Алгоритмы и программа моделирования напряженно-деформированного состояния унифицированных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры перспективных спутниковых платформ при механических воздействиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Хвалько, Александр Александрович

• Хвалько, Александр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хвалько, Александр Александрович

Введение.

1 Моделирование напряженно-деформированного состояния унифицированных конструкций бортовой РЭА перспективных спутниковых платформ при механических воздействиях.

1.1 Современное состояние процесса проектирования унифицированных систем.

1.1.1 Унифицированные модульные решения базовых несущих конструкций космических аппаратов.

1.1.2 Наземная экспериментальная отработка бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

1.1.3 Механические воздействия характерные для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов.

1.1.4 Системы автоматизированного проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств.

1.2 Метод конечных элементов.

1.2.1 Дискретная модель области Я.

1.2.2 Дискретная модель произвольной функции Б.

1.2.3 Примеры конечных элементов.

1.3 Модель механического поведения унифицированной конструкции бортовой РЭА.

1.3.1 Элементы унифицированной конструкции бортовой РЭА.

1.3.2 Физическая модель унифицированной конструкции бортовой РЭА

1.3.3 Общая математическая модель унифицированной конструкции бортовой РЭА.

1.3.4 Постановка задачи.

1.3.5 Конечно-элементная модель унифицированной конструкции бортовой РЭА

1.4 Выводы по первой главе.

2 Разработка программы моделирования напряженно-деформированного состояния унифицированных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры перспективных спутниковых платформ при механических воздействиях.

2.1 Структура аппаратно-программного комплекса.

2.2 Общая структура базы данных.

2.3 Графический интерфейс пользователя.

2.4 Алгоритмы автоматизированного создания численных моделей унифицированных конструкций бортовой РЭА.

2.4.1 Алгоритм автоматизированного создания численной модели коммутационной несущей конструкции на основе данных CAD-систем.

2.4.2 Алгоритм автоматизированного размещения имитаторов электрорадиоизделий в конечно-элементной модели модуля.

2.4.3 Алгоритм задания необходимой информации для обеспечения проведения механического анализа.

2.5 Выводы по второй главе.

3 Синтез, оптимизация и верификация конечно-элементной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА.

3.1 Оптимизация конечно-элементной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА.

3.2 Синтез конечно-элементной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА.

3.3 Верификация конечно-элементной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА.

3.4 Внедрение результатов диссертационной работы.

3.5 Выводы по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы и программа моделирования напряженно-деформированного состояния унифицированных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры перспективных спутниковых платформ при механических воздействиях»

Актуальность - Мировой опыт создания наукоемкой продукции показывает, что для разработки и запуска космического аппарата (КА) необходимо 3-5 лет. Чтобы достичь более высоких показателей качества и сокращения времени разработки необходимо применение высокотехнологичных методов автоматизированного проектирования. Такие методы используют комплексное математическое моделирование разнородных физических процессов и интегрируются с современными системами проектирования, в том числе и с применением механики сплошной среды. Это позволяет предприятию-изготовителю осваивать передовые технологические процессы и создавать современные унифицированные решения на всех иерархических уровнях изделия [16, 17]. В результате достигаются современные временные показатели порядка 1-3 года, в зависимости от назначения разрабатываемого КА. Известны случаи разработки КА ограниченного функционала за 3-6 месяцев.

Значительная часть перспективных направлений в механике сплошной среды связана с исследованиями сложных динамических процессов движения и условий равновесия твердых деформируемых тел (конструкций) [25, 37]. Все большее значение приобретают разделы механики, посвященные изучению усложненных упругих и неупругих тел, изучению различных видов усталости материалов, а также явлений наследственности в процессах движения и равновесия тел [4, 26].

Кроме этого, в связи с быстрым развитием авиационной и космической техники, значительно усилился интерес к перспективным направлениям в механике сплошной среды и исследованиям в области оптимального проектирования, смысл которого - достижение значительного улучшения эксплуатационных характеристик изделия, а также снижение временных затрат при его разработке, испытаниях и изготовлении [9].

Одной из основных задач оптимального проектирования является создание адекватных численных моделей разрабатываемых изделий и их исследование на стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Если модели С АО-систем являются результатом процесса проектирования, то создание моделей САЕ-систем требуют значительных временных затрат и реализацию различных САО/САЕ-ориентированных подходов. Дело в том, что модели данных систем плохо интегрируются между собой по причине использования разных типов геометрических параметров. В настоящее время не существует общей унифицированной модели, которая бы содержала в себе как информацию для проектирования, так и для расчета. Процесс преобразования моделей является значительным препятствием на пути проведения механического анализа бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) КА, а также довольно нетривиальной задачей, требующей значительных временных затрат [21, 77].

Жесткие ВВФ при эксплуатации КА существенно влияют на работоспособность и надежность бортовой РЭА [20]. Подавляющее большинство, так называемых, "быстрых отказов" связано с воздействием механических факторов. Понятие "быстрый отказ" означает выход из строя аппаратуры на ранних этапах активного существования К А, а именно: при транспортировке изделия различными видами транспорта (авиация, автомобиль, железная дорога, подъемно-транспортные операции на заводе-изготовителе); выведении КА на орбиту и эксплуатации на ней (вибрация двигательных установок ракетоносителя и аэродинамическое обтекание, нагрузки от разделения ступеней; отделение КА от разгонного блока; срабатывание замков раскрытия собственных механических систем и т.д.). Механические воздействия, которые испытывает бортовая РЭА на этих этапах, нередко приводят к выходам за пределы прочности механических характеристик (ускорения, перемещения, напряжения), применяемых материалов [12, 13]. Отказы, связанные с потерей механической прочности и устойчивости, выявляются на этапе наземной экспериментальной отработки (НЭО) приборов. Все этапы обработки бортовой РЭА сопровождается компьютерным моделированием проходящих в ней физических процессов, в том числе механических [73].

Бортовая РЭА космических аппаратов представляет собой объект со сложными геометрическими и физико-механическими характеристиками [31]. Попытки учета этих данных при механическом анализе "быстрых отказов" (далее по тексту МА) приводит либо к необходимости проведения долгосрочных и трудоемких расчетов, либо к введению различных допущений. В сложившейся ситуации конструктор чаще всего прибегает к упрощенной интерпретации исследуемого объекта [48]. Зачастую эти упрощения сводятся к приведению модели прибора к примитивному виду, без учета коммутационных несущих конструкций (КНК), электрорадиоизделий (ЭРИ) и других элементов. А при необходимости проведения более углубленного МА прибора приходится прибегать к помощи подразделений или организаций, специализирующихся по данной тематике. Вследствие чего выполнение инженерных расчетов затягивается или становится лишь формальностью для обеспечения требований системы менеджмента качества [45].

Компьютерное моделирование механических процессов, протекающих в бортовой РЭА при "быстрых отказах", требует взаимного учета целого ряда факторов:

- геометрической сложности и неоднородности конструкции;

- наличия в КНК до нескольких тысяч ЭРИ;

- многообразия видов механических воздействий.

Существующие специализированные программы моделирования не учитывают всех выше перечисленных факторов. Они недостаточно развиты применительно к моделированию унифицированных конструкций бортовой РЭА КА, не имеют специализированных алгоритмов автоматизированного создания численных моделей. Кроме того, они не учитывают вычислительных возможностей конструкторских подразделений, а отсутствие верификации численных моделей ставит под сомнение адекватность всего процесса моделирования.

Для моделирования механических процессов несущих конструкций бортовой РЭА на ведущих предприятиях космической отрасли применяются такие универсальные CAE-системы как: NASTRAN, ANSYS, ABACUS и т.д. Наиболее известным продуктом отечественной разработки в данной области является автоматизированная система АСОНИКА, в частности подсистемы АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ. Данные подсистемы предназначены для анализа реакций объемных конструкций РЭА и конструкций печатных узлов на механические воздействия (вибрация, удары, линейные ускорения, акустические шумы) [11,21, 62].

АСОНИКА является многофункциональной системой, с помощью которой осуществляется автоматизированное проектирование высоконадежной аппаратуры подвижных объектов в соответствии с требованиями CALS-технологий (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла). В системе отсутствуют базы данных (БД) унифицированных конструкций и специализированные алгоритмы автоматизированного создания численных моделей. Кроме того, отсутствует какая либо информация о верификации численных моделей, создаваемых в данной системе, с экспериментальными данными [56, 61]. Очевидно, что данная система больше адаптирована к задачам комплексного исследования характеристик аппаратуры общего назначения, чем к частным задачам МА бортовой РЭА КА.

Как показывает практика, на предприятиях специализирующихся на создании бортовой РЭА КА, МА занимаются специалисты конструкторских подразделений. Для этого разработчик, помимо пользовательских навыков работы с универсальной CAE-системой, должен обладать глубокими теоретическими знаниями в области метода конечных элементов (МКЭ) и физики протекания механических процессов [1, 28, 29, 30]. Подготовка специалиста, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя CAE-системы, требует значительных временных и финансовых затрат. Но, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в современных условиях это труднодостижимая задача. Однако, даже наличие высококвалифицированных разработчиков не решит проблемы моделирования механических процессов бортовой РЭА. Использование компьютерного моделирования требует проведения множества дополнительных операций: построение численной модели; сбор входных данных; ввод этих данных; подготовка данных для передачи в решатель CAE-системы; расчет; обработка результатов; принятие решения по полученным результатам и т.д. [43]. При этом время, затраченное на моделирование, может превышать время, отводимое на проектирование.

Выход из сложившегося положения заключается в разработке специализированных программных средств, автоматизирующих процесс создания численной модели исследуемого объекта и позволяющих разработчику работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода [47].

Решением задачи моделирования механических процессов в конструкциях приборов и систем занимались такие специалисты как Маквецов E.H., Тартаковский A.M., Кофанов Ю.Н., Кожевников A.M., Крищук В.Н., Шалумов A.C., Фадеев O.A. и др. [16, 17, 18, 19, 20, 43, 44, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61]. Но они детально не рассматривали вопросы создания численных моделей унифицированных конструкций бортовой РЭА КА и повышения эффективности проведения МА.

Таким образом, актуальными являются разработка оптимизированной численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА КА для исследований ее напряженно-деформированного состояния (НДС) при механических воздействиях, верификация этой модели и разработка средств компьютерного моделирования автоматизирующих процесс проведения МА.

Цель работы - Разработка численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА для исследований ее НДС, выявления закономерностей процесса деформирования, определение областей недопустимых деформаций при механических воздействиях средствами оптимального проектирования. А также разработка средств моделирования, проведение экспериментальных исследований и интерпретация полученных данных на предмет изучения деформирования.

В рамках сформулированной цели работы определяются следующие задачи:

1. Разработка оптимизированной численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА для моделирования НДС при механических воздействиях;

2. Изучение принципов построения численной модели на основе анализа общих закономерностей процесса деформирования унифицированной конструкции бортовой РЭА;

3. Разработка алгоритмов автоматизированного построения численных моделей унифицированных конструкций бортовой РЭА, проведения расчета и анализа полученных результатов;

4. Разработка базы данных, предназначенной для хранения всей необходимой информации в обеспечение построения численных моделей унифицированных конструкций бортовой РЭА, проведения расчета и анализа полученных результатов;

5. Разработка программы моделирования НДС унифицированных конструкций бортовой РЭА при механических воздействиях;

6. Верификация результатов моделирования НДС унифицированных конструкций бортовой РЭА с экспериментальными данными.

Методика исследования - при выполнении диссертационной работы применялись методы механики деформируемого твердого тела и математического моделирования, численные методы, а также методы экспериментального исследования процессов деформирования твердых тел, а именно верификация эмпирических и теоретических результатов исследований. Экспериментальные исследования проведены на современном испытательном оборудовании с использованием электродинамических стендов и цифровой многоканальной аппаратуры формирования и анализа случайных нестационарных процессов.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработана и на основе экспериментальных данных оптимизирована новая модель оболочечно-балочных конструкций на базе нестационарной линейной системы уравнений механики сплошных сред, позволяющая получить характеристику напряженно-деформационного поля для заданных уровней механических воздействий, характерных для унифицированных конструкций бортовой РЭА на этапе выведения КА на околоземную орбиту;

2. Предложена физическая модель воспроизводящая структуру, основные свойства и соотношения изучаемых элементов унифицированной конструкции бортовой РЭА при механических воздействиях, характерных для этапа выведения КА на околоземную орбиту;

3. Предложены принципы создания оптимизированной модели оболочечно-балочной конструкции на основе общих закономерностей процесса деформирования унифицированной конструкции бортовой РЭА;

4. Разработан новый алгоритм автоматизированного построения численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА на основе оптимизированной оболочечно-балочной конструкции;

5. Разработаны средства моделирования НДС унифицированных конструкций бортовой РЭА при механических воздействиях характерных для этапа выведения КА на околоземную орбиту.

Теоретическая ценность - на основе нестационарной линейной системы уравнений механики сплошных сред разработана и оптимизирована новая численная модель оболочечно-балочного представления унифицированных конструкций бортовой РЭА перспективных спутниковых платформ, для моделирования НДС при механических воздействиях характерных для этапа выведения КА на околоземную орбиту.

Практическая ценность - разработанная численная модель позволяет более точно прогнозировать механическое поведение унифицированных конструкций бортовой РЭА, а значит повысить качество и оперативность проектных работ и получить более высокие соотношения габаритно-массовых и прочностных характеристик. Разработанный алгоритм автоматизированного построения численной модели позволяет создавать модели наиболее соответствующие реальным конструкциям в более сжатые сроки, что дает возможность достичь лучших показателей по времени разработки и наибольшей точности в моделировании.

Внедрение результатов работы - практическая проверка основных положений и результатов диссертационной работы осуществлена в процессе проектирования реальных изделий в Открытом акционерном обществе "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" - одной из ведущих фирм в России производящей КА различного назначения [49, 52 53]. В частности, разработанная модель и средства моделирования использованы при проведении МА унифицированных конструкций бортовой РЭА перспективных спутниковых платформ тяжелого класса - "Экспресс-2000" и семейства платформ легкого и среднего классов - "Экспресс-1000". Стоит отметить, что на основе платформы "Экспресс-1000Н" изготовлен и в начале 2011 г. выведен на орбиту навигационный КА нового поколения "ГЛОНАС-К". На основе платформ легкого и среднего классов в настоящее время ведется изготовление таких КА как "Луч-5А",

Луч-5Б", "Ямал-ЗООК", "Ато8-5", "Те1кот-3". На основе платформ тяжелого класса ведется изготовление КА "Луч-4", "Экспресс-АМ5", "Экспресс-АМ6". Разработанные средства оптимизированного проектирования были использованы для выполнения МА унифицированных электронных модулей в опытно-конструкторских работах (ОКР), выполняемых в рамках:

- Постановления Правительства РФ от 29.12.2008 №1036-55;

- Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218.

На защиту выносятся:

1. модель оболочечно-балочного представления унифицированных конструкций бортовой РЭА, разработанная на базе нестационарной линейной системы уравнений механики сплошных сред, позволяющая получать характеристику напряженно-деформационного поля при механических воздействиях, характерных для этапа выведения КА на околоземную орбиту;

2. физическая модель, воспроизводящая структуру, основные свойства и соотношения изучаемых элементов унифицированной конструкции бортовой РЭА при механических воздействиях, характерных для этапа выведения КА на околоземную орбиту;

3. принципы создания оптимизированной численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА на основе ее оболочечно-балочного представления и общих закономерностей процесса деформирования;

4. алгоритм автоматизированного построения численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА на основе оптимизированной оболочечно-балочной конструкции;

5. средства моделирования НДС унифицированных конструкций бортовой РЭА при механических воздействиях характерных для этапа выведения КА на околоземную орбиту, а именно: алгоритмы, графический интерфейс пользователя, БД.

Достоверность полученных результатов следует из адекватности используемых физических и математических моделей, что подтверждается сравнением с точными решениями упрощенных задач механического анализа и результатами проведенных механических испытаний.

Апробация - Материалы диссертации отражены в 11 научных работах, включая 9 опубликованных работ, 1 статью в издании, рекомендуемых ВАК, 1 патент и др.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. XII Международной научной конференции "Решетневские чтения" (г. Железногорск, ОАО "ИСС", 2008);

2. XIII Международной научной конференции "Решетневские чтения" (г. Железногорск, ОАО "ИСС", 2009);

3. Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов с международным участием "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, СФУ, 2009);

4. XVII Научно-технической конференции "Электронные и электромеханические системы и устройства" (г.Томск, ОАО "НПЦ "Полюс", 2010)

5. XIV Международной научной конференции "Решетневские чтения" (г. Железногорск, ОАО "ИСС", 2010);

6. IV Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий" (г. Москва, ОАО "РКС", 2011).

Публикации - по материалам исследования опубликованы 10 работ, получен 1 патент:

1. Хвалько A.A., Бутов В.Г., Жуков А.П., Сунцов С.Б., ЯщукА.А. Комплекс механического анализа бортовой аппаратуры и проблема адекватности конечно-элементных моделей. // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф.Решетнёва, - 2010. - Т.З. -№29. - С. 76-81.

2. Пат. 2413305 Российская Федерация, МПК J06T 17/00. Способ автоматического построения трехмерных геометрических моделей электрорадиоизделий в системе геометрического моделирования. / A.A. Хвалько, A.A. Ящук, A.B. Юткин, О.О. Болдырева. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" им. акад. М.Ф.Решетнёва". - опубл. 27.02.2011, Бюл. №6.

3. А.А.Хвалько, Е.А.Морозов Проблемы создания бортовой аппаратуры микро - и наноспутников. // Научно-техническая конференция молодых специалистов "Электронные и электромеханические системы и устройства". Труды конференции. 10-11 апреля 2008 г. Томск: ОАО "НПЦ "Полюс", Россия.

4. Хвалько A.A. Адаптация специализированного программного обеспечение для проведения механического анализа бортовой аппаратуры конструкторским подразделением. // Научно-техническая конференция молодых специалистов "Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем". Труды конференции. 9-11 октября 2008 г. Железногорск: ОАО "ИСС", Красноярский край, Россия.

5. В.Г. Бутов, A.A. Ящук, С.Б. Сунцов, A.A. Хвалько. Математическая модель и пакет программ механического анализа бортовой аппаратуры. // XII Международная научная конференция "Решетневские чтения". Труды конференции. 10-11 ноября 2008 г. Красноярск: СибГАУ, Россия.

6. Хвалько A.A., Бутов В.Г. Упрощение геометрических моделей бортовой аппаратуры космических аппаратов для обеспечения проведения механического анализа. // Современные проблемы радиоэлектроники / сб. науч. тр. Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С343-346.

7. Хвалько A.A., Юткин A.B. Внедрение информационных технологий для автоматизированного формирования математических моделей бортовой аппаратуры космических аппаратов. // XIII Международная научная конференция "Решетневские чтения". Труды конференции. 10-12 ноября 2009 г. Красноярск: СибГАУ, Россия.

8. Хвалько A.A., Сунцов С.Б., Карабан В.Н., Алексеев В.П. Моделирование и испытание плат на основе LTCC технологии для бортовой аппаратуры космических аппаратов. // XVII Научно-технической конференции "Электронные и электромеханические системы и устройства". Труды конференции. 22-23 апреля 2010 г. Томск: ОАО "НПЦ "Полюс", Россия.

9. Хвалько A.A., Бутов В.Г., Сунцов С.Б., Ящук A.A. Комплекс механического анализа и проблема адекватности расчетных моделей бортовой РЭА. // XIV Международная научная конференция "Решетневские чтения". Труды конференции. 10-12 ноября 2010 г. - Красноярск: СибГАУ, Россия.

10. А.А.Хвалько, Е.А.Морозов, С.Б.Сунцов, В.Г.Бутов, С.В.Пономарев. Реализация проекта по созданию средств автоматизации проведения механического анализа и механических испытаний унифицированного ряда электронных модулей бортовой РЭА. // Научно-техническая конференция молодых специалистов "Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем". Труды конференции. 2-4 марта 2011 г. Железногорск: ОАО "ИСС", Красноярский край, Россия.

11. Хвалько A.A., Сунцов С.Б., Морозов Е.А., Лебедев А.П. Испытания электронных модулей на основе LTCC технологии для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов. // IV Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий". Труды конференции. 15-17 июня 2011 г. - Москва: ОАО "РКС", Россия.

Структура и объем работы. Настоящая диссертационная работа состоит из введения, основного текста, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст разбит на 3 главы и содержит 9 таблиц и 52 рисунка. Список литературы включает 77 наименований. Общий объем работы - 123 страницы.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Хвалько, Александр Александрович

3.5 Выводы по третьей главе

В третьей главе рассмотрены общие вопросы синтеза КЭМ унифицированных конструкций бортовой РЭА перспективных спутниковых платформ для моделирования НДС при механических воздействиях, а также проведения МА и верификации результатов расчета с экспериментальными данными. В частности: в п. 3.1 рассмотрен вопрос оптимизации КЭМ унифицированной конструкции бортовой РЭА на основе расчетных и экспериментальных данных;

- в п. 3.2 рассмотрена процедура синтеза и механического анализа унифицированных конструкций бортовой РЭА;

- в п. 3.3 рассмотрен пример применения средств моделирования, разработанных в данной диссертационной работе. Проведена верификация результатов расчета с экспериментальными данными.

- в п. 3.4 рассмотрен вопрос внедрения результатов диссертационной работы.

Основным научным и практическим результатом, полученным в данной главе, является оптимизация численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА, представление общей методики синтеза этой модели и проведение процесса верификации с физическим аналогом. Данные результаты позволили определить оптимальные соотношения количества КЭ в модели, уменьшить влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры. Кроме того, использование разработанных средств моделирования НДС, показало, что для операций ввода/вывода и редактирования численных моделей унифицированных конструкций бортовой РЭА, было затрачено меньшее количество времени. Сокращение времени при этом, по сравнению с использованием универсальной САЕ-системы, составило до 4 раз.

Заключение

Главным результатом работы являются предложенные принципы создания оптимизированной численной модели унифицированной конструкции бортовой РЭА на основе установленных законов деформирования. Представленная модель позволяет моделировать напряженно-деформированное состояние подобных конструкций при механических воздействиях, характерных для этапа выведения космических аппаратов на околоземную орбиту. При этом она лишена конструктивных элементов не существенно влияющих на механическое поведение всей конструкции и имеет пониженную размерность (оболочечно-балочное представление). Для проверки адекватности механического поведения численной модели и аналогичной реальной конструкции обобщены знания в области вибрационных испытаний и процессов деформирования твердых тел, что позволило провести верификацию эмпирических и теоретических результатов исследований.

При количестве конечных элементов в модуле 20 ООО модель прибора учитывает наличие имитаторов ЭРИ, дает приемлемые результаты моделирования и хорошее сходство с экспериментальными данными (погрешность до 5 %). Максимальные значения напряжений и прогибов, полученные в процессе исследований, не превышают значений 18 МПа и 0,446 мм, соответственно, что более чем в восемь раз меньше предела текучести материала используемого в данной конструкции (157 МПа). Исследование унифицированной конструкции бортовой РЭА показало, что основными концентраторами напряжений являются места резкого изменения сечений (упрощенные оболочечно-балочные элементы, места стыковки элементов конструкции, крепления).

Кроме того, были разработаны специализированные алгоритмы, база данных и программные средства для автоматизации отдельных трудоемких процессов создания адекватных численных моделей и, как следствие, реализации принципов оптимального проектирования. Значительное сокращение времени, затраченного на моделирование напряженно-деформированного состояния, при проектировании унифицированных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры перспективных спутниковых платформ, подтвердило высокую эффективность разработанных средств. Достигнуты все поставленные цели.

Основные научные теоретические и практические результаты состоят в следующем:

1. Разработана и на основе экспериментальных данных оптимизирована новая модель оболочечно-балочных конструкций на базе нестационарной линейной системы уравнений механики сплошных сред, позволяющая получить характеристику напряженно-деформационного поля для заданных уровней механических воздействий, характерных для унифицированных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры на этапе выведения космических аппаратов на околоземную орбиту;

2. Предложена физическая модель воспроизводящая структуру, основные свойства и соотношения изучаемых элементов унифицированной конструкции бортовой радиоэлектронной аппаратуры при механических воздействиях, характерных для этапа выведения космических аппаратов на околоземную орбиту;

3. Предложены принципы создания оптимизированной модели оболочечно-балочной конструкции на основе общих закономерностей процесса деформирования унифицированной конструкции бортовой радиоэлектронной аппаратуры;

4. Разработан новый алгоритм автоматизированного построения численной модели унифицированной конструкции бортовой радиоэлектронной аппаратуры на основе оптимизированной оболочечно-балочной конструкции;

5. Разработаны средства моделирования напряженно-деформационного состояния унифицированных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры при механических воздействиях характерных для этапа выведения космических аппаратов на околоземную орбиту. Верифицированы эмпирические и теоретические результаты исследований механического поведения численной модели и аналогичной реальной конструкции на основе обобщенных знаний в области вибрационных испытаний и процессов деформирования твердых тел.

Разработанные средства моделирования напряженно-деформированного состояния используется конструкторским подразделением Открытого акционерного общества "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф.Решетнёва" при конструировании бортовой радиоэлектронной аппаратуры перспективных спутниковых платформ.

В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю д. ф.-м. н. Владимиру Григорьевичу Бутову за научное руководство в процессе работы над диссертацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Хвалько, Александр Александрович, 2011 год

1. Белоусов O.A. Основные конструкторские расчёты в РЭС: учебное пособие. / O.A. Белоусов, H.A. Кольтюков, А.Н. Грибков. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007 - 84с.

2. ВлахИ., Синглах К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1988 - 560с.

3. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. / К. Васидзу. М.: Мир, 1987. 542 с.

4. ВермишевЮ.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1986. - 144с.

5. Гусев A.C., Светлицкий В.А. Расчет конструкции при случайных воздействиях. М.: Машиностроение, 1984. - 240с.

6. Доминич А.П. Планирование испытаний РЭА на вибростойкость. // Радиоэлектроника (состояние и тенденции развития). 1993. -N2. - С.16-30.

7. Загузов И.С., Головинский В.Н., Федечев А.Ф. и др. Введение в специальность (Механика). Часть II. Механика деформируемого твердого тела: Учебное пособие. Самара: Изд-во "Самарский университет", 2002. 52с.

8. Зенкевич О. Методы конечных элементов в технике. / О. Зенкевич. М.: Мир, 1975.-541 с.

9. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство М.: Едиториал УРСС, 2003 сс.48-75.

10. КарпушинВ.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. М.: Сов. Радио, 1971.-344с.

11. КарпушинВ.Б. Виброшумы в радиоаппаратуре. М.: Сов. Радио, 1973.-418с.

12. Коробейников С.Н. Нелинейное деформирование твердых тел. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.

13. КофановЮ.Н., Новиков Е.С., Шалумов A.C. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. -М.: Радио и связь, 2000. 160с.

14. КофановЮ.Н., Малютин Н.В., Воловиков В.В., Коломейцев С.С. Комплексное концептуальное и техническое моделирование при проектировании высоконадежных радиоэлектронных устройств морской навигации. Надежность, 2005, №3, с. 3-7.

15. КофановЮ.Н., Шалумов A.C., Журавский В.Г., ГольдинВ.В. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях. М.: Радио и связь, 2000. 226с.

16. КофановЮ.Н., Шалумов A.C., ВарицевК.Б. и др. Моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ. / Под ред. Ю.Н.Кофанова. -М.: МГИЭМ, 1999. 139с.

17. Кофанов Ю.Н., Шалумов A.C., Варицев К.Б. и др. Подсистема анализа и обеспечения стойкости конструкции радиоэлектронной аппаратуры к тепловым, механическим и комплексным воздействиям АСОНИКА-ТМ. / Учеб. пособие. -М.: МГИЭМ, 2000. 61с.

18. Кузнецов A.A. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. М.: Энергия, 1976.

19. Ленк А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. / Пер. с немец. П.С. Богуславского. М.: Мир, 1976.

20. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004.

21. Малинский В.Д. Контроль испытаний радиоаппаратуры. М.: Энергия, 1970. - 336с.

22. МарчукГ.И. Методы вычислительной математики. / Г.И. Марчук. М.: Наука, 1980.-536 с.

23. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. с.112-118.

24. Моисеев H.H. Неформальные процедуры и автоматизация проектирования. М.: Знание, 1979. - 64с.

25. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учеб. Пособие для ВТУЗов. М.: Высшая школа, 1980. - 311с.

26. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1994.-207с.

27. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры: Учебное пособие. -М.: Высшая школа, 1986. 127с.

28. Образцов И.Ф., Савельев Л.М., ХазановХ.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механике летательных аппаратов: Учеб. пособие для студентов авиац. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985. - 392с.

29. Овсищер П.И., Голованов Ю.В. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1988 г.

30. Оден Д. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. / Д. Оден. М.: Мир, 1976 - 464 с.

31. Остроменский П.И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов. Новосибирск: Изд-во Новосиб. Ун-та, 1992. - 173с.

32. Парфенов Е.М. Базовый принцип конструирования РЭА. М.: Радио и связь, 1981. - 160с.

33. Поляков, К.П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры. / К.П. Поляков. М.: Радио и связь, 1981.

34. Работнов, Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. / Ю. Н. Работнов. М.: Наука, 1979. 744 с.

35. Сергеев B.C., Кузнецов O.A., Захаров Н.П., ЛетягинВ.А. Напряжения и деформации в элементах микросхем. М.: Радио и связь, 1987. -88с.

36. Солодовников И.В. Языки, программное обеспечение и организация систем имитационного моделирования. М.: Машиностроение, 1982.-48с.

37. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1997.-349 с.

38. Токарев М.Ф., Талицкий E.H., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. Пособие для вузов. / под ред. В.А.Фролова. М.: Радио и связь, 1984. - 224с.

39. Тимошенко С. П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки: Пер. с англ. М.: Наука, 1966. - 635 с.

40. Фадеев O.A., Ваченко A.C. Автоматизация прочностного анализа сложных конструкций радиоэлектронных средств. // Техника машиностроения 2002 - №3 - С.22-30.

41. Хвалько A.A., Бутов В.Г. Упрощение геометрических моделей бортовой аппаратуры космических аппаратов для обеспечения проведения механического анализа. // Современные проблемы радиоэлектроники / сб. науч. тр. Красноярск: ИПК СФУ, 2009. С343-346.

42. Хвалько A.A., Бутов В.Г., Жуков А.П., Сунцов С.Б., Ящук A.A. Комплекс механического анализа бортовой аппаратуры и проблема адекватности конечно-элементных моделей. // Вестник СибГАУ. 2010. - Т.З. -№29.-С. 76-81.

43. Черноруцкий И.Г. Оптимальный параметрический синтез: Электротехнические устройства и системы. Л.: Энергоатомиздат, 1987. -128с.

44. Шалумов A.C. Компьютерный измерительный стенд для определения динамических характеристик радиоэлектронных средств. // Измерительная техника. 1996. - №3. - С.22-23.

45. Шалумов A.C. Автоматизация проектирования конструкций радиоэлектронных средств с применением систем P-CAD и АСОНИКА. // Техника, экономика, сер. Автоматизация проектирования. М.: 1995. - Вып. 12. С.45-48.

46. Шалумов A.C. Динамический анализ конструкций измерительных приборов с применением подсистемы АСОНИКА-М: Учебное пособие. -Ковров: КГТА, 1996. 48с.

47. Шимкович Д.Г. Расчет конструкции в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2001. - 448с.

48. Чернявский Г. М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. М.: Изд-во Связь, 1978. - 239 с.

49. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3 т. Т.1. - М.: Машиностроение, 2001.

50. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надёжность. / под ред. Р.Г. Варламова. М.: Радио и связь, 1985.

51. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования. / под ред. Р.Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1980 - 480 с.

52. Справочник по электротехническим материалам. Том 2: под ред. Ю.В.Корицкого и др. М.: Энергоатомиздат, 1986.

53. ГОСТ Р 50756.0-95. Базовые несущие конструкции радиоэлектронных средств. -М.: НПО "Авангард", 1996. 80с.

54. ГОСТ 28213-89. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание ЕА и руководство: Одиночный удар. Взамен МЭК 68-2-27 (1972); введ. 01.03.90. - М.: ФГУП "Стандартинформ", 2006. - 23с.

55. ГОСТ 28220-89. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытание Бс1: Широкополосная случайная вибрация. Общие требования. Взамен МЭК 68-2-27 (1972); введ. 01.03.90. -М.: ФГУП "Стандартинформ", 2006. - 16с.

56. ГОСТ 28203-89. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Бс и руководство: вибрация (синусоидальная). Взамен МЭК 68-2-27 (1972); введ. 01.03.90. - М.: ФГУП "Стандартинформ", 2006. - 23с.

57. Система государственных испытаний продукции. Испытания изделий машиностроения. Классификация механических воздействий. Методические рекомендации MP 132-84. M.: ВНИИНМАШ, 1984. - 68с.

58. Dave S. Steinberg. Вибрационный анализ для электронного оборудования — 3 издание. Vibration analysis for electronic equipment.-3rd ed. "A Wiley-Interscience publication", New York, 2000, C.42-48.

59. Lee Sang Hun. Интеграция CAD-CAE-систем используя, нестандартные подходы в проектировании аппаратуры. Computer Aided Design №37, 2005 - с.941-955.