Автоматизация формирования конечно-элементных моделей конструкций радиоэлектронных средств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Ваченко, Александр Сергеевич

• Ваченко, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ваченко, Александр Сергеевич

ф ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1.' Исследование вопросов взаимодействия «проектировщик-система» на ранних этапах проектирования конструкций РЭС с учетом механических воздействий.

1.2. Обзор методов и программных средств для моделирования механических процессов в конструкциях РЭС.

1.3. Основные задачи исследования.

1.4. Исследование особенностей наиболее распространенных конструкций РЭС.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Принцип взаимодействия пользователя с системой моделирования.

2.2. Методика построения алгоритмов автоматизированного синтеза конечно-элементных моделей.

2.2.1. Синтез модели.

2.2.2. Синтез составной модели.

2.2.3. Синтез соединения моделей в составной модели.

2.2.3.1. Грань пластины в грань пластины.

2.2.3.2. Точка в произвольную точку пластины.

2.2.3.3. Торец балки в произвольную точку пластины.

2.2.3.4. Плоскость поверхности с плоскостью поверхности.

2.2.3.5. Граница пластины с границей пластины.

2.2.4. Построение алгоритмов автоматизированного синтеза конечно-элементных моделей.

2.3. Алгоритм идентификации параметров моделей

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ РЭС И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДСИСТЕМА СИНТЕЗА И АНАЛИЗА

МОДЕЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ РЭС.

3.1. Алгоритмы автоматизированного синтеза конечно-элементных моделей конструкций РЭС.!.

3.1.1. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели блока этажерочного типа. щ 3.1.2. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели цилиндрического блока.

3.1.3. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели блока кассетного типа.

3.2. Алгоритмы автоматизированного синтеза составных конечно-элементных моделей конструкций РЭС.

3.2.1. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели сложной этажерочной конструкции.

3.2.1.1. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели корпуса блока.

3.2.1.2. Алгоритм автоматизированного синтеза конечноэлементной модели жесткого элемента и ребра жесткости.

3.2.1.3. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели вырезов.

3.2.1.4. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели этажерочной конструкции

3.2.2. Алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели шкафа.

3.3. Автоматизированная подсистема синтеза и анализа моделей конструкций РЭС.

3.3.1. Основные задачи разработки автоматизированной подсистемы синтеза и анализа моделей конструкций РЭС.

3.3.2. Структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа моделей конструкций РЭС.

3.4. Методика идентификации цилиндрической жесткости электрорадиоизделий.

3.5. Структура управления данными и организация связей между модулями

3.6. Структура входных и выходных данных.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В КОНСТРУКЦИЯХ РЭС.

4.1. Методика моделирования механических процессов в конструкциях

4.2. Создание новой конечно-элементной модели на примере блока кассетного типа.

4.3. Пример применения методики моделирования механических процессов в конструкциях РЭС.

4.4. Экспериментальная проверка разработанных моделей.

4.5. Внедрение результатов диссертационной работы.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация формирования конечно-элементных моделей конструкций радиоэлектронных средств»

Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов радиоэлектронных средств (РЭС) [17, 70, 72], поэтому механическая прочность является важной составляющей надежности функционирования РЭС. Отказы,, связанные с потерей механической прочности РЭС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости проектирования. Применение компьютерного моделирования механических процессов позволяет сократить количество промежуточных вариантов конструкции и уменьшить себестоимость и время проектирования [28, 29].

На данный момент для прочностного анализа применяются следующие универсальные САЕ-системы: ASKA, NASTRAN, COSMOS-M, MARC, ANSYS и т.д. Использование универсальной системы требует глубоких знаний~математики и физики механических процессов в конструкциях РЭС, а также пользовательских навыков при работе с программой. Поэтому на освоение таких программных продуктов требуется большой объем времени и затрат, что неприемлемо, учитывая высокие темпы производства и нестабильность кадров. Однако наличие необходимых знаний и опыта применения универсальной системы не обеспечит эффективного ее использования в силу высокой трудоемкости расчета из-за отсутствия специализации моделирования применительно к РЭС. Специализированные программы не позволяют строить сложные и адекватные модели механических процессов,, соответствующие современному уровню развития САЕ систем, инертны к дальнейшему развитию и не достаточно развиты применительно к моделированию механических процессов в несущих конструкциях РЭС.

Решением задачи моделирования механических процессов в ,-конструкциях РЭС занимались такие специалисты, как Маквецов E.H. [24,

40], Тартаковский А.М. [24, 42], Кофанов Ю.Н. [22, 27, 28, 30, 31, 41], Кожевников А.М. [37, 38], Крищук В.Н. [39], Шалумов A.C. [22, 23, 29, 30, 31] и другие. Но в данных работах детально не рассматривались вопросы повышения эффективности моделирования конструкций РЭС средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы.

Таким образом, на сегодняшний день отсутствуют средства, позволяющие конструктору РЭС в соответствии с современным уровнем развития моделирования осуществлять эффективный анализ механических процессов в конструкциях РЭС на ранних этапах проектирования на уровне «проектировщик - система».

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования конструкций РЭС, отвечающих требованиям нормативной 'документации по механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения препроцессоров и построцессоров для моделирования механических процессов.

Для реализации цели данной работы согласно вышеизложенным предложениям необходимо решить следующие задачи.

1. Исследование особенностей конструкций РЭС с точки зрения моделирования механических процессов.

2. Разработка алгоритмов автоматизированного синтеза конечно-элементных моделей конструкций РЭС.

3. Разработка методики идентификации цилиндрической жесткости электрорадиоизделий (ЭРИ).

4. Проведение экспериментальных исследований адекватности моделей конструкций РЭС.

5. Разработка структуры автоматизированной подсистемы синтеза и анализа моделей конструкций РЭС при механическихгйоздействиях.

6. Разработка методики моделирования механических процессов в конструкциях РЭС.

7. Внедрение созданной методики моделирования механических процессов в конструкциях РЭС в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс ВУЗов.

В процессе решения поставленных задач используется теория системного анализа, методы прикладной механики, методы вычислительной математики и методы обработки результатов испытаний.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Ваченко, Александр Сергеевич

4.6. Выводы

1. Разработана методика моделирования механических процессов в конструкциях РЭС на базе препроцессоров и постпроцессоров, позволяющей в минимальные сроки и с минимальными затратами осуществлять автоматизированный синтез математических моделей конструкций РЭС, проводить расчет на различные механические воздействия и принимать решение об обеспечении стойкости РЭС к механическим воздействиям. Данная методика отличается от сущестующих тем, что позволяет осуществлять перенос механического воздействия с высшего конструктивного уровня иерархии вплоть до каждого ЭРИ, что позволяет обоснованно вносить изменения в конструкцию на любом уровне иерархии.

2. Построен алгоритм автоматизированного синтеза конечно-элементной модели БКТ.

3. Проведены экспериментальные исследования по проверке адекватности разработанных моделей конструкций РЭС.

4. Приведен пример использования методики моделирования механических процессов в конструкциях РЭС, который демонстрирует резкое сокращение сроков моделирования по сравнению с использованием универсальной системой ANS YS.

5. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования предприятий и учебный процесс высших учебных заведений.

Заключение

Главным результатом работы является повышение эффективности процесса проектирования конструкций РЭС, отвечающих требованиям НД по механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения препроцессоров и построцессоров для моделирования механических процессов.

Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Исследованы особенности конструкций РЭС с точки зрения моделирования механических процессов.

2. Разработаны алгоритмы автоматизированного синтеза конечно-элементных моделей наиболее распространенных конструкций РЭС, позволяющие оперативно осуществлять их ввод и редактирование, разработана методика построения алгоритмов автоматизированного синтеза конечно-элементных моделей конструкций РЭС, позволяющая в минимальные сроки пополнять возможности по анализу новых конструкций РЭС.

3. Разработан алгоритм идентификации цилиндрической жесткости ЭРИ, отличающийся от существующей тем, что натурный эксперимент заменяется вычислительным.

4. Экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность моделей конструкций РЭС.

5. Разработана структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа конструкций РЭС на базе специализированной программы АСОНИКА-ТМ и препроцессора и постпроцессора к универсальной САЕ-системе АК8У8, обеспечивающей удобный проектировщику РЭС язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода, позволяющая конструктору выполнять сложные математические расчеты без специализированных знаний расчетчика.

6. Разработана методика моделирования механических процессов в конструкциях РЭС позволяющая передавать механическое воздействие по всем уровням иерархии конструкций РЭС, что повышает адекватность результатов и позволяет выполнять требования ТУ на ЭРИ по механическим характеристикам.

7. Проведено внедрение созданной методики моделирования механических процессов в конструкциях РЭС в практику проектирования на ряде промышленных предприятиях и в учебный процесс ВУЗа.

В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю д.т.н. профессору Шалумову A.C., за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ваченко, Александр Сергеевич, 2004 год

1. Ваченко A.C., Шалумов A.C. Моделирование механических процессов в блоках радиоэлектронных средств на основе метода взаимодействия «проектировщик — система» // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2003. - № 3. - С.57-63.

2. Фадеев O.A., Ваченко A.C. Автоматизация прочностного анализа сложных конструкций радиоэлектронных средств// Техника машиностроения. 2002. - № 3. - С.22 - 29.

3. Шалумов A.C., Ваченко A.C., Фадеев O.A., Багаев Д.В. Введение в ANSYS: Методическое пособие. Ковров: КГТА, 2003. — 52 с.

4. Токарев М.Ф., Талицкий E.H., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. М., 1983. - 256с.

5. Ильинский В. С. Защита аппаратов от динамических воздействий. М., Энергия, 1970. 224 с.

6. Каленкович Н.И., Фастовец Е.П., Шамгин Ю.В. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов. Минск: Высшая школа, 1989. - 244с.

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

8. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры. М: «Радио и связь», 1988.-232 с.

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

10. Шалумов A.C. Динамический анализ конструкций измерительных приборов с применением подсистемы АСОНИКА-М: Учебное пособие. -Ковров: КГТАД996. 48с.

11. Маквецов E.H., Тартаковский A.M. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1993.-200с.

12. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник в 3-х томах. -Т.1/ Под ред.И.А.Биргера, Я.Г.Пановко. М.: Машиностроение, 1968. - 831с.

13. Шалумов A.C. Автоматизация проектирования конструкций радиоэлектронных средств с применением систем P-CAD и АСОНИКА// Техника, экономика. Сер. Автоматизация проектирования. М., 1995. -Вып. 1-2. - С.45- 48.

14. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры: Научное издание / Ю. Н. Кофанов, Н. В. Малютин, А. В. Сарафанов и др. — М.: Радио и связь, 2000. 389 с.

15. Кофанов Ю. Н. и др. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств — М.: Радио и связь, 2000. 160 е.: ил.

16. Шалумов A.C. Моделирование механических процессов в конструкциях РЭС на основе МКР и аналитических методов: Учебное пособие. Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2001.-296с.

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

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

19. Майборода В.П., Кравчук A.C. Механика полимерных и композиционных материалов: экспериментальные и численные методы. -М.: Машиностроение, 1985. 152с.

20. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. -М.: Мир, 1975. 541с.

21. Редкозубов С.А. Статистические методы прогнозирования в АСУ. -М.: Энергоиздат, 1981. 152с.

22. Петров Г.М., Лакунин Н.Б., Бартольд Э.Е. Методы моделирования систем управления на аналоговых и аналого-цифровых вычислительных машинах. М.: Машиностроение, 1975. - 256с.

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

24. А.с.496573. Устройство для моделирования упругих пластин/ Ю.Н.Кофанов, А.М.Кожевников. Опубл. в Б.Н., 1975, N 47.

25. Кожевников А.М. Исследование и разработка машинных методов расчета конструкций печатных узлов РЭА при внешних механических воздействиях / Дис. канд.техн.наук. М., 1976. - 186с.

26. Крищук В. Н. Исследование и разработка машинных методов расчета конструкций бортовой РЭС этажерочного типа на вибрационные и ударные воздействия / Дис.канд.техн.наук. М.: МИЭМ, 1977. - 213с.

27. Маквецов E.H. Цифровое моделирование вибраций в радиоконструкциях. М.: Сов.радио, 1976. - 123с.

28. Кофанов Ю.Н., Шалумов A.C. Применение аналитического метода для исследования динамических характеристик печатных узлов в процессе автоматизированного проектирования// Информационные технологии в проектировании и производстве. 1996. -Вып.1-2. - С.32-39.

29. Тартаковский A.M. Краевые задачи в конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1984. - 136с.

30. ГОСТ Р 50756.0-95 Базовые несущие конструкции радиоэлектронных средств. М:НПО «Авангард», 1996. - 80с.

31. Химмельблау Д.М. Прикладное нелинейное программирование: Пер.с англ. М.: Мир,1975. - 534с.

32. Автоматизированное проектирование цифровых устройств/С.С.Бадулин, Ю.М.Барнаулов, В.А.Бердышев и др. М.: Радио и связь, 1981, - 240с.

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

34. Прочность при нестационарных режимах нагружения/ Серенсен С.В., Буглов Е.Г., Гарф М.Э. и др. Киев: изд-во АН УССР, 1961. - 295с.

35. Физические величины: Справочник/А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М.Братковский и др.; Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. -М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232с.

36. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов: Справочник. Киев: Наукова думка. - 1971,375с.

37. Пальмов В.А. Колебания упруго-пластических тел. М.: Наука, 1976.-328с.

38. Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. М.: Машиностроение, 1970. - 736с.

39. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. -444с.

40. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. М.: Сов .радио, 1971.-344с.

41. Иосилевич Г.Б., Лебедев П.А., Стреляев B.C. Прикладная механика: Для студентов втузов. М.: Машиностроение, 1985. -576с.

42. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. - 560с.

43. Карпушин В.Б. Виброшумы в радиоаппаратуре. М.: Сов .радио, 1973. - 418с.

44. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти томах. Т.1. Колебания линейных систем/ Под ред.В.В.Болотина. - М.: Машиностроение, 1978. -352с.

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

46. Шалумов A.C. Методология комплексного обеспечения стойкости конструкций РЭС // Информатика-машиностроение. 1998. Вып.1. - С.2-7.

47. Шалумов A.C. Метод моделирования конструкций РЭС при комплексных механических воздействиях // Информационные технологии в проектировании и производстве. 1997. - Вып.1. - С.27-31.

48. Кренкель Т.Э., Коган А.Г., Тараторкин A.M. Персональные ЭВМ в инженерной практике. М.: Радио и связь, 1989. - 337с.

49. Мосин В.Н., Трайнев В.А. Управление процессом проектирования. -М.: Моск.рабочий, 1980. 128с.

50. Карберри П.Р. Персональные компьютеры в автоматизированном проектировании: Пер. с англ. М.: - Машиностроение, 1989. - 144с.

51. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. для вузов. М.:Высш.шк.,1991. - 335с.

52. Глушков В.М., Капитонова Ю.В., Летичевский A.A. Автоматизация проектирования вычислительных машин. Киев: Наукова думка, 1975. - 332с.

53. Кофанов Ю.Н., Шалумов A.C., Гладышев Н.И. Идентификация параметров материалов несущих конструкций радиоэлектронных средств с применением компьютерного измерительного стенда // Измерительная техника. 1996. - №12. - С.52-55.

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

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

56. Шалумов A.C. Компьютерный измерительный стенд для определения динамических характеристик радиоэлектронных средств// Измерительная техника. 1996. - №3. - С.22-24.

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

58. Степнов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1972. - 173с.

59. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.