CC BY
158
прочность конструкции, анализ системе ANSYS имеется возможность решения следующих
с учетом температуры, композиционные и армированные
УДК 004.94
Колесников С.Н., Увайсов С.У.
ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва, Россия
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИНСТРУМЕНТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АППАРАТУРЕ
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № НК 14-07-00414\14).
Введение
После проведенного анализа особенностей конструкций аппаратуры, необходимо оценить инструменты моделирования механических процессов и провести диагностирования. Инструмент моделирования должен: Анализ состояния проблемы диагностирования скрытых дефектов БРТУ.
Разработка метода неразрушающего диагностирования аппаратуры.
Проведение численных экспериментальных исследований.
Электрические процессы в конструкциях ЭС связаны с тепловыми процессами, которые в свою очередь взаимосвязаны с механическими процессами. Мощности тепловыделения на ЭРЭ зависят от тока и напряжения на элементах, а температура воздуха и корпуса ЭРЭ оказывает влияние на его параметры, учет которого особенно важен для полупроводниковых приборов. С другой стороны для ЭРЭ и материалов ПП существует довольно жесткие ограничения по диапазону рабочих температур, нагрев ЭРЭ так же отрицательно сказывается на показателях надежности. От температуры зависит жесткость материалов - параметр, от которого зависят собственные частоты, амплитуды механических колебаний и другие характеристики механических режимов. Поэтому моделирование тепловых и механических процессов является важным этапом в процессе разработки конструкций ЭС. Для решения этой задачи существует немало программ. К таким программным комплексам относятся: ANSYS, АСОНИКА - М, АСОНИКА - ТМ.
Основная часть
Пакет программ конечно-элементного анализа ANSYS разработан американской фирмой ANSYS Inc. и предназначен для решения широкого круга инженерных задач, таких как: тепловых процессов, электромагнетизм.
При моделировании механических процессов в типов задач:
Статический анализ:
устойчивость (линейная и нелинейная); механика разрушения (линейная, нелинейная, материалы, хрупкое и пластическое разрушение).
Анализ в частотной области:
на воздействие гармонической вибрации (гармонический); на воздействие случайной вибрации.
Динамический анализ во временной области (неустановившиеся процессы):
линейные;
нелинейные.
Усталостный анализ:
критерии разрушения, задаваемые пользователем; критерий разрушения по максимальным деформациям; критерий разрушения по максимальным напряжениям.
Одним из наиболее популярных программных пакетов для инженерного анализа является MSC.Nastran, разработки MacNeal-SchwendlerCorporation (США), история создания которого ведется с 1972 г. Крупнейшим пользователем пакета MSC.Nastran является автомобильная промышленность, кроме этого его применяют в аэрокосмической отрасли, на предприятиях строительного сектора и судостроения, общего машиностроения, химического машиностроения, в государственных исследовательских институтах и университетах.
Система инженерных расчетов MSC.Nastran основана на методе конечных элементов и позволяет проводить анализ прочности конструкций, тепловых процессов и оптимизацию. Геометрические модели в MSC.NASTRAN создаются с помощью внутреннего препроцессора, входящего в состав системы, либо импортируются из других форматов CAD-систем. Существует так же модуль MSC.InGheck, интегрируемый (как встроенное приложение)в систему твердотельного параметрического моделирования SolidWorks. Кроме этого, готовые конечно-элементные модели, созданные с помощью других систем инженерных расчетов, могут быть импортированы в MSC.NASTRAN.[1-6]
Большая часть видов расчетов, производимых системой, относится к анализу механических процессов. Это следующий набор расчетов:
расчет напряженно-деформированного состояния;
линейный статический анализ напряжений и перемещений под воздействием механических и тепловых нагрузок ;
расчет собственных частот и форм колебаний; анализ устойчивости;
анализ нелинейных динамических переходных процессов; расчет критических частот и вибраций роторных машин;
анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок; спектральный анализ и исследование аэроупругости.
В отличие от ANSYS и MSC.NASTRAN существует ряд программных средств анализа физических процессов, которые не имеют собственных пре/постпроцессоров, а предназначены для использования совместно с программами твёрдотельного параметрического моделирования, такими как SolidWorks. Кроме уже упоминавшейсяMSC.InСheck к таким программным средствам относится система COSMOS/Works, разработанная американской компанией StructuralResearch&AnalysisCorporation. [9-16]
О программных средствах моделирования тепловых и механических процессов, использующих для расчета методы конечных элементов можно сказать следующее:
данные программные средства позволяют решать широкий круг задач моделирования и обеспечивают высокую достоверность получаемых результатов;
в процессе моделирования электронных устройств необходимо задавать граничные условия, от определения которых напрямую зависит точность моделирования;
моделирование электронных устройств без использования идеализации и разбиения их конструкций невозможно в силу причин описанных выше;
процесс построения моделей печатных плат является кропотливым и требует много времени, наиболее вероятные и трудно выявляемые ошибки в данном случае связаны с возникновением геометрических конфликтов (наложений компонентов) и неточностей (отсутствие контакта поверхностей);
в большинстве систем отсутствуют библиотеки компонентов электронных устройств.
Описанные сложности с моделированием электронных устройств в вышеописанных программных системах, рассчитанных на широкий круг объектов, решаются в системах, ориентированных на анализ изделий радиоэлектроники. Примерами таких программных средств являются системы: АСОНИКА - М, АСОНИКА - ТМ.
Подсистема АСОНИКА - М предназначена для автоматизации процесса моделирования неамортизированных типовых конструкций радиоэлектронных средств (РЭС) на механические воздействия (гармоническую вибрацию, случайную вибрацию, одиночные и многократные удары, линейные ускорения) и позволяет реализовать следующие проектные задачи:
получение ускорений в местах крепления конструкций нижнего уровня иерархии в рассчитываемых конструкциях более высокого уровня иерархии для реализации моделирования «сверху вниз» протекающих механических процессов в РЭС;
выбор лучшего варианта конструкции из нескольких имеющихся вариантов с точки зрения механических режимов работы РЭС (уточняется по результатам моделирования конструкций первого уровня и определения ускорений на электрорадиоизделиях (ЭРИ) с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ);
получение механических напряжений и резонансных частот, возникающих при протекании механических процессов в третьем и втором уровнях конструкций РЭС (радиоэлектронных шкафах, стойках, пультах и блоках), и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузок в материалах их корпусов и выведение резонансной частоты за рабочий диапазон;
обоснование необходимости и оценка эффективности дополнительной защиты РЭС от механических воз-действий.[6-9]
Подсистема АСОНИКА-М позволяет анализировать на механические воздействия следующие типы конструк-
ций РЭС:
радиоэлектронные шкафы (стойки, пульты); блок кассетный; блок цилиндрический; блок этажерочный;
Процесс взаимодействия проектировщика с подсистемой АСОНИКА-М при математическом моделировании механических процессов в несущих конструкциях РЭС включает в себя использование:
методик сбора информации и принятия решений на основе анализа полученных результатов моделирова-
ния;
инструментарий с интуитивно понятным интерфейсом ввода-вывода, хорошо понятным проектировщику РЭС, что повышает эффективность процесса моделирования (главную роль играют программы для автоматизированного ввода моделей, расчета и вывода результатов).
Для повышения эффективности всего процесса проектирования РЭС и достижения комплексного моделирования и расчета РЭС от несущих конструкций верхнего уровня до отдельных ЭРИ способствуют средства интеграции подсистемы АСОНИКА-М с другими подсистемами системы АСОНИКА. [19-28]
Для проведения сеанса моделирования при помощи данной подсистемы АСОНИКА-М необходима следующая исходная информация:
тип воздействия и его количественное определение;
эскиз или чертеж конструкции РЭС;
наименование материалов конструкции РЭС.
В результате моделирования при помощи подсистемы АСОНИКА-М получаются поля перемещений, ускорений, напряжений, а также в контрольных точках - графики зависимостей ускорений и перемещений от времени и частоты.
Подсистема АСОНИКА - ТМ предназначена для анализа механических и тепловых характеристик ПУ и ЭРЭ при тепловых (стационарных и нестационарных) и механических (гармоническая и случайная вибрации, одиночный и многократный удары, линейные ускорения и акустический шум) воздействиях.
Подсистема позволяет проводить:
анализ стационарных и нестационарных тепловых процессов в ПУ;
комплексный анализ механических процессов в ПУ с учетом температуры нагрева участков ПУ, температуры окружающей среды и аэродинамического сопротивления воздуха;
анализ усталостной прочности выводов ЭРЭ;
анализ механических процессов в ПУ при воздействии гармонической и случайной вибраций, одиночных ударов и ударов многократного действия, линейных ускорений и акустических шумов с учетом нелинейности механических характеристик.
Подсистема имеет управляющие программу, называемую монитором. Монитор дает возможность осуществить выбор задач, обеспечить программы входной информацией и организовать процесс управления программным обеспечением подсистемы.
Исследуемые конструкции могут быть закреплены произвольным образом и иметь произвольную ориентацию в пространстве.
Подсистема имеет базу данных, которая содержит геометрические, теплофизические и физикомеханические параметры ЭРЭ и конструкционных материалов.
Также данная подсистема имеет связь с САПР конструирования печатных узлов P-CAD, ACCEL EDA.
Заключение
В результате проведенного обзора, можно сделать следующие выводы о применении программных средств математического моделирования физических процессов на ранних этапах проектирования конструкций ЭС:
Комплексное моделирование электрического, теплового, аэродинамического (гидравлического) и механического процессов в ЭС (до уровня ЭРЭ) с использованием программных средств одного производителя невозможно. Поэтому для его проведения потребуется несколько моделирующих программ, между которыми необходимо поддерживать связь на уровне входных/выходных данных. Поддержка связи должна обеспечиваться специализированной подсистемой. [15-23]
На ранних стадиях конструирования ЭС (до создания электрических схем и выполнения компоновки печатных узлов) проведение исследований на основе комплексного моделирования разнородных физических процессов, с помощью существующих программных средств, требует слишком много времени. Поэтому на данных этапах предлагается использовать для расчета комплексные параметризованные модели, характеризующиеся простотой создания и редактирования параметров и малым временем проведения анализа. Комплексное моделирование должно осуществляться специализированной подсистемой.
Для моделирования печатных узлов с точностью до характеристик отдельных ЭРЭ целесообразно использовать проблемно-ориентированные программные средства (АСОНИКА-ТМ, АСОНИКА-М). В этом случае возникает задача определения граничных условий, которая может решаться в специализированной подсистеме.
Программные средства моделирования физических процессов трудны в освоении, поэтому фирмы-разработчики программ организуют специальные курсы, на которых проводится обучение использованию данных систем в процессе проектирования. Но пользователей обучают не самому процессу моделирования, а знакомят с его процедурами (возможностями программ). Задача обеспечения процесса ранних этапов проектирования БЭУ методами и средствами комплексного математического моделирования разнородных физических процессов должна решаться специализированной подсистемой. [24-30]
ЛИТЕРАТУРА
1. Увайсов С. У., Сегень А., Кофанов Ю. Н., Пятницкая Г. Применение компьютерного измерительного
тепловизора КРИТ_Т и математического моделирования для обеспечения надежности и качества радиоэлектронных средств. М. : МИЭМ, 1997.
2. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Манохин А. И. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества радиоэлектронных средств. М. : МГИЭМ, 1998.
3. Увайсов С. У. Обнаружение слабого сигнала на фоне помехи в случае распределения Рэлея // Измерительная техника. 2006. № 4. С. 55-58.
4. Тумковский С. Р., Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Виброакустический контроль бортовой космической аппаратуры // Мир измерений. 2007. № 12. С. 4-7.
5. Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Показатели контролепригодности радиоэлектронной аппаратуры // Мир измерений. 2008. № 3. С. 47-51.
6. Увайсов С.У. Высокоточный транзисторный датчик температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Датчики и системы - М.: 2010. № 11. С. 19 - 22.
7. Увайсов С.У. Современные полупроводниковые интегральные датчики температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // ИЗМЕРЕНИЯ. КОНТРОЛЬ. АВТОМАТИЗАЦИЯ - М.: 2010. № 12. С. 59 - 68.
8. Объект интеллектуальной собственности: Устройство для измерения температуры. Патент РФ на полезную модель №100827 от 27 декабря 2010 г. Шестимеров С.М.,Громов В.С., Увайсов С.У.
9. Увайсов С. У., Иванов И. А. Информационная модель процесса проектирования контролепригодных радиоэлектронных средств // Информационные технологии. 2011. № 12. С. 41-45.
10. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Комплексирование физического и математического
моделирования при автоматизации проектирования бортовых электронных средств. М. : Энергоатомиздат,
2011 .
11. Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Бушмелев П. Е., Плюснин И. Моделирование оптимальных параметров устройств дистанционного зондирования // Измерительная техника. 2011. № 3. С. 39-42.
12. Увайсов С. У., Иванов И. А. Обеспечение контролепригодности радиоэлектронных средств в рамках CALS-технологий // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 1. С. 43-46.
13. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Формирование наборов тестовых сигналов для контроля качества электронных средств космических аппаратов // Качество. Инновации. Образование. 2011.
№ 11. С. 84-88.
14. Увайсов С.У. Транзисторный термопреобразователь для повышения качества контроля температуры
/Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Качество. Инновации. Образование. - М.: 2010. № 11.
С. 63-69.
15. Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю., Увайсов С. У. Динамика оптимизационного процесса при идентификации параметров электронных средств // Динамика сложных систем. 2012. № 3. С. 80-84.
16. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Методика обеспечения диагностируемости электронных средств космических аппаратов по ранговому критерию на ранних этапах проектирования // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 1. С. 60-62.
17. Увайсов С. У., Юрков Н. Методика обеспечения тепловой контролепригодности радиотехнических устройств на этапе проектирования // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки (Российская Федерация). 2012. № 7. С. 16-22.
18. Увайсов С. У., Аминев Д. А. Оптимизация RAID массива для достижения максимальной производительности систем регистрации данных // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 12. С. 93-96.
19. Увайсов С. У., Журавлева Ю., Палий С. П. Повышение качества прогнозирования доходности финансовых инструментов на основе многофакторных моделей // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 11. С. 43-49.
20. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Программный комплекс моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании источников вторичного электропитания для сложных бортовых систем // Динамика сложных систем. 2012. № 3. С. 80-84
21. Увайсов С. У. Текстурованные подложки из сплавов никеля с тугоплавкими металлами (W,Mo,Re) для сверхпроводящих кабелей второго поколения // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2012. № 2(22) . С. 126-137.
22. Uvaysov S. U., Ivanov I.. A method of ensuring controllability of electronics based on diagnostic modeling of heterogeneous physical processes // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 24. P. 196-201.
23. Аминев Д. А., Козырев А. А., Кудрявцев Д. Ю., Увайсов С. У. Алгоритм определения наличия аварийного электрического разряда в сетях электропитания // Датчики и системы. 2013. № 2. С. 49-51.
24. Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Кривицкая М. Выбор критериев оптимальности при разработке рабочего учебного плана // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 1. С. 68-71.
25. Увайсов С. У., Аминев Д. А., Лисицын И. Ю. Защита бортовой спутниковой навигационной системы от кратковременного пропадания электропитания и электромагнитных помех // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3(46) . С. 45-49.
26. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н. Методика выявления скрытых дефектов интегральных схем и аппаратуры // Надежность и контроль качества. Ежемесячное приложение к журналу "Стандарты и качество". 2013. № 11. С. 19-31.
27. Увайсов С. У., Иванов И. А., Гольдберг О. Д., Иванов О. А. Обеспечение качества характеристик источников бесперебойного питания в условиях помех, вызванных нелинейной нагрузкой // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3. С. 55-64.
28. Увайсов С. У., Журавлева Ю., Палий С. П. Повышение качества прогнозирования доходности финансовых инструментов на основе фрактального анализа // Качество. Инновации. Образование. 2013. Т. 97.
№ 6. С. 61-64.
29. Увайсов С. У., Бушмелева К. И. Система мониторинга газотранспортных объектов // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 1. С. 84-87.
