CC BY
51
УДК 378.147
Голушко Д.А., Таньков Г.В., Затылкин А.В., Кирдяев М.М.
Пензенский государственный университет МБОУ гимназия 44, Пенза, Россия
ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ К ВНЕШНИМ ВИБРАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
Введение
Изделия современной радиоэлектронной промышленности относятся к сложным наукоемким изделиям, к которым предъявляются высокие требования по физическим и эстетическим показателям, закладываемые на этапах жизненного цикла.
Применение методов математического моделирования дает возможность проводить исследования физических процессов, протекающих в конструкциях и их элементах, и определять на этапе проектирования их динамические характеристики, которые, в свою очередь, являются основой для прогнозирования поведения изделия в заданных условиях эксплуатации [1-4] .
Поэтому, разработка программного обеспечения, способного проводить анализ амплитудночастотных характеристик исследуемой конструкции для выявления опасных резонансных частот в рабочем диапазоне является актуальной задачей.
Анализ имеющихся аналогов
В настоящее время существует различное программное обеспечение по моделированию внешних механических воздействий на конструкции бортовых радиоэлектронных средств. Наиболее распространенными являются:
Программы «Balka» и «Beam» для расчета однопролетных статически определимых и многопролетных статически неопределимых 1D балок (стержней) Евгения Токарева (http://beamcalc.ru). Крайнее обновление на данный момент - сентябрь 2011 года.
Программа «Timo Structural» имеющая очень нестандартный интерфейс и широкие возможности по построению эпюр внутренних силовых факторов и составленными для данного стержня аналитическими уравнениями.
Программа «Полюс» компании MechCad Sofware. (www.mechcad.net). «Полюс» позволяет проводить анализ статически определимых и неопределимых плоских конструкций. Строит эпюры продольных и поперечных усилий, крутящих моментов, перемещений узлов.
Web ориентированные решения от Дмитрия Терехова, представленные на сайте sopromat.org,
Конечно-элементное моделирование (например, ANSYS). При этом с относительной легкостью можно получить численное решение практически любой стержневой системы, но вот обрабатывать полученные результаты - удовольствие не из приятных. Да и стоимость наиболее распространенных КЭ программ очень высока .
Подводя итог анализа программ моделирования воздействия внешних нагрузок на статические и динамические параметры стержней и стержневых конструкций можно сказать, что все они ориентированы на проведение расчетов для строительных сооружений и мало пригодны для проведения расчетов в области электроники [5-8] . Кроме того, наиболее функциональные программы не бесплатны.
Основным недостатком является построение АЧХ конструкции на основе результатов модального анализа, проводимого на различных частотах, что во-первых очень долго, а во-вторых есть возможность пропуска той или иной резонансной частоты.
Таким образом, следует сделать следующий вывод - разработка программы имитационного моделирования АЧХ стержневых конструкций бортовых РЭС, свободной от указанных недостатков, является актуальной задачей.
Математический аппарат
Стержневые конструкции могут совершать различные колебания. Для определения амплитуд, механических напряжений в элементах стержневых конструкций в процессе эксплуатации рассмотрим уравнение их движения при вынужденных колебаниях. Изгибные колебания в стержне, описываются однородным уравнением:
(1)
э% a2v
EJ—- + pS—- = о,
Эх4 э^
где V(x,t) - смещение точек стержня перпендикулярно упругой оси; Е инерции сечения относительно оси, перпендикулярной плоскости изгиба; р площадь поперечного сечения стержня.
модуль Юнга; J - момент плотность материала: S -
Обозначая изгибную жесткость стержня как Cs =EJ , учтём потери энергии при колебаниях в виде
диссипативной силы, пропорциональной скорости деформации и в правую часть добавим внешнюю силу F(x, t) , возбуждающую колебания и приложенную в точках крепления. Тогда уравнение вынужденных изгибных колебаний стержня запишется в виде:
„ Э4ш Э ЭАт „Э2ш
Cs—-т + ——Cs—- + pS—— = F (x, t),
s Эх4 Э s Эх4 ^ Э^
(2)
где n - коэффициент вязкости материала.
В соответствии с методом конечных разностей заменим сплошной стержень совокупностью дискретных элементов с шагом разбиения по оси х, равным hx. Массу каждого дискретного элемента сосредоточим в его центре - узле, лежащем на оси x; силы взаимодействия между дискретными элементами заменяем упругими связями между узлами. Получим геометрическую дискретную модель стержня, состоящую из n узлов, соединенных упругими связями.
Заменив первую производную по времени в левой части (2) её разностным аналогом, и полагая, что
L(u)
Эш
—— запишем его в виде:
Эх4
CsL(rn), +—[CsL(v)t -CsL(v),_T]=-pS, (3)
t эt
где t - шаг дискретизации по времени, а сила F(x, t) учитывается в начальных условиях. Раскрыв скобки и сгруппировав подобные члены (3), получим:
C.
(1 h h.
-і-sim,
э2т
(4)
Учитывая, что вторая производная от перемещения по времени есть ускорение а узла, запишем
Э2т
(4) в виде а =—— и, заменив вторую производную по времени разностным аналогом, получим:
э,2
-г1 а = Vx (t + t) - 2тx (t) + Vx (t - r).
Преобразуем (4) к виду явного разностного уравнения:
-г1 а + 2тх (t) -Vx (t -r) = Vx (t + r),
которое, будучи дополнено граничными и начальными условиями, образует явную разностную схему, которая в сочетании с геометрической моделью дает расчетную модель стержня, достаточно просто реализуемую на ПК.
Программная реализация
Структурный состав программы позволяет пользователю ввести данные необходимые для проведения расчетов, просмотреть результаты и сохранить их в файл.
Основная программа должна содержит перечень всех используемых модулей и несколько исполняемых операторов, обеспечивающих создание нужных окон и связь программы с Windows. Работоспособность программы обеспечивается кодом, содержащимся в раздельных модулях. Код процедур и функций располагается в исполняемой части модуля, которая может быть скрыта от пользователя.
Решение задач на компьютере основано на понятии алгоритма. Каждый этап вычислительного процесса представляется геометрическими фигурами (блоками). Они делятся на арифметические или вычислительные (прямоугольник), логические (ромб) и блоки ввода-вывода данных (параллелограмм).
Порядок выполнения этапов указывается стрелками, соединяющими блоки. Геометрические фигуры размещаются сверху вниз и слева на право. Нумерация блоков производится в порядке их размещения в схеме .
Алгоритмическое обеспечение разработанной программы показано на рисунке 2. Представленный алгоритм содержит циклические структуры (циклические алгоритмы). Цикл - последовательность команд, которая повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное условие. Циклическое описание многократно повторяемых процессов значительно снижает трудоемкость написания программ.
Рисунок 2 - Алгоритмическое обеспечение программы
Порядок выполнения операторов соответствует решению математических уравнений подробно описанных в пункте 2 данной работы и соответствует предложенной структурной схеме программы.
Несмотря на то, что интерфейсы непрерывно совершенствовались в течение двух десятилетий, опубликованы руководства по созданию интерфейсов и созданы средства их разработки проблема совершенствования интерфейсов пользователя с учетом более глубоких познаний менталитета и психологии пользователя является актуальной [9, 10] . Тем более что проблема разработки однопользовательских
интерфейсов еще не решена, а если индивидуальное взаимодействие с некоторой системой не проходит для пользователя легко и комфортно, то в результате этот недостаток будет негативно отражаться на качестве работы всей системы, независимо от того насколько она хороша в других своих проявлениях.
С учетом рассмотренных положений разработки интерфейса информационных систем, предложен интерфейс программы имитационного моделирования АЧХ стержневых конструкций бортовых РЭС, показанный на рисунке 3.
Предложенное программное обеспечение используется в учебном процессе кафедры «КиПРА» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» [11-13] .
Инженерная методика работы с программным обеспечением
Постоянное усложнение технических систем вызывает необходимость проведения их анализа с целью совершенствования функционирования и повышения эффективности. В США это обстоятельство было осознано еще в конце 70-ых годов, когда ВВС США предложили и реализовали Программу интегрированной компьютеризации производства ICAM (ICAM - Integrated Computer Aided Manufacturing), направленную на увеличение эффективности промышленных предприятий посредством широкого внедрения компьютерных (информационных) технологий.
Реализация программы ICAM потребовала создания адекватных методов анализа и проектирования производственных систем и способов обмена информацией между специалистами, занимающимися такими проблемами. Для удовлетворения этой потребности была разработана методология IDEF, позволяющая исследовать структуру, параметры и характеристики производственно-технических и организационноэкономических систем [11-14] .
В настоящее время методология IDEF отражена и в стандарте ГОСТ P 50.1.028-2001. Предложенная методика работы с программой имитационного моделирования представлена в виде диаграммы IDEF0 на рисунке 4.1. Последователбность выполняемых действий состоит из задания параметров материала и схемы закрепления, задания параметров внешнего воздействия, проведения моделирования конструкции в заданном диапазоне частот, сохранения полученных результатов и проведении анализа полученных динамических параметров моделируемой конструкции.
Далее рассмотрим более подробно каждый из них.
На этапе задания параметров материала и схемы закрепления пользователю следует задать значения модуля Юнга, удельной плотности материала и граничные условия (жестко закрепленные края, шарнирное закрепление или комбинированное). Входными данными процесса служат данные из технического задания. Выходными данными процесса являются подготовленные для дальнейших расчетов параметры моделируемой конструкции.
Программа имитационного моделирования
Рисунок 3 - Инженерная методика работы с программным обеспечением в виде диаграммы IDEF0 по ГОСТ P 50.1.028-2001
На этапе задания параметров внешнего воздействия пользователю следует указать диапазон частот и максимальные ускорения, которые будут влиять на работоспособность конструкции на этапе эксплуатации. Входными данными процесса служат подготовленные для расчетов параметры моделируемой конструкции. Выходными данными процесса являются параметры внешнего воздействия подготовленные для дальнейших расчетов моделируемой конструкции.
На этапе проведения проведения моделирования поведения конструкции в заданном диапазоне частот программа выполняет расчет и построение амплитудно частотной характеристики моделируемой конструкции. Входными данными процесса служат параметры моделируемой конструкции и параметры внешнего воздействия [15-16]. Выходными данными процесса является амплитудно-частотный спектр колебаний моделируемой конструкции.
На этапе сохранения полученных результатов программа сохраняет полученные результаты в файл. Входными данными процесса служит амплитудно-частотный спектр колебаний. Выходными данными процесса является файл формата *.pin.
На этапе анализа полученных парметров моделируемой конструкции (амплитудно-частотный спектр колебаний и формы изгибных колебаний) делается вывод о необходимости внесения конструктивных изменений.
Таким образом, была разработана методика работы с программой имитационного моделирования на основе методология IDEF0 позволяющая проводить анализ амплитудно-частотных характеристик исследуемой конструкции.
Выводы
Применение методов математического моделирования дает возможность проводить исследования физических процессов, протекающих в конструкциях и их элементах, и определять на этапе проектирования их динамические характеристики, которые, в свою очередь, являются основой для прогнозирования поведения изделия в заданных условиях эксплуатации. Поэтому разработанное программное обеспечение, способное проводить анализ амплитудно-частотных характеристик исследуемой конструкции для выявления опасных резонансных частот в рабочем диапазоне является актуальным и востребованным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Моделирование нестационарных тепловых полей электрорадиоэлементов / Алмаметов В.Б., Авдеев А.В., Затылкин А.В., Таньков Г.В., Юрков Н.К., Баннов В.Я. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 446-449.
2. Таньков, Г. В. Моделирование тепловых процессов в стержневых конструкциях РЭС / Таньков Г.В., Затылкин А.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2007. Т. 1. С. 257258 .
3. Затылкин, А. В. Моделирование изгибных колебаний в стержневых конструкциях РЭС / Затылкин А.В., Таньков Г.В., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2006. Т. 1. С. 320-323.
4. Таньков, Г. В. Волновой метод исследования динамических характеристик упругих конструкций радиоэлектронных средств при нестационарном нагружении / Таньков Г.В., Затылкин А.В., Рындин Д.А. // Вестник Пензенского государственного университета. 2013. № 2. С. 101-107.
5. Затылкин, А.В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе проектирования / А. В. Затылкин, А. Г. Леонов, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. -2012. -№ 1. -С. 138-142.
6. Ольхов, Д. В. Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин, Н.К. Юрков // Известия ЮФУ. Технические науки. -2012. № 5. -С. 94-99.
7. Лысенко, А.В. Методика моделирования внешних механических воздействий на бортовую РЭА / А.В. Лысенко, Е.А. Данилова, Г.В. Таньков / Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 226-228.
8. Затылкин, А. В. Система управления проектными исследованиями радиотехнических устройств: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Москва, 2012. 18 с.
9. Затылкин, А. В. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А. В. Затылкин, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Надежность и качество: тр. междунар. симп.: в 2 т./под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. -Т. 1. -С. 365367 .
10. Алгоритм функционирования компьютерной программы стенда исследования теплоотводов/ Лысенко А.В., Граб И.Д., Горячев Н.В., Юрков Н.К.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 244-246.
11. Затылкин, А. В. Модели и методики управления интеллектуальными компьютерными обучающими системами: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Пенза, 2009. 18 с.
12. Методология формирования профессиональных навыков в интеллектуальной компьютерной системе обучения с внешним объектом изучения / В. Б. Алмаметов, А. В. Затылкин, И. Д. Граб, В. С. Зияут-динов, С. В. Щербакова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2009. № 1 (9). -С. 48-54.
13. Лысенко, А. В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А.В. Лысенко, Г.В. Таньков, Д.А. Рындин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 155-158.
14. Затылкин, А. В. Опыт применения технологии ERM в разработке интеллектуальных средств обучения / Затылкин А.В., Буц В.П., Юрков Н.К. // Известия ЮФУ. Технические науки. -2011. № 2. -С.
218 -223.
15. Лысенко, А.В. Конструкция активного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией / А.В. Лысенко, Д.В. Ольхов, А.В. Затылкин // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 454-456.
16. Лысенко А.В. Анализ современных систем управления проектами / А. В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 371-372.
