Методика виртуального проектирования радиоэлектронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИЭМ

МЕТОДИКА ВИРТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Коломейцев С.С.

Кофанов Ю.Н.



Вся система АСОНИКА, предлагаемая для использования при комплексном моделировании РЭС для формирования виртуального макета, состоит из ряда проблемных подсистем, позволяющих комплексно моделировать большинство основных физических процессов для различных уровней иерархии современных наукоемких РЭС. Это такие подсистемы, как: АСОНИКА-У (управление), АСОНИКА-Т (моделирование тепловых процессов), АСОНИКА-М (моделирование механических процессов), АСОНИКА-Р (заполнение карт рабочих режимов) и т. д. Также в систему включаются программы сторонних разработчиков для обеспечения комплексного анализа физических процессов, протекающих в РЭС, например OrCAD или P-CAD и система управления данными АСОНИКА-УМ. Общая схема в рамках поддержки всего жизненного цикла изделия представлена на рис 1.

Комплексное моделирование электрического, теплового, аэродинамического (гидравлического) и механического процессов в РЭС (до уровня электрорадиоизделий (ЭРИ)) с использованием одного программного средства невозможно. Поэтому для его проведения потребуется несколько моделирующих программ, между которыми необходимо поддерживать связь на уровне входных - выходных данных.

Система АСОНИКА включает в себя средства моделирования электрических, тепловых, механических, аэродинамических и гидродинамических процессов; средства оценки надежности и качества РЭС и обеспечивает дополнение конструкторской документации результатами расчетов и моделями, по которым эти расчеты проведены [3].

Таким образом, на базе системы АСОНИКА формируется виртуальный проект создаваемого изделия, в который помещается вся информация, накопленная на всех стадиях жизненного цикла. Виртуальный проект позволяет инженеру моделировать любые процессы в изделии и вносить любые изменения в его конструкцию и схему, так как если бы это был реальный объект.

На рис.2 показана схема формирования виртуального проекта в PDM-системе АСОНИКА-УМ в процессе проектирования. Виртуальный проект включает в себя:

? электронную документацию для проектирования, производства и эксплуатации;

? комплексную модель физических процессов в схемах и конструкциях РЭС с результатами ее комплексного анализа (виртуальный макет);

? диагностические модели;

? инструменты конвертации;

? комплект информационно-логических методик проектирования РЭС в стандарте подсистемы АСОНИКА-У;

Рис. 1. Состав программного обеспечения в рамках поддержки всего жизненного цикла изделия

Для разработки высоконадежной аппаратуры важное значение имеет систематизация, накопление, хранение и отображение информации. Для этого используются системы электронного документа оборота (PDM-системы). Накопленная информация используется на всем жизненном цикле РЭC и включает в себя:

? информацию о конфигурации и структуре РЭC,

? комплексные модели электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов и результаты их анализа (виртуальный макет РЭC),

? характеристики и свойства РЭC,

? организационную информацию (описание процессов, связанных с изменением данных об изделии, необходимые ресурсы - люди, материалы, т.д.),

? информацию о проведенных контрольных испытаниях,

? документы, которыми обрастает изделие с момента его проектирования до его продажи и дальнейшего обслуживания, и т.д.

Рис. 2. Формирование виртуального проекта в PDM-системе в процессе проектирования на основе системы АСОНИКА

Схема комплексного моделирования физических процессов, расчетов надежности и автоматизированного заполнения карт рабочих режимов в системе АСОНИКА показана на рис.

Данная схема поясняет механизм передачи данных при комплексном моделировании электрического, теплового, аэродинамического и механического процессов, а так же показателей надежности.

Блоки схемы представляют автоматизированные подсистемы, используемые разработчиками для моделирования физических процессов, протекающих в РЭА.

Создание чертежей конструкции и электрической схемы устройства производится с помощью системы PCAD (AutoCAD), а расчет электрической модели производится с помощью подсистемы АСОНИКА-П.

Рис. Структурная схема взаимодействия подсистем при разработке виртуального макета, где

Тстен - вектор температур стенок воздушных каналов радиоэлектронного средства (РЭС), Vвозд - вектор скорости воздуха в каналах РЭС, L - вектор габаритных размеров конструктивных элементов РЭС, PЭРЭ - вектор мощности тепловыделения электрорадиоэлементов (ЭРЭ), [S]ЭРЭ - перечень ЭРЭ, установленных на печатных узлах и корпусе изделия, TКУ - вектор температур конструктивных узлов изделия, Tвозд - вектор температур воздуха вне и внутри изделия, aКУ - вектор ускорений в местах крепления ПУ, TЭРЭ - вектор температур ЭРЭ, aЭРЭ - вектор ускорений ЭРЭ, T0 - вектор средней наработки на отказ ЭРЭ, ПУ и изделия, Кн - вектор коэффициентов нагрузки

Графический ввод конструкции, электрической схемы, моделей физических процессов и надежности, может осуществляться как с помощью средств программ моделирования (реализовано в подсистемах системы АСОНИКА), так и с помощью других программных средств, с которыми поддерживаются связь в моделирующих программах (например, графические модели, созданные в системе P-CAD, могут быть импортированы и рассчитаны в системе АСОНИКА-Т, АСОНИКА-ТМ, АСОНИКА-Р).

Стрелками показывается, какой информацией обмениваются программы математического моделирования в процессе анализа комплексной модели и расчета надежности. Согласование и передача информации в процессе проведения моделирования физических процессов автоматизировано и осуществляется с помощью конвертеров данных.

Разработка и сопровождение виртуального проекта в подсистеме АСОНИКА-УМ

Для обеспечения надежности радиоэлектронных устройств необходимо на этапе проектирования создать виртуальный проект и его составляющую - виртуальный макет. Виртуальный проект формируется при проектировании и в него могут быть внесены изменения на этапах изготовления и эксплуатации в силу реальных условий производства на заводе и эксплуатации на конкретном объекте установки. Например, при изготовлении может возникнуть необходимость замены материалов и технологических режимов, а при эксплуатации - необходимость получения разрешений на применение в новых условиях эксплуатации, а также на продление времени эксплуатации изделия. Подобные разрешения дают проектировщики изделий после дополнительного исследования виртуального макета. Поэтому виртуальный проект хранится в головной проектной организации, а на стадии изготовления и эксплуатации передается в электронном виде только часть виртуального проекта, относящаяся к технологической или эксплуатационной документации.

Виртуальный проект формируется в подсистеме электронного документа оборота АСОНИКА-УМ. Главной особенностью данной подсистемы является полная интеграция со всеми моделирующими подсистемами, входящими в состав системы АСОНИКА. Вся документация, накопленная на этапах жизненного цикла (ЖЦ), аккумулируется в данной подсистеме.

На рис. 4. изображена структура виртуального проекта. Виртуальный проект включает в себя структурированную определенным образом техническую документацию на РЭУ и его составные части, и виртуальный макет (комплексная модель физических процессов) блока и входящих в него ПУ. Взаимосвязь проектной документации с виртуальным макетом осуществляется через 3-d модель блока, построенную в соответствии с проектной документацией. Каждый узел 3-d модели представляет собой отдельную сборочную единицу. 3-d модель при этом является в качестве входных данных для построения виртуального макета. Таким образом, после обоснованных изменений виртуального макета с целью улучшения тех или иных характеристик блока, изменения также отразятся с помощью специальных конвертеров и в проектной документации.

Формирование виртуального макета разрабатываемого РЭУ начинается сразу после выхода конструкторской документации.

Исходными данными для построения виртуального макета РЭУ служат чертежи конструкции и электрическая принципиальная схема, выполненные с помощью программных комплексов AutoCAD и PCAD, а также 3-dмодель.

Рассмотрим последовательность разработки виртуального макета РЭУ. На рис. 2 представлена структурная схема методики виртуального проектирования, которая предполагает, что в процессе проектирования на базе имеющейся PDM-системы - АСОНИКА-УМ и с использованием автоматизированных систем моделирования происходит формирование виртуального проекта и его составляющей - виртуального макета блока.



Рис. 4. Структура виртуального проекта

Управления данными при проектировании радиоэлектронных устройств

1. С помощь специального графического редактора (например, Multisim, Orcad) разрабатывается электрическая схема. Она сохраняется в базе данных проектов в PDM-системе АСОНИКА-УМ и передается в виде файла в систему анализа электрических схем, где определяются необходимые для теплового расчета мощности тепловыделений ЭРИ, и в систему размещения и трассировки печатных плат PCAD (Шаг 1). Из системы размещения и трассировки печатных плат PCAD выходной pcb-файл сохраняется в виртуальном проекте.

Параллельно с разработкой схемы проектируются 3-d модель конструкции, а также габаритный чертеж в таких системах, как AUTOCAD, SolidWorks, которые также сохраняются в виртуальном проекте.

2. 3-d модель, чертежи шкафов и блоков, и спецификации к ним передаются из виртуального проекта в подсистему анализа тепловых процессов в шкафах и блоках РЭУ АСОНИКА-Т. Полученные в результате моделирования температуры в узлах конструкций шкафов и блоков сохраняются в виртуальном макете (Шаг 2).

3. При наличие в блоке вынужденного охлаждения, необходимо с учетом температур, полученных на предыдущем этапе провести моделирование аэродинамических процессов с помощью подсистемы АСОНИКА-А (Шаг 3). Полученные результаты, такие как скорость продуваемого воздуха, расход воздуха и т.п. сохраняются в виртуальном макете и являются дополнительным условием для проведения уточняющего теплового расчета с учетом полученных скоростей.

4. 3-d модель, чертежи шкафов и блоков, спецификации к ним и температуры, полученные при тепловом моделировании, передаются из виртуального проекта в подсистему анализа механических процессов в шкафах и блоках РЭУ АСОНИКА-М. Полученные в результате моделирования напряжения, перемещения и ускорения в конструкциях шкафов и блоков сохраняются в виртуальном макете (Шаг 4) и в дальнейшем учитываются при моделировании печатных узлов.

5. При наличии системы виброизоляторов, их моделирование проводится в подсистеме АСОНИКА-В (Шаг 5). При моделировании учитываются механические параметры виброизоляторов и механическое воздействие подаваемое на блок, на котором они установлены.

6. Чертежи печатных узлов и спецификации к ним, а также итоговые файлы системы размещения и трассировки (pcb-файлы) передаются из виртуального проекта в подсистему комплексного анализа тепловых и механических процессов в печатных узлах АСОНИКА-ТМ (Шаг 6). Кроме того, передаются температуры воздуха в узлах, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т в виде граничных условий, а также ускорения в местах креплений печатных узлов, полученные в подсистеме АСОНИКА-М. Полученные в результате моделирования температуры и ускорения электрорадиоизделий (ЭРИ) сохраняются в виртуальном макете.

7. Перечень ЭРИ, файлы с электрическими характеристиками ЭРИ, температурами и ускорениями ЭРИ передаются из виртуального макета в подсистему анализа показателей надежности РЭУ АСОНИКА-К. Полученные в результате показатели надежности РЭУ сохраняются в виртуальном макете (Шаг 7).

Модели физических процессов с результатами анализа сохраняются в виртуальном макете, в подсистеме АСОНИКА-УМ.

Рассмотрим далее каждый шаг из приведенной структурной схемы на рис 2. более подробно.

Моделирование электрических процессов в схеме радиоэлектронного устройства

На первом шаге виртуального макетирования проводится моделирование электрических процессов, протекающих разрабатываемом РЭУ.

Исходными данными для моделирования электрических процессов являются:

? схема электрическая принципиальная;

? электрические параметры ЭРИ.

Необходимо выяснить, все ли электрические режимы каждого функционального узла соответствуют требованиям технического задания. Если требование не выполняется, то вносятся изменения в схему функционального узла и проводится повторный электрический анализ. Если требование выполняется, модель с результатами анализа электрического моделирования заносится в виртуальный макет, который хранится в подсистеме АСОНИКА-УМ.

электрический аэродинамический радиоэлектронный виртуальный



Рис. 5. Структурная схема формирования виртуального проекта РЭУ

Полученные в результате электрического моделирования мощности тепловыделений всех ПУ и каждого ЭРИ впоследствии используются при тепловом моделировании блока и его составных ПУ.

Среди программ, позволяющих проводить анализ электрических процессов, наиболее известными являются: PSPICE, OrCAD, Micro-Cap, EWB Multisim. Моделирование электрических процессов может проводиться в аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройствах.

Моделирование тепловых и аэродинамических процессов при формировании виртуального макета

На втором шаге проводится моделирование тепловых процессов в РЭУ, и в случае наличия аэродинамических каналов в конструкции РЭУ, например при использовании дополнительного охлаждения, моделирование аэродинамических процессов в РЭУ.

Электрические процессы в РЭУ тесно связаны с тепловыми процессами, которые в свою очередь взаимосвязаны с механическими процессами. Мощности тепловыделения на ЭРИ зависят от их токов и напряжений, а температура воздуха и корпуса ЭРИ оказывает влияние на его параметры, учет этого влияния особенно важен для полупроводниковых приборов. С другой стороны для ЭРИ и материалов печатных узлов существуют довольно жесткие ограничения по диапазону рабочих температур, нагрев ЭРИ так же отрицательно сказывается на показателях надежности РЭУ. От температуры зависит жесткость материалов - параметр, от которого зависят собственные частоты, амплитуды механических колебаний и другие характеристики механических режимов. Поэтому моделирование тепловых процессов является важным этапом в процессе разработки РЭУ.

Для моделирования тепловых процессов в РЭУ применяется подсистема АСОНИКА-Т. По чертежам конструкции в подсистеме строится модель тепловых процессов (МТП) и задаются граничные условия (условия эксплуатации). В МТП блока учитываются мощности тепловыделений ЭРИ, полученные при электрическом моделировании и переданные с помощью конвертера из виртуального макета в подсистему АСОНИКА-Т. Задаются теплофизические параметры материалов конструкции, которые содержатся в интегрированной базе данных подсистемы АСОНИКА-Т. Далее проводится расчет. В результате моделирования определяются средние температуры конструктивных узлов, ПУ и внутреннего воздушного объема. Модель с результатами анализа сохраняется в виртуальном макете. После такого моделирования РЭУ можно приблизительно оценить устойчивость данного РЭУ к тепловому воздействию, но для точной оценки необходимо провести тепловое моделирование ПУ, после которого станут известными значения температур на каждом ЭРИ. Полученные значения средних температуры впоследствии используются при моделировании механических процессов в РЭУ, при моделировании тепловых процессов в ПУ и при моделировании аэродинамических процессов в РЭУ.

При наличии аэродинамических каналов в конструкции РЭУ также проводится моделирование аэродинамических процессов. Для расчета аэродинамического процесса применяется подсистема АСОНИКА-А, которая позволяет проводить аэродинамический расчет с учетом температур воздуха на входе в канал и температуру стенок канала. Эти температуры, полученные при тепловом моделировании РЭУ, с помощью конвертора данных из АСОНИКА-Т автоматически добавляются в аэродинамическую модель.

В результате аэродинамического моделирования получаются значения скоростей воздуха у стенок конструкции РЭУ и у поверхностей ЭРИ, и давления в различных точках конструкции, а также расход хладоносителя. Полученные значения скоростей таким же способом, что и из АСОНИКА-Т в АСОНИКА-А передаются тепловым ветвям МТП РЭУ (вынужденной конвекции и массопереноса) и повторяется тепловой расчет.

Возможности подсистемы АСОНИКА-Т:

? определение тепловых режимов работы всех ЭРИ и материалов несущих конструкций и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузки;

? выбор лучшего варианта конструкции из нескольких имеющихся вариантов с точки зрения тепловых режимов работы;

? обоснование необходимости и оценка эффективности дополнительной защиты РЭУ от тепловых воздействий;

? создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор испытательных воздействий, выбор наиболее удачных мест установки датчиков).

В таблице 1 представлено описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-Т.

В результате теплового моделирования с помощью подсистемы АСОНИКА-Т будут получены следующие результаты :

? значения температур конструктивных элементов, конструктивных узлов и электрорадиоэлементов РЭУ;

? средние температуры выделенных изотермических воздушных объемов;

? значения температур воздушных потоков, охлаждающих РЭУ.



Таблица 1. Описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-Т

№ п/п	Название задаваемой величины или подсистемы	Условное обозначение	Как задается при комплексном моделировании	Примечание
	АСОНИКА-Т
1.	Геометрические параметры	a, b и т.д.	вручную, из технического задания
2.	Теплофизические параметры материалов, элементов конструкции РЭУ и хладоносителей	kчерн, kоблуч и т.д.	вручную, из справочника
3.	Значения тепловых мощностей, рассеиваемых элементами схемы РЭУ	PR1, PC1 и т.д.	приводятся в карте электрических режимов работы электрорадиоэлементов принципиальной схемы анализируемой РЭУ или определяются в результате моделирования электрических процессов, протекающих в схеме
4.	Время работы	tнач, tконеч	вручную, из технического задания
5.	Начальная температура	toнач	вручную, из технического задания
6.	Значения скоростей воздуха у стенок блока и у поверхностей ЭРИ	Vi	Вручную из ТЗ, ТУ или автоматически из расчета конвертируется из расчетов АСОНИКА-А
7.	Точность интегpиpования	?	назначаются на основе опыта расчетов
8.	Шаг итегрирования	hmin, hmax	назначаются на основе опыта pасчетов

Для расчета аэродинамического процесса применяется подсистема АСОНИКА-А, которая позволяет проводить аэродинамический расчет с учетом температур воздуха на входе в канал и температуру стенок канала. Эти температуры, полученные при тепловом моделировании РЭУ, с помощью конвертора данных из АСОНИКА-Т автоматически добавляются в аэродинамическую модель.

Программное обеспечение подсистемы АСОНИКА-А позволяет проводить моделирование аэродинамического и гидравлического процессов в радиоэлектронной аппаратуре. Расчет модели в подсистеме АСОНИКА-А может проводиться:

? в статическом режиме;

? в динамическом режиме (переходные процессы).

Исходными данными для проведения расчёта являются (см таблица 2.):

? топологическая модель аэродинамического или гидравлического процесса;

? геометрические параметры конструкции;

? теплофизические параметры хладоносителей (воздуха, воды и т.д.);

? температуры воздуха и элементов конструкции.

Таблица 2. Описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-А

№ п/п	Название задаваемой величины	Условное обозна- чение	Как задается при комплексном моделировании
	Геометрические параметры конструкции РЭУ	a, b и т.д.	вручную, из НТД
	Теплофизические параметры теплоносителей (воздух, вода)	?воз, и т.д.	вручную, из справочника
	Значения давлений и расходов теплоносителя, создаваемые вентиляторами, компрессорами и т.д.	Q, P, P(Q)	ТУ на вентиляторы, компрессоры, БД подсистемы АСОНИКА-П
	Температуры конструктивных элементов, и потоков теплоносителей	T	Вручную из ТЗ, ТУ или автоматически из расчета МТП в подсистеме АСОНИКА-Т

В результате расчёта получают следующие выходные характеристики:

? скорости хладоносителя (на входе в канал, на выходе из блока и т.д.);

? расходы хладоносителя (воздуха, воды и т.д.);

? давления в различных точках конструкции (на входе, на выходе, внутри конструкции).

Моделирование механических процессов в радиоэлектронном устройстве с учетом распределения температур в конструкции

На третьем шаге виртуального макетирования проводится моделирование механических процессов в РЭУ с учетом температур, полученных на предыдущем шаге.

Актуальность моделирования на механические воздействия возрастает с каждым днем, так как, с одной стороны, повышаются требования к надежности разрабатываемых РЭУ, а с другой стороны, повышается интенсивность механических воздействий, сокращается время, отводимое разработчику на проектирование.

Моделирование РЭУ на механические воздействия, в общем случае, заключается в следующем:

Моделирование несущей конструкции с целью получить напряжения в конструкции, а также ускорения в местах крепления ПУ, т.к. механические воздействия на опоры ПУ передаются именно через несущие конструкции;

Моделирование ПУ РЭУ с целью определить перемещения и напряжения в конструкции ПУ, ускорения на ЭРИ, время до усталостного разрушения выводов ЭРИ.

Компьютерное моделирование механических процессов в РЭУ требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в ПУ тысяч ЭРИ, механические характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексного характера приложения тепловых и механических воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.

Существующие специализированные программы моделирования механических процессов в РЭУ не учитывают всех вышеизложенных факторов, не достаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкциях РЭУ, не позволяют построить всю иерархию конструкций РЭУ от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии РЭУ, например, от блока к ПУ.

Моделирование механических процессов в блоке проводится в подсистеме АСОНИКА-М, моделирование механических процессов в ПУ - в подсистеме АСОНИКА-ТМ. При наличии в конструкции РЭУ виброизоляторов, их моделирование проводится в подсистеме АСОНИКА-В.

Для построения модели механических процессов в подсистеме АСОНИКА-М требуются чертежи конструкции, а также данные из технических условий (параметры механического воздействия). Интегрированная база данных содержит физико-механические параметры конструкционных материалов. Полученные температуры элементов конструкции при тепловом моделировании блока учитываются при механическом моделировании блока. После расчета модели определяются поля значений ускорений, перемещений и напряжений, которые сравниваются с предельно допустимыми значениями по НТД. Полученные в результате механического моделирования блока ускорения в местах крепления ПУ используются при механическом моделировании ПУ как входное воздействие, подаваемое на него.

Возможности подсистемы АСОНИКА-М:

? получение ускорений в местах крепления конструкций нижнего уровня иерархии в рассчитываемых конструкциях более высокого уровня иерархии для реализации моделирования «сверху вниз» протекающих механических процессов в РЭУ;

· получение механических напряжений и резонансных частот, возникающих при протекании механических процессов в третьем и втором уровнях конструкций РЭУ (радиоэлектронных шкафах, стойках, пультах и блоках), и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузок в материалах их корпусов и выведение резонансной частоты за рабочий диапазон;

· выбор лучшего варианта конструкции из нескольких имеющихся вариантов с точки зрения механических режимов работы РЭУ (уточняется по результатам моделирования конструкций первого уровня и определения ускорений на ЭРИ с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ);

· обоснование необходимости и оценка эффективности дополнительной защиты РЭУ от механических воздействий;

В таблице 2. представлен перечень входных данных, необходимых для расчета механических процессов в подсистеме АСОНИКА-М.

Таблица Описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-М

№ п/п	Название задаваемой величины или подсистемы	Условное обозначение	Как задается при комплексном моделировании	Примечание
1.	Геометрические параметры: длина, ширина и высота блока	a, b, с	вручную из чертежа, автоматически с помощью конвертора из Ansys
2.	Материал корпуса блока, физико-механические параметры: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, допустимое напряжение, коэффициент демпфирования (для вибрации и удара), коэффициент зависимости модуля Юнга от температуры, коэффициент зависимости коэффициента демпфирования от температуры	E, , , ,	Вводится или материал, а по нему автоматически берутся физико-механические параметры из базы данных или вручную вводятся физико-механические параметры
3.	Параметр сетки: средний размер грани дискрета	d	Вводится вручную исходя из рекомендаций
4.	Тип крепления: круглое или прямоугольное		Выбирается вручную
5.	Для круглого крепления: координаты центра крепления по осям X и Y, радиус крепления	Dx, dy, r	Вводится вручную
6.	Для прямоугольного крепления: координаты левого нижнего угла по осям X и Y, длина (по X) и ширина (по Y)	Ddx, ddy, lx, ly	Вводится вручную
7.	Параметры лапки: толщина лапки, координаты левого нижнего угла по осям X и Y, длина (по X) и ширина (по Y)	hx, hy, px, py	Вводится вручную
8.	Внутри и снаружи расположен внутренний элемент		Выбирается вручную
9.	Параметры внутреннего элемента: координаты левого нижнего угла по осям X и Y, длина (по X), ширина (по Y) и толщина (по Z), масса, температура	hhx, hhy, ppx, ppy, ppz, m, t	Вводится вручную
10.	Внутри и снаружи расположено ребро жесткости		Выбирается вручную
11.	Материал ребра жесткости, физико-механические параметры: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, допустимое напряжение, коэффициент демпфирования (для вибрации и удара), коэффициент зависимости модуля Юнга от температуры, коэффициент зависимости коэффициента демпфирования от температуры	E, , , ,	Вводится или материал, а по нему автоматически берутся физико-механические параметры из базы данных или вручную вводятся физико-механические параметры
12.	Параметры внутреннего элемента: координаты левого нижнего угла по осям X и Y, длина (по X), ширина (по Y) и толщина (по Z), масса, температура	hhx, hhy, ppx, ppy, ppz, m, t	Вводится вручную
13.	Диапазон воздействий: - для гармонической вибрации, случайной вибрации	fнач , fконеч h	начало и конец диапазона частот в [Гц], шаг по частоте в [Гц];
	- для удара однократного и многократного и линейного ускорения	tнач , tконеч h	начало и конец временного диапазона в [с], шаг по времени в [с]
14.	Амплитуду воздействия. Ввести нижнее и верхнее значение параметра воздействия: - для гармонической вибрации, удара однократного и многократного и линейного ускорения;	a	ускорение в [g]
	- для случайной вибрации;	S	спектральная плотность в [g2/Гц]

В результате моделирования при помощи подсистемы АСОНИКА-М получаются поля перемещений, ускорений, напряжений, в материалах, стенках шкафов, кронштейнах, блоков входящих в шкафы, а местах крепления блоков (в конструкциях шкафов) - графики зависимостей ускорений и перемещений от времени и частоты.

Моделирование на ЭВМ механических процессов в конструкциях РЭУ на виброизоляторах с помощью подсистемы АСОНИКА-В необходимо для:

· проверки выполнения требований по стойкости к конструкциям РЭУ на виброизоляторах при заданных механических воздействиях;

· определения возможности снижения массы и габаритов конструкции РЭУ на виброизоляторах;

· повышения стойкости конструкции РЭУ при механических воздействиях путем выбора параметров виброизоляторов;

· создания программы лабораторных и приемо-сдаточных испытаний РЭУ на виброизоляторах и проверки соответствия РЭУ планируемым испытаниям.

· зависимости амплитуд виброускорений и виброперемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от частоты гармонического вибрационного воздействия;

· резонансные частоты элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах;

· среднеквадратические значения виброускорений и виброперемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах при воздействии случайной вибрации;

· зависимости спектральной плотности виброускорений и виброперемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от частоты случайной вибрации;

· зависимости ударных ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от времени;

· зависимости ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от времени при воздействии линейного ускорения;

· среднеквадратические значения ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах при воздействии акустического шума;

· зависимости спектральной плотности ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от частоты акустического шума;

· зависимости ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от времени при детерминированном сложном механическом воздействии.

В таблице 4. представлен перечень входных данных, необходимых для расчета системы виброизоляторов в подсистеме АСОНИКА-М.

Таблица 4. Описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-В

Название задаваемой величины или подсистемы	Условное обозначение	Как задается при комплексном моделировании
Геометрические параметры	a, b и т.д.	вручную, из технического задания
Физические параметры материалов, элементов конструкции	kчерн, kоблуч и т.д.	вручную, из справочника
Параметры виброизоляторов	Ksigma, КМП и т.д.	вручную, из ТУ

В результате моделирования с помощью подсистемы АСОНИКА-В будут получены:

· зависимости амплитуд виброускорений и виброперемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от частоты гармонического вибрационного воздействия;

· резонансные частоты элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах;

· среднеквадратические значения виброускорений и виброперемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах при воздействии случайной вибрации;

· зависимости спектральной плотности виброускорений и виброперемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от частоты случайной вибрации;

· зависимости ударных ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от времени;

· зависимости ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от времени при воздействии линейного ускорения;

· среднеквадратические значения ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах при воздействии акустического шума;

· зависимости спектральной плотности ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от частоты акустического шума;

· зависимости ускорений и перемещений элементов конструкции РЭУ на виброизоляторах от времени при детерминированном сложном механическом воздействии.

Тепловое и механическое моделирование печатных узлов

На четвертом шаге моделирование тепловых и механических процессов в ПУ проводится в подсистеме АСОНИКА-ТМ.

На основе граничных условий, полученных при тепловом и механическом моделировании блока, модель тепловых и механических процессов каждого ПУ, входящего в блок, формируется автоматически, конвертированием размеров и координат ЭРИ из системы размещения и трассировки печатных плат P-CAD в подсистему тепломеханического моделирования ПУ АСОНИКА-ТМ. Из виртуального макета выгружается итоговый файл программы P-CAD и при помощи конвертера, связывающего P-CAD и АСОНИКА-ТМ, формируется геометрия модели тепловых и механических процессов. Также из виртуального макета с помощью конвертера данных в модель заносятся граничные условия полученные в подсистеме АСОНИКА-Т и в подсистеме АСОНИКА-М. Каждому ЭРИ задаются необходимые тепломеханические параметры, которые содержатся в интегрированной базе данных параметров ЭРИ. Далее проводится моделирование ПУ на стационарное и нестационарное тепловое воздействие. В результате теплового моделирования определяются поля температур на ПУ и на каждом ЭРИ. Модель с результатами анализа сохраняется в виртуальном макете.

Затем в подсистеме АСОНИКА-ТМ проводится моделирование механических процессов в ПУ. Температуры всех ЭРИ, расположенных на ПУ, и средняя температура всего ПУ берутся из виртуального макета блока в виде результирующего файла подсистемы АСОНИКА-ТМ, который является исходным для проведения механического моделирования ПУ. В результате моделирования механических процессов определяются поля ускорений на ПУ и на каждом ЭРИ.

При неудовлетворении техническому заданию и техническим условиям виртуального макета, с точки зрения превышений фактических значений режимов работы блока над предельно допустимыми значениями, выводятся рекомендации по изменению конструкции и параметров виртуального макета. Далее инженер вносит изменения, и повторно проходятся все шаги описанные выше.

Подсистема АСОНИКА-ТМ позволяет проводить:

· анализ стационарных и нестационарных тепловых процессов в печатном узле (ПУ);

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

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

· анализ усталостной прочности выводов ЭРИ.

Для проведения моделирования механических процессов при помощи подсистемы АСОНИКА-ТМ необходима следующая исходная информация (см. табл. 5.):

· эскиз (сборочный чертеж) конструкции блока;

· чертежи печатных узлов с перечнем ЭРИ (в электронном виде); для печатного узла, спроектированного в системе PCad, нужен выходной файл с расширением pdf;

· марки материалов корпуса блока и печатных плат;

· массы корпуса блока, плат, ЭРИ;

· способы креплений ЭРИ к плате;

· максимально допустимые ускорения ЭРИ по ТУ;

· параметры внешних механических воздействий(выходные данные подсистемы АСОНИКА-М): для гармонической вибрации - диапазон частот и амплитуда ускорения, для удара - длительность и амплитуда ударного импульса.

Входная информация для моделирования тепловых процессов:

? эскиз (сборочный чертеж) конструкции блока;

? оpиeнтация ПУ в пpоcтpанcтвe;

? информация о геометрических параметрах вырезов;

? чертежи печатных узлов с перечнем ЭРИ (в электронном виде); для печатного узла, спроектированного в системе PCad, нужен выходной файл с расширением pdf;

? информация о геометрических и теплофизических параметрах ЭРИ, установленных на печатном узле;

? значения тeпловыx мощноcтeй, pаcceиваeмыx каждым pадиоэлeмeнтом (определяются в результате моделирования электрических процессов, протекающих в схеме);

? условия охлаждения печатного узла (уcловия оxлаждeния, или гpаничныe уcловия, получают в peзультатe анализа тeплового peжима блока или стоечной конструкции, в которой он уcтановлeн, или бepут из ТЗ на пpоeктиpованиe);

? выходные данные подсистемы АСОНИКА-Т.

Таблица 5. Описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-ТМ

№ п/п	Название задаваемой величины или подсистемы	Условное обозначение	Как задается при комплексном моделировании	Примечание
I	АСОНИКА-ТМ
1.	Геометрические параметры	a, b и т.д.	вручную или конвертировать из систем ORCAD или P-CAD(файлы с расширением *.pdf или *.pcb)	Поддерживаются форматы: P-CAD 4.5, 8.5, 8.6, 8.7, 2000, 2001
2.	Теплофизические параметры материалов, элементов конструкции РЭУ и хладоносителей	kчерн, kоблуч и т.д.	вручную, из справочной литеpатуpы
3.	Шаги дискретизации температурного поля несущей конструкции конструктивного узла	dx и dy	вручную, задавать шаги рекомендуется равными 0, тогда шаг сетки по осям ОX и ОY выбирается автоматически
4.	Значeния тeпловыx мощноcтeй, pаcceиваeмыx каждым pадиоэлeмeнтом, уcтановлeнным на КУ.	PR1, PC1 и т.д.	приводятся в карте электрических режимов работы электрорадиоэлементов принципиальной схемы анализируемой РЭУ или определяются в результате моделирования электрических процессов, протекающих в схеме.
5.	Значeния внутpeнниx тeпловыx cопpотивлeний pадиоэлeмeнтов, уcтановлeнныx на НК.	Rтв	вручную, из справочной литеpатуpы	для мощныx полупpоводнико-вых элeмeнтов . это значeниe тeплового cопpотивлeния "p-n пеpеход - коpпуc элeмeнта"
6.	Тeпловое cопpотивлeния "pадиоэлeмeнт - несущая конструкция конструктивного узла".	R1 и R2	тeпловое cопpотивлeния выводов элeмeнта (R1) и cлоя клeя (лака) мeжду элeмeнтом и пeчатной платой (R2), еcли он пpиcутcтвуeт.
7.	Для моделирования нестационарного теплового режима требуется также задание теплоемкостей ЭРИ.	Сэ	рассчитывается по формуле: сэ=срэ*mэ , где срэ - удельная теплоемкость элемента, дж/(к·г); mэ - масса элемента, г.
9.	Уcловия оxлаждeния или гpаничныe уcловия конструктивного узла.	to	получают в peзультатe анализа тeплового peжима блока, в котоpом он уcтановлeн, или бepут из ТЗ на пpоeктиpованиe данного КУ
10.	Диапазон воздействий: - для гармонической вибрации, случайной вибрации и акустического шума;	fнач , fконеч h	начало и конец диапазона частот в [Гц], шаг по частоте в [Гц];
	- для удара однократного и многократного и линейного ускорения	tнач , tконеч h	начало и конец временного диапазона в [с], шаг по времени в [с]
11.	Амплитуду воздействия. Ввести нижнее и верхнее значение параметра воздействия: - для гармонической вибрации, удара однократного и многократного и линейного ускорения;	a	ускорение в [g]
	- для случайной вибрации;	S	спектральная плотность в [g2/Гц]
	- для акустического шума.	P	давление в [Дб]

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

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

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

· амплитудно-частотные (АЧХ) и амплитудно-временные (АВХ) характеристики по ускорению, перемещению и напряжению при резонансной частоте, а также АВХ по температуре в контрольных точках ПУ и на ЭРИ;

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

Расчет показателей надежности с учетом электрических, тепловых и механических нагрузок

После удовлетворения всех результатов, полученных при расчетах, техническому заданию, на пятом шаге необходимо оценить надежность разрабатываемого РЭУ. Расчет надежности блока проводится в специализированной для этого подсистеме АСОНИКА-К. Подсистема АСОНИКА-К представляет собой визуальную среду для обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на ранних этапах проектирования.

При расчете надежности необходимо учитывать температуры ЭРИ, полученные при моделировании тепловых процессов в ПУ и ускорения ЭРИ, полученные из моделирования механических процессов в ПУ и уточненные после теплового моделирования блока.

Визуальная среда обеспечения надёжности радиоэлектронной аппаратуры - АСОНИКА-К предназначена для автоматизации выполнения мероприятий "Программы обеспечения надёжности при разработке" и управления надёжностью изделий на ранних этапах проектирования.

Входные данные для расчета надежности с помощью подсистемы АСОНИКА-К представлены в таблице 6.

Таблица 6. Описание входных данных для подсистемы АСОНИКА-К

Название задаваемой величины или подсистемы	Условное обозначение	Как задается при комплексном моделировании
справочные данные по компонентам (среднее время наработки на отказ, среднее время восстановления, коэффициент готовности, рабочая температура, рабочее и номинальное напряжение, приемка);	T0, Тср, K,Т, Up, Uн	вручную, из справочников ЭРИ автоматически из БД надежности ЭРИ
вид резервирования		вручную, из справочников ЭРИ автоматически из БД надежности ЭРИ
тип хранения		вручную, из справочников ЭРИ автоматически из БД надежности ЭРИ
время эксплуатации	t	вручную из ТЗ
ускорения на ЭРИ полученные при помощи подсистемы АСОНИКА-ТМ	а	вручную, автоматически из виртуального макета с пом. конвертера
температуры ЭРИ полученный при помощи подсистемы АСОНИКА-ТМ	Т	вручную, автоматически из виртуального макета с пом. конвертера



Подсистема АСОНИКА-К позволяет проводить:

· расчет интенсивности отказов и средней наработки да отказа;

· расчет вероятности безотказной работы;

· среднее время восстановления изделия;

· расчет коэффициента готовности;

· анализ результатов расчетов.

Размещено на Allbest.ru

...