Автоматизация проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Ухин, Виктор Александрович

• Ухин, Виктор Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ухин, Виктор Александрович

Введение.

1. Анализ частотной отстройки как метода виброзащиты электронной аппаратуры

1.1 Сущность и способы частотной отстройки плоских конструкций.

1.2. Анализ способов частотной отстройки с учетом специфики ячеек ЭА.

1.2.1. Изменение площади и конфигурации печатной платы.

1.2.2. Изменение толщины печатной платы.

1.2.3. Влияние способов крепления.

1.2.4. Применение ребер жесткости.

1.2.5. Сравнение способов частотной отстройки.

1.3. Анализ методов расчета СЧК и оптимизации частотной отстройки.

1.3.1. Аналитические методы.

1.3.2. Численные методы, реализованные в программных средствах.

1.3.3. Оптимизация частотной отстройки.

1.4. Экспериментальная проверка условия частотной отстройки.

Выводы к главе 1.

2. Разработка информационного и математического обеспечения.

2.1. Анализ существующей математической модели.

2.2. Зависимость собственной формы колебаний ячейки от места установки ребра жесткости.

2.3. Определение координат узловых линий аналитическим методом.

2.4. Уточнение существующей математической модели.

2.4.1. Анализ численных методов.

2.4.2. Разработка математических выражений для потенциальной и кинетической энергии ребра жесткости.

2.5. Разработка алгоритма идентификации ячеек ЭА с ребрами жесткости.

2.6. Разработка математической модели для ячейки с ребрами жесткости при четырехточечном способе крепления.

Выводы к главе 2.

3. Оптимизация виброзащиты методом частотной отстройки.

3.1. Определение последовательности применения способов частотной отстройки.

3.2. Разработка алгоритма оптимизации виброзащиты ЭА методом частотной отстройки.

3.2.1. Определение необходимого количества и места расположения ребер жесткости.

3.2.2. Оптимизация ячеек с ребрами жесткости.

3.2.3. Алгоритм оптимизации виброзащиты ЭА методом частотной отстройки.

Выводы к главе 3.

4. Экспериментальные исследования и результаты внедрения.

4.1. Методика экспериментальных исследований.

4.2. Проверка адекватности математической модели.

4.3. Определение положения узловых линий для размещения ребер жесткости.

4.4. Тестирование программы оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки.

4.5. Результаты внедрения работы при проектировании модуля ППРЧ-Б.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки»

Электронная аппаратура (ЭА), устанавливаемая на подвижных объектах, в период эксплуатации подвергается интенсивным механическим воздействиям - ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам [4]. Надежность такой ЭА может снижаться в десятки и сотни раз по сравнению с аналогичной, используемой в стационарных условиях [4, 6].

В настоящее время защита ЭА от механических воздействий в основном обеспечивается виброизоляцией, частотной отстройкой, динамическим гашением колебаний, увеличением демпфирующих свойств конструкции [58]. Работы по теоретическим и практическим исследованиям этих методов проводятся в США, Германии, Японии и других развитых странах [12-24]. Наиболее известны в этой области труды таких зарубежных исследователей как Е. Ружичка, Е. Кервин, Е. Унгар, А. Нашиф и другие. В России эти вопросы рассматриваются в работах B.C. Ильинского, В.Б. Карпушина, Н.Н. Абжирко, М.М. Грибова, Ю.К. Коненкова, Э.Б. Слободника, А.Н.Чеканова, Ю.А. Суровцева и других авторов. Во Владимирском государственном университете работы по исследованию и разработке способов защиты от механических воздействий проводятся на кафедре конструирования и технологии радиоэлектронных средств под руководством доктора технических наук, профессора Е. Н. Талицкого.

Для многих видов ЭА наиболее опасными являются вибрации, особенно, если они приводят к возникновению резонансных колебаний таких широко распространенных элементов конструкций ЭА, как ячейки [5-7, 9]. Это характерно для самолетной, ракетной, а также наземной ЭА, устанавливаемой на бронетранспортерах, танках и других подвижных средствах на гусеничном ходу [1, 3, 6, 8]. Виброперегрузки электрорадиоэлементов (ЭРЭ) увеличиваются при этом в десятки раз, что вызывает значительное возрастание интенсивности отказов, как за счет механических разрушений элементов конструкций, так и за счет искажения параметров электрических сигналов [4,

11]. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов конструкций ЭА, или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач разработчиков указанной ЭА, применяемой в условиях интенсивного воздействия вибраций [4, 5].

Обычно эти задачи решаются путем увеличения демпфирующих свойств ячеек или частотной отстройкой [5-7, 9].

Демпфирующие свойства конструкций повышаются за счет применения специальных вибропоглощающих материалов в виде полимерных демпферов [5]. Этот способ снижения резонансных колебаний является практически единственным, если верхняя граница диапазона частот воздействующих вибраций не ниже 500 Гц, но он конструктивно, и особенно технологически сложен [5]. Кроме того, практически отсутствуют отечественные вибропог-лощающие материалы, удовлетворяющие всем требованиям, предъявляемым к ЭА специального назначения.

Метод частотной отстройки заключается в том, что спектр собственных частот колебаний выводится за верхнюю границу диапазона воздействующих вибраций, причем считается, что первая СЧК должна не менее чем в два раза превышать эту частоту. Он конструктивно и технологически значительно проще [5, 10, 11], а его эффективность практически не зависит от температуры и других условий эксплуатации, но применение частотной отстройки с целью полного устранения резонансных колебаний, когда верхняя граница диапазона частот воздействующих вибраций 500 Гц и выше, приводит часто к недопустимому увеличению габаритов, и особенно, массы конструкции [6, 7]. В некоторых случаях, если целью является не полное устранение резонансных колебаний, а уменьшение их амплитуд виброперемещений или напряжений до допустимого уровня, частотная отстройка может применяться и при частотах воздействующих вибраций, превышающих 500 Гц.

При частотной отстройке разработчику ЭА приходится решать две задачи, а именно рассчитывать СЧК и в случае необходимости применять конструктивные меры для ее повышения. В настоящее время расчет СЧК проводится по аналитическим формулам, которые пригодны только для простейших конструкций [4-11], или с применением систем конечно-элементного анализа (СКЭА) типа ANSYS, NASTRAN, COSMOSWorks, Femlab, требующих от разработчика специальной подготовки. Использование численных методов, кроме того, затрудняют оптимизацию конструкций, так как требуют большого количества итерационных вычислений [32].

Конструктивно частотная отстройка может обеспечиваться увеличением толщины платы, уменьшением площади, повышением жесткости крепления, применением ребер жесткости и дополнительных точек крепления [5, 9], но рекомендации по их наиболее эффективному применению и совместному использованию отсутствуют.

Эти обстоятельства приводят к тому, что при частотной отстройке проводятся лишь приближенные расчеты и большой объем работы приходится на экспериментальную доработку конструкций, которые, как правило, получаются неоптимальными по своим конструктивно-технологическим характеристикам и позволяют применять ее только при частотах вибраций не превышающих всего 300-400Гц [5]. При частотах внешнего воздействия с верхней границей 500 Гц, что характерно для некоторых видов наземного транспорта [1], применение частотной отстройки часто приводит к недопустимому увеличению сроков проектирования ЭА и она становится неконкурентоспособной.

Выходом из этой ситуации является применение систем автоматизированного проектирования (САПР) виброзащищенных устройств, из которых в настоящее время наиболее известна «АСОНИКА», разработанная под руководством доктора технических наук, профессора Ю. Н. Кофанова. Однако она в основном ориентирована на задачи анализа. Вопросы оптимизации частотной отстройки в ней не рассматриваются. Они не рассматриваются и в известных работах Е.Н. Маквецова, A.M. Тартаковского, Е.Н. Талицкого, А.В. Сарафанова, А.Н. Шалумова и других авторов, занимающихся созданием САПР виброзащищенной ЭА.

Таким образом, задача автоматизации проектирования оптимальных конструкций виброустойчивых ячеек методом частотной отстройкой является актуальной.

Цель работы: расширение области применения частотной отстройки, а также сокращение сроков и трудоемкости проектирования виброустойчивой ЭА на основе применения САПР.

Задачи исследования:

- анализ частотной отстройки как способа виброзащиты ЭА и методов расчета СЧК;

- разработка информационного и математического обеспечения, необходимого для применения виброзащиты частотной отстройкой в диапазоне вибраций с верхней границей не ниже 500 Гц;

- создание алгоритма и программы оптимизации виброзащиты ЭА методом частотной отстройки;

- разработка методики проектирования виброзащиты частотной отстройкой.

Методы исследований основаны на использовании методов автоматизированного проектирования, математического моделирования, численных методов, теории колебаний и упругости, а также теории эксперимента и теории точности.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель для определения СЧК ячеек ЭА с ребрами жесткости при точечном способе закрепления;

- уточнена формула для расчета СЧК ячеек с ребрами жесткости, способ крепления которых моделируется свободным опиранием по контуру;

- создан алгоритм идентификации ячеек ЭА с ребрами жесткости;

- разработан алгоритм оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки;

Практическая ценность:

- разработана методика автоматизированного проектирования виброзащиты ЭА частотной отстройкой, позволяющая существенно сократить сроки разработки виброустойчивых ячеек ЭА;

- уточнены требования к частотной отстройке, расширяющие возможность ее применения в аппаратуре, эксплуатируемой при вибрациях с верхней границей 500 Гц;

- определен способ наиболее эффективного применения ребер жесткости.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятии Владимирское конструкторское бюро радиосвязи, использованы при выполнении госбюджетной НИР №359/00 Владимирского государственного университета и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Апробация работы: Основные положения и результаты работы обсуждались на семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета и следующих конференциях:

-VI Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир 2005 г;

- XIX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», Воронеж 2006 г;

-VI Международная научно-практическая конференция «Моделирование, теория, методы и средства», Новочеркасск 2006 г.

-VII Международная научно-практическая конференция «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», Новочеркасск 2007 г.

-XII Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», Рязань 2007 г.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Ухин, Виктор Александрович

Выводы к главе 4

1. Экспериментальные исследования ячеек ЭА с ребрами жесткости подтвердили адекватность математической модели.

2. Подтверждена связь собственной формы колебаний ячейки с местом установки ребра жесткости.

3. Экспериментально проверен алгоритм и программа оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки.

4. Выполнена апробация и внедрение результатов работы на предприятие Владимирское конструкторское бюро радиосвязи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель для определения СЧК ячеек ЭА с ребрами жесткости при точечном способе закрепления;

2. Уточнена формула для расчета СЧК ячеек с ребрами жесткости, способ крепления которых моделируется свободным опиранием по контуру;

3. Разработан алгоритм и программа идентификации ячеек ЭА с ребрами жесткости;

4. Создан алгоритм и программа оптимизации виброзащиты ЭА методом частотной отстройки;

5. Уточнены требования к частотной отстройке, расширяющие возможность ее применения в аппаратуре, эксплуатируемой в диапазоне вибраций с верхней границей 500 Гц;

6. Определен способ наиболее эффективного применения ребер жесткости.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной методики проектирования, математических моделей и алгоритмов дают основание заключить, что их применение позволяет устранить резонансные колебания ячеек ЭА, не превышая требуемые массогабаритные параметры конструкции и сократить сроки проектирования виброзащиты методом частотной отстройки.

Основной итог диссертационной работы заключается в разработке методики автоматизированного проектирования виброустойчивой ЭА методом частотной отстройки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ухин, Виктор Александрович, 2007 год

1. ГОСТ РВ 20.39.304-98 Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.

2. ГОСТ РВ 20.57.305-98 Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие механических факторов.

3. ГОСТ 16962-71 Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний.

4. Вибрация в технике: Справ.: В бт./Ред. Совет: В.Н. Челомей (пред.),-М.: Машиностроение, 1978-1981.

5. Талицкий Е. Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. Пособие/ Владим. Гос. Ун-т., Владимир 2001.-256с.

6. Токарев М. Ф., Талицкий Е. Н., Фролов В. А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. Пособие для вузов/ Под ред. В. А. Фролова.-М.: Радио и связь, 1984. 224 с.

7. Талицкий Е. Н. Защита РЭА от механических воздействий.: Учеб. Пособие /Владим. Политехи. Ин-т., Владимир, 1979.-90с.

8. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: Учеб. Пособие для вузов / Н. И. Каленкович, Е. П. Фастовец, Ю. В. Шамгин. Мн.: Выш. Шк., 1989.-224 с.

9. Фролов В. А. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры. -Киев: Высшая школа, 1979.-128с.

10. Механические воздействия и защита электронных средств: Учеб. Пособие. В. А. Барашков, А. А. Левецкий. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002.г 122с.

11. И. Ильинский В. С. Защита РЭА и прецензионного оборудования от динамический воздействий. М.: Радио и связь, 1982-296с.

12. A note on transverse vibrations of rectangular plates with edges elastically restrained against rotation. PAA Laura & R. H. Gutierrez. Journal of sound & vibration 1981 V78 Nl.p. 139-144.

13. Transverse vibrations of rectangular plates witch edges elastically restrained against translation & rotation. PAA Laura & R. H. Gutierrez. Journal of sound & vibration 1981 V78 Nl.p. 101-107.

14. A method for the determination of the fundamental frequency PAA Laura & R. H. Gutierrez. Journal of sound & vibration 1980 V70 N1. p. 77-84.

15. Free vibration of rectangular plates of arbitrary thickness with one or more edges clamped. К. T. Sundra raja Iyengar. & P. V. Raman. Journal of sound & vibration 1980 V71 N4. p. 463-472.

16. Vibration analyzing of a rectangular plate. M. Cengiz Dokmeci & Bruno A. Boley. J. of the Franklin Institute V296 N5 1973 p.305-321.

17. Simplified method for solvig problems of vibrating plates of doubly connected arbitrary shape. Part II: Aplications & experiments K. Nagava. Journal of sound & vibration 1981 V74 N4. p. 553-564.

18. Vibration of a rectangular plate supported at an arbitrary number of points. G. M. Kerstens. Journal of sound & vibration 1979 V65 N4. p. 493-504.

19. Bounds for frequensys of rib reinforced plates. D. W. Fox & V. G. Sigilito. Journal of sound & vibration 1980 V69 N4. p. 497-507.

20. Vibrationanalysis of plates of arbitrary shape a new approach D. Bucco & J. Mazumdar. Journal of sound & vibration 1979 V67 N2. p. 253-262.

21. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р. Г. Варламова-М.:Сов. Радио, 1980.-480с.

22. Расчет колебаний прямоугольных пластин В. В. Хильчевский, В. Г. Дубенец 64.072.2.04:534.12 с.27-32

23. Расчет свободных колебаний произвольной конструкции с помощью собственных форм колебаний отдельных его элементов. Дауэлл. Прикладная механика 1972 т. 39 №3 с.89-94.

24. Определение собственных частот и форм колебаний составных конструкций. В. В. Романенко, В.Ф. Соколов, с.25-30.

25. Метод расчета резонансных частот и амплитуд колебаний печатных плат нагруженных сосредоточенными массами. И. Я. Мансуров, Э.В. Мысловский. Вопросы радиоэлектроники. Выпуск2.1973. С. 23-31.

26. Определение частот и форм свободных колебаний пластин методом последовательных приближений А. А. Романов. Статическая механика и расчет сооружений 1976 №3 с. 56-59.

27. Шалумов А.С. Пакет прикладных программ анализа динамических характеристик и прогнозирования вибронадежности ячеек радиоэлектронной аппаратуры: Информационный листок № 237-89.-Владимир:ВЦНТИ, 1989.-Зс.

28. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ Авторы: Альмовский А. А., Собачкин А. А., Одинцов Е. В., Харитонович А. И., Понамарев Н. Б. СПб.: БХВ- Петербург, 2005-800с.: ил.

29. Норенков И. П. Системы автоматизированного проектирования. Кн. 1. Принципы построения и структура. М.: Высш. шк., 1987.

30. Изделия ГСП. Общие технические условия: ГОСТ 12997 84.: Изд-во стандартов, 1984.-47с.

31. Изделия электротехнические: Методы испытаний на стойкость к механическим внешним факторам: ГОСТ 16962.2-90 М.: Изд-во стандартов, 1990.-48с.

32. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические: методы испытаний: ГОСТ 20.57.406-81. М.: Изд-во стандартов 1981.- 183с.

33. Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств по функционально-конструктивной сложности. Термины и определения: ГОСТ 26632-85. М.: Изд-во стандартов, 1985.-10с.

34. Платы печатные. Общие технические условия. ГОСТ 23752-79. -М.: Изд-во стандартов, 1991.-32с.

35. Галецкий Ф.П. Производство печатных плат. Современные технологии. "Эектроника: Наука, Технология, Бизнес". 1998 г.

36. Галецкий Ф.П. Способ изготовления многослойных печатных плат. А.С. СССР №970737,1982 г.

37. Горобец А.И., Степаненко А.И., Коронкевич В.М. "Справочник по конструированию радиоэлектронной аппаратуры (печатные узлы)".Киев -Техника-1985г.

38. М. Однодворцев. Платы печатные. Сверление микроотверстий // Технологии в электронной промышленности.- 2006 №1.

39. Медведев А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера.2005.

40. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем.-М.:Наука,1980.-270с.

41. Бидерман B.J1. Теория механических колебаний: Учебник для вузов.-М.: Высш. школа, 1980.-408 С.

42. Филиппов А. П. Колебания деформируемых систем.- М.: Машиностроение, 1970.-734 с.

43. Модули электронные первого и второго уровней радиоэлектронных средств: Конструирование: ОСТ4ГО.ОЮ.ОН.-96-84с.

44. Талицкий Е. Н. Алгоритм проектирования виброзащиты электронных средств // Проектирование и технология электронных средств.-2001г.-№1.

45. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах/ Под. Общ. Ред. Д. Г. Красковского.-М.:КомпьютерПресс,2002.-224С.

46. Ухин В. А. , Талицкий Е. Н. Исследование вибраций ячеек электронной аппаратуры с ребрами жесткости // Проектирование и технология электронных средств. -2005. -№1.

47. Скатетцкий В.Г. Математическое моделирование физико-химических процессов. Минск: Высшая. Шк., 1981.-144С.

48. В. М. Вержбицкий. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Высшая школа 2001.

49. Райбман Н. С. Что такое идентификация? М., «Наука» 1970

50. Купин В. Т. Цифровое моделирование сложных систем.

51. Райбман Н. С. Чадеев В. М. Построение моделей процессов производства.

52. Эйсхофф П. Основы идентификации систем управления.

53. Круг, Герман, Карлович. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстрополяции.

54. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1968

55. Бабенко К. И. Основы численного анализа.-М.: -Наука, 1986

56. Амосов А.А. Дубинский Ю. А. , Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров. М. : Высшая школа, 1994.

57. Варга Р. Функцианальный анализ и теория аппроксимации в численном анализе.- М.: Мир, 1974.

58. Волков Б. А. Численные методы.-М.:Наука, 1979.

59. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир 1981.

60. Турчак JI. И. Основы численных методов.-М.: Наука, 1987.

61. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н. Зуева; Под ред. В.Ш. Барбакадзе. М.: Стройиздат, 1993. - 664 с.

62. Е. Н. Талицкий, В. А. Ухин. Математическое моделирование ячеек электронной аппаратуры с ребрами жесткости. // Проектирование и технология электронных средств. -2005. -№3.

63. Ухин В. А. Идентификация виброустойчивых ячеек радиотехнических устройств с ребрами жесткости// Математические методы в технике и технологиях: Сборник трудов XIX международной научной конференции. -Воронеж 2006. т. 10. -С. 45.

64. Дегтярев Ю. И. Методы оптимизации: Учеб. Пособие для вузов. М.: Сов. Радио, 1980.-272. с

65. Пшеничный Б. Н. Необходимые условия экстремума. М.: Наука, 1969. -151 с.

66. Моисеев Н. Н. Методы оптимизации. -М.; ВЦ АН СССР, 1968. 100. с.

67. Уайлд Д. Методы поиска экстремума: Пер. с англ. А. Н.Кабалевского и др./ Под ред. Е. Г. Голыптейна. М.: Наука, 1967. - 267. с.

68. Саати Т. Целочисленные методы оптимизации и связанные с ними экстремальные проблемы: Пер. с англ. В. Н. Веселова./ Под ред. И. А. Ушакова. М.: Мир, 1973. -302 с.

69. Адлер Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976.

70. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента.

71. Гилл Ф. , Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация.-М.: Наука, 1967.

72. В.А. Ухин, Е. Н. Талицкий. Алгоритм проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки // Проектирование и технология электронных средств.- 2006г.-№3.

73. Ухин В. А. Оптимизация виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки// Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VI Международной научно-практической конференции. -Новочеркаск, 2006. Ч.2.-С. 61.

74. Брянский JI. Н., Дойников А. С. Краткий справочник метролога: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1991. - 79 С.

75. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 С.

76. Саутин С. Н., Пунин А. Е. Мир компьютеров и химическая технология. -Л.: Химия, 1991.-144 С.

77. Коваленко И. Н., Филлипова А. А. Теория вероятностей и математическая статистика.- М.: Высшая школа, 1973.

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