Возможность рассматривать объект с различной физической формой и природой.

2. КЭ могут обладать различной формой и различными размерами.

3. Возможность решать стационарные и не стационарные задачи.

4. Моделирование любых граничных условий

5. Облегченный анализ связанных задач, в связи с тем, что на одной сетке можно решать различные физические задачи.

6. Так как моделируемые матричные алгоритмы единообразны, тем самым повышает удобство компьютерного моделирования.

7. Система уравнений имеет симметричную ленточную матрицу жесткости, тем самым ускоряет скорость обротки на ЭВМ.

При дискретизации области на подобласти и создания супер элементов есть возможность решения параллельных задач.



1.4 Метод расчёта механических процессов в печатных узлах с помощью электромеханической аналогии

Одним из методов расчета влияния механических воздействий на печатные узлы и блоки является метод электромеханической аналогии [8].

Доказательством аналогии между механическими и электрическими моделями описывается на базе топологии.

Обозначим ветвь топологической модели ,в которой i и j является номерами узла, а k является номером ветви параллельной заданной. В таком случае противоположно направленный поток будет

Ветвь описывается следующим равенством

. (1.12)

В том случае, если мы имеем элемент, который рассеивает энергию, то его параметр соответственно равен

Аналогично и с накапливающим элементом , только в этом случае добавляется s - переменная Лапласа

Зависимость внутренней связи разности потенциалов или потока другой ветви описывается с помощью коэффициента пропорциональности , с которым получаем следующее

;

;

;

;



Сумма входящих и исходящих потоков равно между собой

(1.13)

Таким образом, можно описать соединение между первым и последним элементом

(1.14)

А исходя из этого описать параллельное соединение следующим соотношением

(1.15)

Зависимость электрических и механических моделей описана в следующей таблице.

Таблица 1

Аналогия между электрической и механической характеристикой

Электрическая	Механическая
Электрический потенциал	Ускорение
Ток	Импульс силы
Проводимость	Коэффициент поглощения
Ёмкость	Масса
Индуктивность	Коэффициент податливости

Для графического пояснения топологии воспользуемся рисунком



Рис. 6. Графическое описание топологии

В котором, а - эквивалентная электрическая цепь, б - цепь в форме графа.

В случае с механической моделью воспользуемся следующим рисунком

Рис. 7. Представление механической модели в форме графа, в котором, а - эквивалентная механическая цепь, б - ненаправленный граф



Глава 2. Методика исследования механической стойкости блоков электронных средств

2.1 Вычислительный блок спутника как объект исследований стойкости

Вычислительный блок будет установлен в разрабатываемом космическом аппарате.

Блок представляет собой параллелепипед со встроенной в него платой. Корпус сделан из алюминия АМГ-6 суммарным весом 1,6кг. Габариты блока представляют собой следующие значения, описанные в следующей таблице:

Высота	21 мм
Длина	248 мм
Ширина	137 мм
Расстояние от платы до верхней крышки	1 мм
Расстояние от платы до основания блока	6 мм

Установка блока происходит только на основание, с учетом того, что блок должен быть установлен без амортизаторов и изоляторов. Блок может быть установлен вместе с другими блоками, скрепленный посредством болтов. Схематически блок выглядит следующим образом

Рис. 8. Схематическое представление блока

Внутри блока установлена печатная плата СФ-1-35, прикрепленная к блоку с помощью восьми стальных стоек размерами составляющими d7,5мм*10мм. Расположение компонентов на плате происходит с двух ее сторон. Схематично изображенная следующим образом

Рис. 9. Схематическое представление печатной платы

Компоненты платы представлены следующей таблицей

Таблица 3

Компоненты, расположенные на печатной плате

Обозначение поТАИК.468369.055ПЭ3	Наименование	Кол.
DA1, DA2	5559ИН28УАЕЯР.431230.882ТУ	2
DA3,DA4	5559ИН13У2АЕЯР.431230.591ТУ	2
DA5, DA6	5559ИН14УАЕЯР.431230.652ТУ	2
DA7, DA8	249ЛП1БТТО.343.001 ТУ	2
DA9	1309ЕН3.3ТАЕЯР.431420.668ТУ	1
DD2, DD3	1645РУ4АУАЕЯР.431220.ТУ	2
DD4	1636РР2АУИАЕЯР.431220.ТУ	1
DD5	5584ЛН1ТАЕЯР.431210.647ТУ	1
Z1	Ф01.5ВВЖБКП.468824.001	1
G2	РМП1005ОВЖБКП.436634.024 ТУ	1

устойчивость механический электронный блок спутник



2.2 Взаимосвязь моделей механических процессов в блоке и печатном узле

Рассматривая механические воздействия, передаваемые от блоков к печатным узлам можно выделить следующие: вибрация, удар, ускорения.

Вибрация от блока к печатной плате передается через крепления платы с блоком с определенным коэффициентом вибрации от входа к выходу. Входом передачи являются края ПУ, а выходом ее середина. То есть при передаче вибраций с коэффициентом передачи составляющим 0,1, в середине платы мы получим вибрацию в десять раз меньшую нежели на входе.

В случае с ударом, в зависимости от амплитуды и формы импульса, а также от места корпуса, в которое пришел удар, возможна деформация ПУ, разрыв узлов, исходя из которого изделие перестает соответствовать ТУ.

В ходе комплексного воздействия механических процессов от блоков к печатным узлам, снижение механической надежности печатных узлов происходит посредством деформации или расшатывания креплений платы к блоку, таким образом в ходе эксплуатации, может возникнуть, деформация как самой платы. Помимо деформации самой платы, есть вероятность деформирования дорожек на плате, тогда в таком случае происходит, как и в случае с ударным воздействиями, изменение эффективности и несоответствие техническим условиям эксплуатации. Деформация крепежей также снизит ударопрочность конструкции, повысив риск полного отказа печатной платы.

2.3 Цель расчета механической макромодели блока

При моделировании механической макромодели блока на этапе проектировки происходит расчёт многих показателей механического воздействия на блок. Основными из них являются показатели резонансных частот блока. Показатели напряжения в материалах конструкции блока, а также значения показателей ускорений в местах крепления первого и второго уровней блочно-иерархической схемы, то есть платы к блоку. Тем самым при получении полей ускорений, напряжений материалов, определения резонансных частот, приобретается возможность на этапе проектирования внести изменения в конструкцию блока РЭС, то есть определить наилучшую конструкцию с точки зрения механических режимов.

Основной целью в данной выпускной квалификационной работе при моделировании вычислительного блока на механические воздействия является получение ускорений в местах крепления платы. Полученные значения ускорений в местах крепления платы к блоку в дальнейшем будут использованы для моделирования механических воздействий на печатную плату.

2.4 Цель моделирования механических процессов в печатных узлах

2.4.1 Основополагающие принципы при расчете печатных узлов

При расчете печатных плат на механические воздействия требуется определить, как собственную частоту платы, в случае, если печатный узел установлен на амортизаторах, то собственную частоту с учетом амортизаторов, определить виброустойчивость и максимальное виброускорение, коэффициент виброперегрузки, коэффициент динамичности. Также требуется определить максимальный прогиб пластины от его краев, расчёт на действие удара.

Для вычисления собственной частоты платы воспользуемся формулой

(2.1)

где a и b - габариты платы в длину и ширину,

М - масса платы с учетом установленных на нее компонентов,

D - цилиндрическая жесткость,

К_а - табличный коэффициент, который берется из справочника и зависит от типа монтажа платы.

Цилиндрическая жесткость высчитывается как

(2.2)

где E - модуль упругости платы,

h - толщина,

м - является коэффициентом Пуассона.

Для определения коэффициента динамичности печатного узла воспользуемся формулой

, (2.3)

где е описывает показатель затухания, а з - коэффициент расстройки.

Для определения виброускорений и виброперемещений заданного печатного узла требуется определить амплитуду вибросмещения печатного узла. Тем самым воспользуется формулой

, (2.4)

где F_max - максимальная частота

Отсюда сможем определить виброускорения и вибромеремещения. Запишем коэффициент передачи

. (2.5)

K₁(x), K₁(y) - табличные значения, зависящие от формы колебаний.

После получения коэффициента передачи можем выразить виброускорение платы

(2.6)

А виброперемещение будет описываться как

(2.7)

Исходя из выше полученный значений максимальный прогиб печатный платы будет описываться, как

. (2.8)

Для определения ударного ускорения на печатный узел изначально требуется рассчитать коэффициент передачи ударного импульса

(2.9), где

Отсюда ускорение будет равно

(2.10)

На основе этих данных можно рассчитать максимальное относительное перемещение

(2.11)

Тем самым определив вышеназванные значения, нами могут быть сделаны предположения, касаемо надежности печатного узла, тем самым на этапе проектировки рассчитать надежность объекта.

2.4.2 Анализ результатов расчета печатного узла

После проведения аналитического решения задачи, которое базируется на входных значениях компонентов, а также регламентируются техническим заданием. Следом за ним идет математическое моделирование на программных обеспечениях, использующих метод конечных элементов. Примером такой программы является АСОНИКА-ТМ.

В ходе математического моделирований печатных узлов на все типы механических воздействий (вибрация, удар, акустический шум) получают следующие данные: спектральную плотность в контрольных точках, воздействия значения ускорений. Полученные данные представляются в виде диаграмм и графиков, которые в свою очередь статистически обрабатываются.

В ходе интерпретации полученные выходные значения сравниваются с предельными значениями вибраций, ударов, напряжений в материалах печатных плат. В случае, если полученные данные при моделировании, входят в диапазон значений до предельно допустимых, то в таком случае печатный узел печатный узел отправляется на формирование опытного образца с тестированием уже эмпирическим путем. В ином случае, печатный узел начинает оптимизироваться для достижения значений, входящих в вышеназванный диапазон. Способы повышения стойкости будут описаны в следующем пункте.



2.5 Способы повышения стойкости электронных компонентов к внешним механическим воздействиям

Для повышения стойкости электронных компонентов к механическим воздействиям существует множество способов. Способы различаются по типу: простой конструктивный способ и способ защиты с помощью амортизаторов.

Простой конструктивный способ направлен на изменение материала, формы и сечения конструкции. При проектировании стремятся расположить элементы таким образом, чтобы вектор сил воздействия совпадал с максимальной жесткостью конструкции. В ином случае, например, для пластины, у которой максимальная жесткость расположена вдоль плоскости, при перпендикулярном воздействии с достаточной силой произойдет перелом или перегиб.

Для пластичных конструкций одной из мер для уменьшения резонансных явлений есть возможность изменения собственной частоты f₀ конструкции в сторону за частотой сил воздействия f_в. Данное конструкторское решение хорошо работает при частотах, не превышающих 250-300 Гц, а полное устранение возможно в случае отношения собственной частоты к воздействующей превышающей двум. Повышение собственной частоты конструкции возможно при помощи следующих способов: увеличение пощади, увеличение толщины, добавление новых креплений, а также добавление ребер жесткости [7].

На первых двух рисунках нами показаны изменения в собственной частоте при увеличении площади и толщины. В третьем собственная частота колебания системы в зависимости от пластин 1,2,3 относиться в соотношении 1:3 и 6:6. При добавлении ребер жесткости наибольший вклад они вносят в случае крепления платы к блоку. Но в этих методах есть существенный минус - уменьшения конструкторского пространства, увеличение массы объекта.

Рис. 10. Виды повышения стойкости

Для уменьшения амплитуды колебания системы используют материалы с вибропоглащающими свойствами, тем самым повышаю демпфирующие свойства объекта.

Другим видом защиты ЭС от внешних механических воздействий являются амортизаторы. Амортизатор является упругой опорой со включенным в их конструкцию демпфируемым элементом, который за счёт вязкого или сухого трения рассеивает энергию. В случае отсутствия демпфируемого элемента рассеивание энергию происходит за счёт трения в материале упругих элементов.

На данный момент существует пять основных видов амортизаторов: резинометаллические, пружинные с воздушным демпфированием, пружинные с фрикционным демпфированием, цельнометаллические с структурным демпфированием, пружинно-полимерные. Схематически данные амортизаторы представлены на следующем рисунке

В резинометаллическом амортизаторе под цифрой 1изображен резиновый упруго деформируемый элемент, а 2 и 3 металлические пластины. Данные амортизаторы являются простыми, компактными и дешёвыми, но в силу старения резины недолговечны, с малым диапазоном рабочий температур.

Рис. 11. Схематичное изображение амортизаторов, в котором а) резинометаллический, б) пружинный с воздушным демпфированием в) пружинный с фрикционным демпфированием, г) цельнометаллический с структурным демпфированием, д) пружинно-полимерный

Упругим элементом в пружинных амортизаторах с воздушным демпфированием является пружина 1. 2 описывает резиновую оболочку, а 3 калибровальное отверстие. В данном амортизаторе демпфирующие свойства меняются за счет старения резины и температуры.

Демпфирование в пружинных амортизаторах с фрикционным демпфированием создается путем сухого трения корпуса 2 и пластмассовой диафрагмой 1, которые связаны между собой штоком 4. Упругий элемент состоит з 2-ух пружин 3. На малых амплитудах неэффективны из-за сухого трения, но в случае с большой амплитудой показывают хороший результат.

В пружинных амортизаторах со структурным демпфированием цилиндрическая пружина 1, которая является упругим элементом, навита на цилиндрический массив из путанки 2, которая является демпфером. Преимуществом этих амортизаторов является тот факт, что они могут функционировать в сложных климатических условиях, но недостаток заключается в том, что демпфирующие свойства нестабильны.

В пружинно-полимерном амортизаторе пружина 7 навита демпфер 3, которая размещена в обоймах 3 и 5, которая опирается на прокладки 4 и 1 и размещается в корпусе 2. Данный вид амортизатора зависим от температур, но эффективен, с связи с тем, что имеет большой диапазон рабочей частоты.



Глава 3. Автоматизированные подсистемы АСОНИКА-ТМ и АСОНИКА-М для компьютерного моделирования механических процессов

3.1 Описание подсистемы АСОНИКА-М и ее функционала

3.1.1 Роль АСОНИКА-М в математическом моделировании механических процессов

Программное обеспечение АСОНИКА-М является подсистемой программного комплекса АСОНИКА. Данную подсистему используют для моделирования механических воздействий, таких как вибрации как гармонические, так и случайные, удары, а также линейные ускорения. Основное назначения подсистемы заключается в следующем [5]:

1.Измерение ускорений в местах крепежа разных уровней блочно-иерархической схемы радиоэлектронной аппаратуры

2. В радиоэлектронных блоках, стойках, а также шкафах получить механические напряжения, а также резонансные частоты. В случае, не достижение требуемых коэффициентов нагрузок и резонансных частот, провести изменения конструкции.

3. Для печатных узлов получить значения ускорений в местах их креплений к блокам или шкафам.

4. Исходя из полученных данных, произвести выбор наилучшей конструкции при различных режимах механических воздействий на РЭС.

5. При необходимости обосновать изменения в конструкции блоков и радиоэлектронных шкафов с целью повышения механической надежности.

Программное обеспечение АСОНИКА-М при моделировании механических воздействиях позволяет анализировать такие конструкции как радиоэлектронный шкаф и блок, включающий в себя разные вариации исполнения в том числе: цилиндрические, кассетные, этажерочные и иные блоки, выполненные с разной сложностью.

Преимуществом подсистемы является то, что в нее интегрированы базы конструкционных материалов с учетом их физико-механических параметров.

Подсистема АССОНИКА-М обладает достаточно простым и интуитивным интерфейсом, тем самым облегчает работу в ней проектировщику, в следствие этого повышается эффективность построения механических моделей РЭС.

На базе расчётного ядра ANSYS и при помощи метода конечных элементов базируется методика расчётов несущих конструкций.

Взаимодействие проектировщика с подсистемой происходит с помощью монитора, мыши, а также клавиатуры. С помощью устройств ввода специалист задает водные значения такие как: ввод графика входных взаимодействий, работа с материалами конструкций, переход от предпроцессора к постпроцессору. На выходе через монитор программное обеспечение позволяет увидеть полностью иерархию конструкции[3].

3.1.2 Входные и выходные параметры при проведении моделирования блоков

Для проведения моделирования механических процессов в подсистеме входными данными являются:

1. Чертеж конструкции РЭС, либо её эскиз

2. Материал, из которого сделана конструкция

3. Вид воздействия на конструкцию и его количественное значение

Выходные данные, получаемые пользователем:

1. График зависимости ускорения от частоты и времени и график зависимости перемещения от частоты и от времени

2. Поля ускорений, перемещений, напряжений



3.1.3 Анализ результатов моделирования вычислительного блока спутника

В ходе моделирования контрольными точками относительно которых проходит моделирование для выяснения значений ускорений в местах крепления платы с блоком.

Модель задаваемого воздействия выглядит следующим образом:

Диапазон частот составляет от 0 до 3000 Гц при работе двигателей, в случае с перехода космического аппарата на другую орбиту.

Диапазон ускорений составляет от 0 до 8 g с шагом частоты 100 Гц.

Рис. 12. График зависимости ускорения от частоты

Из рисунка 12. видно, что резонансная частота достигается печатной платы равна 167 Герц.

На основании полученных данных возможен непосредственно переход к моделированию печатного узла в подсистеме АСОНИКА-ТМ.

3.2 Описание подсистемы АСОНИКА-ТМ и ее функционала

3.2.1 Роль АСОНИКА-ТМ в математическом моделировании механических процессов

Программное обеспечение АСОНИКА-ТМ является подсистемой программного комплекса АСОНИКА, предназначенная для моделирования тепловых и механических процессов в печатных узлах.

Тем самым АСОНИКА-ТМ позволяет [4]:

1. Моделирование тепловых процессов на печатные платы при стационарных и нестационарных воздействиях.

2. Моделирование механических процессов в печатных платах: при гармонической вибрации, случайной вибрации, одиночных и многократных ударах и акустических шумах.

3. Подсистема может выполнять механическое моделирование с учетом тепловых воздействий на печатную плату.

3.2.2 Входные и выходные параметры при проведении моделирования печатного узла

Для осуществления моделирования в подсистеме АСОНИКА-ТМ требуется задать следующие входные параметры:

1. ТЗ, чертеж или эскиз исследуемой печатной платы

2. Основные параметры элементов печатной платы

3. В местах креплений печатной платы с блоком задать уровень входных механических воздействий

4. Выбрать контрольные точки на печатном узле в которых будут измеряться тепловые и механические характеристики.

Выходными данными будут служить:

1. АЧХ И АВХ в выбранных контрольных точках.

2. Карта механических режимов

3. В заданный момент времени все динамические воздействия как на ПУ, так и на его часть.

3.2.3 Анализ результатов механического моделирования печатного узла в вычислительном блоке спутника

Схематично в 2d рассчитываемая плата в подсистеме имеет следующий вид (см. рис. 13).

Рис. 13. 2D вид печатной платы

Объемный вид платы представлен на рис. 14.

Рис. 14. 3D вид печатной платы

В связи с тем, что вибрационные воздействия в плате возникают, когда спутник переходит с одной орбиты на другую, то таким образом промоделируем, как ведет себя плата в диапазоне частот от 0 до 1000Гц

Тем самым видим, что наиболее опасными местами на плате являются ее центральные части по краям, которая в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц находится под максимальной нагрузкой.



Рис. 15. Поля ускорений при воздействии гармонической вибрации

В ходе модуляции на диапазоне от 10 до 3000 Гц была получена следующая амплитуда-частотная характеристика для контрольной точки

Рис. 16. Амплитудно-частотная характеристика в контрольной точке

Рис. 17. Поля ускорений ЭРИ при воздействии гармонической вибрации 3000 Гц



Тут также видно, что наиболее опасной частью являются боковые части печатного узла.

При воздействии акустического шума поля напряжений выглядят следующим образом, как показано в следующей таблице.

Таблица 4

Карта режимов ускорений при акустическом шуме

Обозначение ЭРИ	Максимальное расчетное ускорение, g	Максимально допустимое по ТУ	Перегрузка
G2	15.01	40
DD2	13.93	40
DA9	11.04	40
DD1	10.48	40
DA4	9.38	40
DD3	8.98	40
DA10	7.73	40
DA1	3.59	40
R7	3.18	40
T2	2.97	40
C2	2.01	40
C1	2.01	40
C8	1.97	40
DD4	1.21	40
DA5	0.28	40
Z1	0.09	40
DA6	0.08	40
C5	0.08	40
C6	0.08	40
C7	0.08	40
C3	0.07	40
C4	0.07	40
R4	0.03	40
R3	0.03	40
R1	0.03	40
R2	0.03	40
DA7	0.03	40
R5	0.03	40
R6	0.03	40
DA8	0.00	40
DA2	0.00	40
G1	0.00	40
S1	0.00	10
S4	0.00	10
S6	0.00	10
S3	0.00	10
DD5	0.00	40
DA3	0.00	40
T1	0.00	40
S5	0.00	10
S2		10

В свою очередь, в контрольной точке зависимость амплитуды от частоты дана на рис. 16.

Рис. 18. Амплитудно-частотная характеристика в контрольной точке при акустическом шуме

Согласно данным печатный узел не испытывает перегрузок в случае акустического шума.

На основании полученных данных, можно сделать вывод, что данное изделие в случае эксплуатации в диапазонах частот от 0 до 1000 некоторые изделия печатного узла находятся под значительной нагрузкой, без должного запаса надежности. Тем самым встает вопрос видоизменения конструкции с целью получения требуемого запаса надежности.

Для этого по бокам платы установим дополнительные стойки креплений в размере двух штук. Расположив первую стойку на расстоянии по длине на 34 мм, а по ширине на 68, а вторую по длине на 206мм, а по ширине на 61 мм получаем следующую картину.

Рис. 19. Поля ускорений ЭРИ с учетом изменений в конструкции

Таким образом, при изменении конструкции нами получены данные, которые показывают, что с учетом изменения конструкции, получен требуемые запас надежности.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе моделирования блока вычислений на механические воздействия были получены данные, на основании которых можно сказать, что в первоначальном виде, без конструкторских изменений данный блок подвержен большой вероятности отказов, в связи с тем, что определенные ЭРИ находятся под значительной нагрузкой.

Предложена конструкторские изменения в виде добавления двух дополнительных стоек на места по краям платы. Таким образом, изменив конструкцию, можно будет говорить о повышении вероятности безотказности работы конструкции.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. М.Д. Токарев, Е.Н. Талицкий, В.А. Фролов. "Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры" М. Радио и связь, 1984.

2. Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С., Журавский В.Г., Гольдин В.В. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях. М.: Радио и связь, 2000. - 226с.

3. Ю.Н. Кофанов, С.Ю. Сотникова. Информационные технологии теплового и механического моделирования радиоэлектронных средств: учеб. пособие; Нац. исслед. ун-т «Высшая школа экономики». -- М.: НИУ ВШЭ, 2014. -- 87

4. К.Б. Варицев, P.JI. Желтов, А.С. Шалумов и др. Моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры с помощью подсистемы "АСОНИКА-ТМ"; Под ред. Ю.Н. Кофанова. М.: МГИЭМ, 1999. - 139 с

5. Шалумов А.С., Малютин Н.В., Кофанов Ю.Н., Способ Д.А., Жаднов В.В., Носков В.Н., Ваченко А.С. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий.

6. Фокин В.Г. Метод конечных элементов в механике деформируемого твёрдого тела: Учеб. пособие / В.Г. Фокин. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. - 131 с

7. Бахвалова С.А. Основы конструирования РЭС. Часть 2. Учеб. пособие. - м.: МИЭТ, 2012 - 156с.

8. Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей М.: - Физ-матгиз, 1994 - 192 с.

9. Сонин Е.К. Радиоэлектроника спутников. - М.: Энергия, 1966. - 72 с.

10. Каленкович Н.И., Фастовец Е.П., Шамгин Ю.В. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств. - Мн.: Выш. шк. 1989 - 244с

11. Larry C. Andrews; Ronald L. Phillips (2003). Mathematical Techniques for Engineers and Scientists

12. Eshleman, R 1999, Basic machinery vibrations: An introduction to machine testing, analysis, and monitoring

13. Maria M. Finckenor Kim K. de Groh 2015. Space Enviromental Effects - NASA

Размещено на Allbest.ru

...