CC BY
44
УДК 621.396.96
Белецкая С.Ю., Иевлев П.В., братов А.В., Тураева Т.Л., Турецкий А.В., Худяков Ю.В.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Воронеж, Россия
СРЕДСТВА ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ
Статья посвящена вопросам выявления возможностей основных, наиболее часто используемых САЕ- системам для проведения инженерного моделирования и оптимизации радиоэлектронных модулей третьего уровня (шкафы, стойки, пульты). Сформулированы основные критерии, которым должен удовлетворять программный пакет для его успешного использования в радиоэлектронной промышленности. Проведен сравнительный анализ возможностей, достоинств и недостатков CAE средств, а также приведены примеры их использования в мировой практике в процессе создании радиоэлектронных модулей третьего уровня. Ключевые слова:
CAE, компьютерный дизайн, моделирование радиоэлектронных изделий, инженерный анализ, ANSYS, CREO, NASTRAN
Введение. Современное производство основано на парадигме электронного дизайна, позволяющей значительно снизить стоимость разработки и ускорить процесс создания качественного продукта производства. Использование процедуры компьютерного моделирования позволяет выбрать лучшее дизайнерское решение, заменить большое количество испытаний реальных изделий тестированием их виртуальных прототипов. Сегодня актуальна проблема разработки радиоэлектронных систем, функционирующих в условиях взаимного влияния различных физических процессов. Для этого необходимо использование среды мульти-дисциплинарного проектирования, внутри которой можно будет создавать, анализировать и оптимизировать радиоэлектронные системы в едином контексте с электрическими, механическими и другими элементами. Следующим этапом будет создание «облачного пространства», когда сформируются виртуальные рабочие коллективы для работы в одном проекте, между которыми практически не будет границ, несмотря на географическую разобщенность. Такая программа развития российской промышленности намечена Сколковским институтом науки и технологий [1].
С точки зрения построения математических моделей и проведения численных расчетов наиболее перспективными для применения в радиоэлектронике являются Computer-Aided Engineering (САЕ) комплексы. Практически всегда Computer-Aided Design (CAD) и CAE системы используются совместно, как взаимодополняющие друг друга на различных этапах дизайна изделия. Поэтому разработчики зачастую объединяют возможности обеих систем и создают единый программный комплекс с эффективными механизмами обмена данными, интеграции и взаимодействия между ними. Такой синтез позволяет изменить место CAE в проектировании радиоэлектронных изделий от средства проверки дизайна к основному средству разработки.
CAD/CAE программное обеспечение для разработки и оптимизации радиоэлектронных модулей третьего уровня должно удовлетворять следующим требованиям:
возможность мультидисциплинарного моделирования изделий радиоэлектронной промышленности, функционирование которых основано на взаимовлиянии различных физических процессов:
а) моделирование механических свойств системы, включающее расчеты упругих и пластических деформаций в статических и динамических условиях, анализ прочности, воздействия вибраций, механической устойчивости;
б) анализ температурных полей в различных условиях теплообмена, в том числе при наличии излучения, диффузии и конвекции;
в) моделирование статических и динамических электромагнитных полей;
2) достаточная производительность при работе с большими сборками, так как радиоэлектронное изделие - сложный иерархический комплекс;
3) наличие специализированных модулей и опыта применения в радиоэлектронной и приборостроительной отраслях;
4) возможность сопряжения с другими программными комплексами наряду с наличием собственных средств моделирования геометрии изделия;
5) ценовой фактор;
6) наглядность интерфейса.
Основная часть. Цель настоящего исследования - обзор основных САЕ систем, используемых при
проектировании изделий, с целью выявления текущего состояния проблемы, перспектив применения программных комплексов в области радиоэлектроники и приборостроения, а также решение проблемы выбора наиболее комфортного программного комплекса для моделирования радиоэлектронных модулей третьего уровня.
Среди разработчиков таких систем на сегодняшний день верхние строки в рейтинге занимают крупные компании с годовым доходом не менее 100 млн. долларов год (указаны в порядке уменьшения объемов продаж по итогам 2015 года [2]:
ANSYS (США, 197 0 г.) - единоличный лидер рынка САЕ, созданы инструменты как для для инженерного анализа изделий, так и автоматизации электронного проектирования (Apache Design Solutions);
Dassault Systems (США/Франция) - работы в области САЕ-технологий ведутся под брендом SIMULIA (появился после приобретения в 2005 г. компании ABAQUS), инструменты для инженерного анализа содержатся также в программных пакетах CATIA и SolidWorks);
Siemens PLM Software + CD adapco (Германия/США) - используют оптимизацию конструкции проектируемого изделия с помощью многодисциплинарного моделирования. Создана линия продуктов NX (ранее Unigraphics), ориентированная на крупных клиентов (например, NX NASTRAN), SolidEdge, характеризующаяся более ограниченной функциональностью и ориентированностью на средних клиентов, FEMAP (пре- и постпроцессор для проведения инженерного анализа методом конечных элементов), SAMTECH и другие;
Mathworks (США, 1984 г.) - флагманские разработки этой компании MATLAB (среда для численных расчетов) и SIMULINK (среда моделирования динамических систем);
Altair Engineering (США, 1985 г.) - полный комплекс конечно-элементных моделей, ориентированный на машиностроительные отрасли;
MSC Software Corporation (США, 1963 г.) -разработчик популярных систем NASTRAN/PATRAN, MARC, DYTRAN, ADAMS;
Esi Group (Франция/США, 1973 г.) - создан пакет PRESTO для моделирования процесса охлаждения электронных схем; есть решения для мультифизи-ческого моделирования одновременно протекающих нескольких физических процессов и явлений в области физики полупроводников (ACE + Suite). Однако отсутствие возможности моделирования механических воздействий делает использование продуктов этого разработчика для проектирования радиоэлектронных модулей третьего уровня нецелесообразным;
Autodesk - пакеты САЕ Autodesk Simulation, Autodesk Nastran, в 2014 г. приобретен программный ресурс Circuits.io для проектирования и моделирования электронных схем;
Cybernet Systems (Япония, 1985 г.) - мало известный в России CAE-разработчик.
Кроме этих компаний в рейтинг CAE CIMdata входят компании COMSOL Group (Швеция, 1986), Livermore Software Technology Corporation (LSTC) и Parametric Technology Corporation PTC (США, 1985 г., линейка программных продуктов CREO).
Компания PTC разработала удобное решение для конструктора, работающего в области радиоэлектроники - PTC Creo ECAD-MCAD collaboration
extension [3]. Этот модуль обеспечивает синхронизированное представление механической части проекта, печатных плат и электрических схем. Ин-женеры-электроники, инженеры-электрики и инженеры-механики просматривают конструкцию в среде, в которой им наиболее удобно работать, и при этом видят объекты из других областей проекта. Аналогов этому пакету у других разработчиков CAE средств сегодня нет.
К числу ведущих российских создателей САЕ относится компания Топ-системы, использующая ядро Parasolid, лицензированное у компании Siemens PLM Software. Созданная линия T-FLEX содержит 2D и 3D средства CAD, модули анализа, динамики и моделирования деформаций и вибраций, а также теплового анализа.
Широкое распространение в России получил комплекс SCAD, активно развивается комплекс Fidesys для моделирования деформаций твердого тела (универсальная система конечно - элементного анализа с встроенным пре- постпроцессором).
Российский разработчик Аскон, имеющий собственное ядро C3D, доступное для лицензирования, средства CAE не разрабатывает.
В интеграции с программным комплексом ANSYS хорошо зарекомендовала себя и специализированная программная система АСОНИКА (18 подсистем различного назначения), разработанная российским научным коллективом (Московский институт электроники и математики, Ковровская государственная технологическая академия) и ориентированная на решение задач моделирования физических процессов при проектировании радиоэлектронных средств [4]. Для моделирования радиоэлектронных модулей третьего уровня с учетом воздействий на них особый интерес представляют подсистемы АСОНИКА-М (моделирование механических воздействий на неамортизированные конструкции), АСОНИКА-В (моделирование механических воздействий на конструкции, установленные на виброизоляторах) и АСОНИКА-ТМ (анализ механических и тепловых характеристик модулей первого и второго уровней, встраиваемых в модули третьего уровня) [5,6]. Однако отсутствие собственного решателя, возможности оптимизации конструкции (вместо параметрической оптимизации предусмотрена возможность выбора лучшей конструкции по итогам моделирования) и возможности многодисциплинарного анализа делают систему не самодостаточной и ограничивают ее использование.
Разработчики радиоэлектронной аппаратуры успешно используют расчетный комплекс ANSYS при проектировании и создании оптимальной конструкции. Опыт применения при моделировании сложного электронного устройства, в составе которого есть электронные блоки с печатными платами, содержащими электронные компоненты, описан в работе [7]. Анализ вибрационных воздействий (рис) был разбит авторами на 3 уровня (корпус, печатная плата, электронный компонент) с целью понимания динамического поведения электронного устройства в целом и отдельных частей этого устройства при колебательных нагрузках. Конечно-элементное моделирование в ANSYS позволило исследовать влияние конструкции модуля верхнего уровня, а также способов и вариантов монтажа электронных устройств нижнего уровня на собственные частоты и формы колебаний. Было установлено, что жесткость конструкции модуля верхнего уровня, которая должна обеспечить целостность структурных составляющих, с точки зрения передачи вибраций печатной плате не является определяющей.
В работе [8] объектом исследования стало электронное устройство системы сетевой связи морского судна, которое монтируется на передней панели 19-дюймового шкафа, представленного на рисунке 1, под которым и за ним было установлено по два амортизатора.
В программном комплексе ANSYS осуществлено моделирование всего спектра воздействий: ударного, вибрационного, проведены испытания на
устойчивость к повышенным температурам и электромагнитным воздействиям, как со стороны собственных внутренних излучений, так и внешних.
Рисунок 1 Радиоэлектронный модуль третьего
уровня, использованный в качестве несущей конструкции [8]
Авторами работы [9] разработана методика сейсмического анализа РЭМ третьего уровня с применением ANSYS и продемонстрировано хорошее соответствие результатов модельных испытаний с результатами реальных испытаний. Модальный анализ в ANSYS дал погрешность около 7 %, при определении максимальных смещений элементов радиоэлектронного шкафа несоответствие примерно такое же, около 7%. При определении значений пикового ускорения при одной нагрузке несоответствие составило 25 %, а при другой - 8 %.
В работах [10-14] показана принципиальная возможность применения средств CREO для моделирования радиоэлектронных модулей третьего уровня, рассмотрены особенности моделирования механических характеристик этих модулей. Авторы работы [12] средствами CREO исследовали влияние размеров и формы конечных элементов на точность результатов моделирования основных конструкционных элементов радиоэлектронных модулей третьего уровня и выработали соответствующие рекомендации для оптимального выбора.
Во многих случаях удобным оказывается применение нескольких программных комплексов в одном проекте. Например, при таком подходе разработан инновационный радиоэлектронный модуль третьего уровня в виде рамы, представляющей собой несущую конструкцию для исследовательского спутника нижних слоев атмосферы, и показано успешное применение для этого программных расчетных комплексов SolidWorks и ANSYS [15]. CAD-модели всех деталей и их сборка были выполнены в SolidWorks (разработчик Dassault Systems) и подвергнуты модельным статическим нагрузкам (рисунок 2), анализу устойчивости и вибрационным воздействиям в комплексе ANSYS (разработчик ANSYS). Характер моделируемых воздействий соответствовал экстремальным условиям запуска, катапультирования и эксплуатации, а также были исследованы деформации при воздействиях, отвечающих собственным частотам.
В данной работе не рассматриваются системы электронного и электротехнического проектирования Electronic Design Automatation (EDA), так как они содержат средства для проектирования, тестирования и синтеза только интегральных схем и печатных плат, в то время как средства проектирования радиоэлектронных модулей третьего уровня в таких комплексах не предусмотрены. Вместе с тем следует отметить, что разработчик ANSYS и в этом рейтинге занимает достойное место, входя в топ-10 игроков рынка EDA [16].
Заключение. В таблице на основе сформулированных выше критериев к программным комплексам для дизайна радиоэлектронных модулей проведено сопоставление основных средств CAE, применимых
на предприятиях и в организациях радиоэлектронного профиля.
Заключение. В таблице на основе сформулированных выше критериев к программным комплексам
для дизаина радиоэлектронных модулей проведено сопоставление основных средств CAE, применимых на предприятиях и в организациях радиоэлектронного профиля.
Рисунок 2 Деформации в самой низкочастотной моде и самой высокочастотной модах,
выполненные в ANSYS [13]
Анализ таблицы позволяет сделать вывод о том, что продукты компаний ANSYS, MSC и PTC наиболее полно удовлетворяют перечисленным в начале настоящей работы требованиям к расчетному комплексу для его использования при проектировании радиоэлектронных модулей третьего уровня. Продукты этих компаний завоевали широкую популярность как в России, так и за рубежом, широко применяются во многих отраслях промышленности. Системы имеют широкий функционал для создания
различной природы, удобный графический интерфейс с поддержкой необходимых форматов данных для обмена между CAD/CAE пакетами и высокую надежность конечно-элементных расчетов. Вместе с тем, сочетание параметрического и прямого моделирования, удобство работы с небольшими приложениями и возможность использования в больших проектах, а также лучшее соотношение цена-функциональность на рынке САЕ - систем делает использование программного пакета CREO приоритетным.
геометрических моделей и моделей воздействий
Сравнительный анализ основных средств инженерного анализа CAE (составлена на основании литературных данных и личного опыта авторов)
Таблица
Программный комплекс/ компания - разработчик Требования ^^^ к CAE программному обеспечению для разработки и оптимизации радиоэлектронных модулей третьего уровня Ansys/ansys 1 CATIA/Dassault Systems | s m e t s y S t l u ft s s a D S U a A m «1 Solid Works/ Dassault Systems NX NASTRAN/ Siemens PLM Software FEMAP/ Siemens PLM Software Solid Edge/ Siemens PLM Software s k r 0 W h +J a M k/ n 1 l u m i m MSC.NASTRAN/ MSC Software Corporation AutoDesk Simulation/Autodesk Creo ( Pro Engineer)/ Parametric Technology comsol. comSOL 1 АСОНИКА/МИЭМ, КГТА T-Flex/Топ-системы |
Возможность мультидисциплинарного моделирования изделий, функционирование которых основано на взаимовлиянии различных физических процессов + - - - - + - - - -
Достаточная производительность при работе с большими сборками, так как радиоэлектронное изделие - сложный иерархический комплекс) + + t - - - - + - - -- -
Наличие специализированных модулей и опыта применения в радиоэлектронной и приборостроительной отраслях + - - + - - t + - -
Возможность сопряжения с другими программными комплексами наряду с наличием собственных средств моделирования геометрии изделия + t + t t + + +
Ценовой фактор - - t + t- t t - + - +
Наглядность интерфейса + t + + + + +
ЛИТЕРАТУРА
1. Дежина И.Г., Пономарев А.К., Фролов А.С., Зорин Д.Н., Псахье С.Г. и др. Новые производственные технологии. М.: Издательский дом Дело, 2015. 273 с.
2. Павлов С.И. САЕ-технологии в 2015 году: обзор достижений и анализ рынка // CAD/САМ/САЕ Observer. 2016. №4 (104). С. 6-16. URL : http:// www.cadcamcae. lv/N104/06-16.pdf (дата обращения 28.01.2017).
3. Официальный сайт Parametric Technology Corporation, PTC. URL: http://www.ptc.com/cad/creo/parametric/ecad-mcad-collaboration-extension (дата обращения 05.02.2017).
4. Автоматизированная система Асоника для моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах с учетом внешних воздействий / под ред Шалумова А.С. М.: Радиотехника, 2013. 424 с.
5. Шалумов А.С., Урюпин И.С., Тихомиров М.В. Анализ иобеспечение стойкости блоков ишкафов электроники к механическим воздействиям (АСОНИКА-М) // Современные наукоемкие технологии. 2012. №
10. С. 60-61.
6. Соловьёв Д.Б., Шалумов А.С. Автоматизированная подсистема моделирования произвольных конструкций типовых шкафов РЭС. Динамика сложных систем - XXI век. 2015. Т. 9. № 2. С. 4-8.
7. Banu Aytekin. Vibration Analysis of PCBs and Electronic Components // Middle East Technical University. 2008. P. 135. URL: http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/3/12 60 94 4 4/index.pdf (дата обращения 01.03.2017).
8. Yucel Devellioglu. Electronic Packaging And Environmental Test And Analysis Of An EMI Shielded Electronic Unit For NAVAL Platform. Middle East Technical University. 2008. P. 253. https://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12 60 94 5 9/index.pdf (дата обращения 01.03.2017).
9. Anjum M.W., Khalid B., Rehman A. Seismic Analysis of Electronic Cabinet using ANSYS. Technical Journal, University of Engineering and Technology Taxila, Vibration analysis issue, 2012. P. 75. URL: http://web.uettaxila.edu.pk/techJournal/downloads/Technical%20journal%202012.pdf (дата обращения 09.01.2017).
10. Иевлев П.В., Климов А.И., Муратов А.В., Сидоров Ю.В., Турецкий А.В. Моделирование механических характеристик радиоэлектронных модулей третьего уровня // Радиотехника. 2014. № 11. С. 37-40.
11. Турецкий А. В. Разработка подсистемы постановки начальных и граничных условий при моделировании механических характеристик конструкций РЭС в системе PRO/ENGINEER / Труды междунар. симпоз. «Надежность и качество». г.Пенза.2011. Т.1. С.335-336
12. Лозовой И.А., Турецкий А.В В. Разрушение паяных соединений и анализ причин возникновения разрушений / Труды междунар. симпоз. «Надежность и качество». г.Пенза.2011. Т.2. С.184-186
13. Иевлев П.В., Климов А.И., Муратов А.В., Сидоров Ю.В., Турецкий А.В. Этапы моделирования механических характеристик радиоэлектронных модулей третьего уровня // Радиотехника. 2014. № 11. С. 41-43.
14. Иевлев П.В., Муратов А.В., Слинчук С.А., Тураева Т.Л., Турецкий А.В. Оптимизация процессов проектирования радиоэлектронных модулей третьего уровня средствами Creo Parametric 3.0 // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 6. С. 96-103.
5. Chiranjeeve H.R., Kalaichelvan K., Rajadurai A. Design and Vibration Analysis of 2U-Cubesat Structure using AA-6061 for Aunsat-II. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2014. Volume-1/9. P. 61-68. URL: http://iosrjournals.org/iosr-jmce/papers/NCCAMABS/Volume-1/9.pdf (дата обращения 09.01.2017).
16. Павлов С. Системы электронного и электротехнического проектирования в 2015 году: обзор достижений и анализ рынка // CAD/CAM/CAE Observer. 2016. № 3 (103). C. 6 - 17. URL: http://www.cadcamcae.lv/N103/0 6-17.pdf (дата обращения 18.02.2017).
УДК 681.39; 007.001.362
Федотов1 Н.Г., Голдуева1 Д.А., Мокшанина2 М.А.
1ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», Пенза, Россия
ПРИЗНАКИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕКСТУР, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Предложен метод формирования признаков, характеризующих геометрические особенности текстур, представленных в трехмерном пространстве, на основе стохастической геометрии и функционального анализа Ключевые слова:
признаки текстур, представленных в трехмерном пространстве, распознавание образов, стохастическая геометрия, функциональный анализ
Введение
Одной из актуальных проблем современной науки и техники является проблема распознавания текстур, представленных в трехмерном пространстве. Актуальность указанной проблемы следует из повсеместного присутствия на многих поверхностях, подлежащих анализу в большинстве практических задач анализа и распознавания поверхностей, представленных в трехмерном пространстве (например, задача анализа рельефа местности, и т.д.). При решении подобных задач одной из основных проблем является проблема формирования признаков, описывающих анализируемые объекты и способных отличать изображения, относящиеся к разным классам.
Подавляющее большинство существующих в настоящий момент времени методов формирования признаков объектов, представленных в трехмерном пространстве, не позволяют достаточно детально описать анализируемые изображения, в силу того, что предполагают существенное упрощение распознаваемых объектов, заключающееся в приведении к двумерному случаю. Подобное упрощение отрицательно сказывается на точности распознавания.
В настоящей статье предлагается метод формирования признаков текстур, представленных в трехмерном пространстве, предполагающий анализ изображений без предварительного их упрощения. Настоящий метод основан на аппарате стохастической геометрии и функционального анализа. Формирование признаков согласно предлагаемому методу может быть осуществлено одним из двух способов: экстракцией или генерацией. Первый способ предполагает участие эксперта-аналитика, причем, формируемые признаки имеют конкретную интерпретацию в терминах решаемой задачи. Согласно второму способу формирование признаков производится автоматически в режиме компьютерной генерации, в результате чего получают некоторые аб-
страктные характеристики анализируемого объекта, обладающие распознающей силой. В ряде прикладных задач используется комбинация указанных способов формирования признаков.
В настоящей статье предложен метод формирования признаков, характеризующих геометрические особенности текстур, представленных в трехмерном пространстве.
Также следует отметить, что предлагаемый подход к проблеме анализа текстур, представленных в трехмерном пространстве, позволяет конструировать признаки инвариантные к повороту, переносу и масштабным изменениям исходного объекта, что весьма важно для решения большинства практических задач рассматриваемой области.
Рассмотрим процесс формирования признаков, согласно предлагаемому подходу.
1. Атомно-силовая микроскопия
Весьма обширный класс задач анализа поверхностей принадлежит проблеме анализа и распознавания 3D моделей текстур, представленных в трехмерном пространстве. В ряде практических задач из области физики поверхности и тонкопленочных технологий 3D модели текстур, подлежащие анализу, строятся с помощью атомно-силового микроскопа.
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики (рис. 1).
Зондовые датчики представляют собой упругую консоль - кантилевер (cantilever) с острым выступом на конце (рис. 2). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин.
Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании - держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы.
