CC BY
63
УДК 621.396.6.019.3
А.С. Шалумов, Д.т.н., профессор Генеральный директор ООО "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА",г. Ковров, РФ
Заведующий кафедрой, Кафедра информационных технологий Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ (РАНХиГС), г. Владимир, РФ
О.Е. Куликов, К.т.н., старший научный сотрудник ООО "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА",г. Ковров, Российская Федерация Н.А. Шалумова, К.т.н., доцент кКафедра информационных технологий Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ (РАНХиГС), г. Владимир, Российская Федерация
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИНТЕЗА МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРОВАНИЯ РЭС
Аннотация
Рассмотрена методика создания модели радиоэлектронных средств для расчета эффективности экранирования. Представлена схема взаимодействия конструктора с системой моделирования электромагнитных процессов в процессе синтеза модели.
Ключевые слова
Радиоэлектронное средство, эффективность экранирования, CAE-система.
Эффективность экранирования электрического поля вычисляется с помощью следующей формулы:
S = 201g Eo
E э , (1)
где Eo - напряженность электрического поля в отсутствие корпуса; Еэ - напряженность электрического поля внутри корпуса.
Аналогично определяется эффективность экранирования магнитного поля. Таким образом, чтобы оценить эффективность экранирования, необходимо найти напряженность электрического и магнитного полей вне и внутри пространства корпуса [1 - 4]. Для решения такой задачи в трехмерной структуре необходимо использовать один из численных методов электродинамики. Мы применим метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM).
Основа метода состоит в том, что пространство разбивается на простейшие элементы, имеющие форму тетраэдров. Размер тетраэдра должен быть достаточно мал для того, чтобы поле в его пределах можно было описать простой функцией или набором функций с неизвестными коэффициентами (появление в счетной области ячеек с размерами, большими А/10, где А - длина волны в среде, в которой ищется решение, нежелательно). Эти коэффициенты определяются с помощью уравнений Максвелла и граничных условий. В результате решение электродинамической задачи сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно этих коэффициентов. Решение СЛАУ легко реализуется на ЭВМ. Однако в ходе разбиения форма отдельных элементов структуры искажается. Это относится, в первую очередь, к элементам с искривленной поверхностью. Поэтому ограничения на размер тетраэдра накладывает не только точность определения поля, но и точность аппроксимации исходной структуры новой структурой, составленной из тетраэдров.
Для оптимизации сетки используется итерационный процесс, в котором шаг между ячейками автоматически уменьшается в критических областях. На первом этапе построения тетраэдров используются вершины объектов анализируемой структуры. Тем самым создается начальное разбиение, для которого ищется грубое распределение поля. Анализ этого поля позволяет установить наличие областей, в которых скорость изменения поля наиболее велика. Выявив такие области, поле снова дробят, но уже на ячейки меньшего размера в критических областях. При этом в качестве вершин новых тетраэдров используются
узлы координатной сетки. Далее электродинамическая задача решается повторно для нового разбиения. Процедура повторяется до полной сходимости процесса.
На рис. 1 показан пример дискретизации пространства модели корпуса радиоэлектронного средства (РЭС). Таким образом, дискретизация пространства счетной области - самый сложный и ответственный шаг при создании модели для электродинамического анализа, при выполнении которого следует учитывать как геометрические свойства объектов в счетной области (сетка конечных элементов в областях, содержащих острые грани, должна быть плотнее), так и параметры воздействия (не должно быть элементов, размер которых превышает АУ10).
Рисунок 1 - Пример дискретизации пространства
После разбиения модели на конечные элементы можно проводить расчет. В зависимости от числа конечных элементов в модели время расчета может составлять от нескольких минут до нескольких суток и более. В результате определяются напряженности поля в узлах конечно-элементной сетки. Подставляя эти значения, рассчитанные для различных частот, в формулу (1), получаем зависимость эффективности экранирования от частоты падающей волны (рис. 2).
56
rf 55
|
i 52 | * 52.5
1 S1
49
1000 1500 2000 2500 3000 Частота, МГц
Рисунок 2 - Зависимость эффективности экранирования электрического поля корпусом РЭС
от частоты падающей волны
Методика создания модели РЭС для расчета эффективности экранирования состоит из следующих этапов:
1) создание трехмерной твердотельной модели РЭС по приведенному алгоритму;
£ ¡Л ^е л т
2) назначение материалов деталям модели (задание тензоров а, ¡а, а , ст );
3) назначение граничных условий на границах раздела сред, а также задание источников возбуждения структуры (в рассматриваемой задаче - плоской электромагнитной волны);
4) дискретизация счетного пространства конечными элементами;
5) запуск на расчет.
Каждый из этих этапов при ручном выполнении в программных комплексах электромагнитного моделирования занимает много времени даже у подготовленных специалистов и требует учета множества
нюансов. Следовательно, необходимо максимально упростить и автоматизировать процесс синтеза и оптимизации модели, чтобы инженер-конструктор, не знакомый с тонкостями электродинамического моделирования, мог провести анализ эффективности экранирования электромагнитного поля корпусом РЭС, а также визуально оценить распределение электромагнитного поля внутри корпуса и на основании этих данных провести оптимизацию конструкции. Предлагаемая схема взаимодействия конструктора с системой моделирования в процессе синтеза модели в терминологии лингвистического обеспечения систем автоматизированного проектирования представлена на рис. 3.
Конструктор взаимодействует с конечно-элементной CAE-системой моделирования (CAE - Computer Aided Engineering - программное обеспечение для инженерных расчетов) и CAD-системой проектирования (CAD - Computer Aided Design - программное обеспечение для проектирования) посредством понятного ему языка проектирования. Различают входной и выходной языки проектирования. Входной язык делится на язык описания объектов моделирования и язык описания заданий. С помощью первого осуществляется ввод модели конструкции в CAD-систему, а с помощью второго задаются параметры моделирования (диапазон частот, напряженность воздействующего поля, параметры сетки конечных элементов). Выходной язык используется для отображения результатов анализа электромагнитного процесса (графика зависимости эффективности экранирования от частоты, картин распределения поля внутри корпуса).
Данные, вводимые конструктором на входном языке проектирования в CAD-систему, с помощью программы-конвертора переводятся в данные, понятные программе-препроцессору CAE-системы. После расчетов CAE-система формирует результаты, доступ к которым обеспечивается через встроенную программу-постпроцессор. Эти результаты преобразуются в данные, понятные проектировщику, для их анализа и принятия проектных решений.
Таким образом, обеспечивается полноценное взаимодействие конструктора с системами моделирования. Согласно данной схеме конструктор, не обладая знаниями, необходимыми для моделирования, управляет мощным математическим ядром CAE-системы на доступном ему языке, что повышает эффективность процесса проектирования.
Приведенная методика автоматизации создания модели РЭС легла в основу подсистемы АСОНИКА-ЭМС.
Рисунок 3 - Схема взаимодействия конструктора с системой моделирования электромагнитных процессов в процессе синтеза модели
140
Исследование осуществлено в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ № НШ-5574.2014.10, гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых №МК-6648.2014.10 Список использованной литературы:
1. О.Е. Куликов, А.С. Шалумов. Обеспечение передачи цифровых данных по каналу RS-232 в условиях внешних электромагнитных помех // Технологии ЭМС. - 2010. - № 4. - С.27-30.
2. О.Е. Куликов, А.С. Шалумов. Обеспечение электромагнитной совместимости на ранних стадиях проектирования радиоэлектронной аппаратуры: средства и методы реализации // Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 1. - С.12-18.
3. О.Е. Куликов, А.С. Шалумов. Разработка подсистемы АСОНИКА-ЭМС для численного моделирования проблем электромагнитной совместимости // Наукоемкие технологии. - 2011. - № 11. - С.79-95.
4. Шалумов А.С., Шалумов М.А., Шалумова Н.А., Першин Е.О., Куликов О.Е. Анализ проблем и задач моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах // Динамика сложных систем. - 2014. - № 2. - С.83-89.
© А.С. Шалумов, О.Е. Куликов, Н.А. Шалумова, 2015
УДК 621.396.6.019.3
А.С. Шалумов, Д.т.н., профессор Генеральный директор ООО "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" и ООО "Научно-технический центр "Наномодель", г. Ковров, Российская Федерация Заведующий кафедрой, Кафедра информационных технологий Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при
Президенте РФ (РАНХиГС) Г. Владимир, Российская Федерация Е.О. Першин, К.т.н. Старший научный сотрудник ООО "Научно-технический центр "Наномодель" Г. Ковров, Российская Федерация Д.Н. Травкин, К.т.н. Старший научный сотрудник ООО "Научно-технический центр "Наномодель" Г. Ковров, Российская Федерация
УЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАНОУСТРОЙСТВ ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ ИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВНЕШНИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Аннотация
Рассмотрены механические потери, вызывающие затухание колебаний, играющие существенную роль в динамических процессах, протекающих в конструкциях наноустройств военной техники из современных композиционных материалов при механических воздействиях. Для учета механических потерь в материалах конструкций НУВТ использована гипотеза Сорокина.
