CC BY
191
УДК 621.396; 621.8
И. И. Кочегаров, Н. В. Горячев, А. К. Гришко
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ1
Аннотация. В статье рассмотрена модель комплексного учета внешних воздействий на элементы конструкций радиоэлектронных средств для задачи определения оптимальной компоновки элементов на печатном узле. Предложена многослойная модель, учитывающая тепловые, механические и СВЧ воздействия. Описан алгоритм, позволяющий получить оптимальную по выбранным критериям компоновку печатного узла.
Ключевые слова: печатный узел, оптимизация, механические воздействия, тепловые воздействия, СВЧ, математическое моделирование.
Введение
Темпы развития современной техники, особенно для ответственных применений, вынуждают разработчиков проектировать и производить РЭС в достаточно короткие сроки. При этом для РЭС, используемых на подвижных объектах, необходимо проводить большой комплекс испытаний при различных видах воздействий (удары, вибрации, нагрев и многое другое). На это уходят большие ресурсы, как материальные, так и временные, что сказывается на сроках разработки и конечной цене изделия.
Наиболее эффективно применение средств информационного взаимодействия на начальных этапах разработки, когда происходит выбор альтернативных вариантов исполнения изделия, подбор параметров конструкции и т.п. В этом случае существенно возрастает значение проектных исследований, причем важную роль играет совершенство методов анализа [1].
При проектировании печатного узла одной из важных задач, от которой зависит надежность и работоспособность изделия, является оптимальное размещение элементов на заданной площади. При этом конструктор должен учитывать целый комплекс взаимосвязанных параметров, таких как устойчивость элемента к механическим нагрузкам, тепловыделение, электромагнитная совместимость. В отличие от задачи трассировки межсоединений, для которой существуют известные, апробированные решения, задача размещения элементов на сегодняшний день не имеет решений, учитывающих комплекс указанных параметров.
Следует отметить, что в ряде случаев размещение элементов на плате уже определяется параметрами конструктива вышестоящего уровня (расположение разъемов, радиаторов, антенных модулей и т.д.). При этом оставшиеся элементы также могут и должны быть размещены на плате оптимальным образом для получения максимальной надежности печатного узла [2].
Математическое моделирование позволяет проводить исследование на ранних этапах проектирования и дает хороший эффект, поскольку появляется возможность проведения проектных исследований без использования макетов, опытных образцов, а также
1 Работа подготовлена в рамках проектной части государственного задания выполнения государственной работы «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок)» № 8.389.2014/K по теме «Информационные технологии анализа конструкций радиоэлектронных средств при воздействии внешних факторов».
153
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
дает возможность применять аппарат имитации для воспроизведения на ЭВМ функционирования проектируемых объектов с помощью системы математических моделей.
Модели, используемые для оптимизации, содержат параметры или функции, которые могут изменяться из условий достижения некоторой цели. В задачах оптимального проектирования целью является оптимальный вариант объекта (конструкция РЭС). Здесь переменные проектирования имеют фиксированные значения в течение всего жизненного цикла объекта. Однако в процессе проектирования по результатам исследования модели производится оптимизация ее параметров, включающих в себя эти переменные. Иначе говоря, переменные проектирования изменяются с целью достижения экстремума выбранного качества модели, который соответствует критерию качества объекта [3].
Постановка задачи и цели
В данной работе предлагается концептуальная модель изделия, на основе которой создается методика оптимального размещения элементов на печатном узле.
В связи с этим необходимо решить несколько задач:
- выбрать факторы, влияющие на принятие решения по размещению элементов на печатном узле;
- определить механизмы получения информации для принятия решения о влиянии данных факторов на выбор оптимального варианта размещения;
- выбрать вариант построения концептуальной модели, учитывающей несколько несвязанных видов информации.
Описание предмета исследования
В общем объеме всей разнообразной РЭА конструкционные модули первого уровня (печатные узлы, микросборки) составляют не менее 75-85 % структурных элементов [4]. Следует отметить, что защиту от внешних механических и климатических дестабилизирующих факторов осуществляют конструкции второго и третьего уровня, оборудованные системами виброизоляции и поддержания необходимого температурного режима. Но, несмотря на это, на элементы конструкции первого уровня действуют передаваемые через амортизаторы вибрационные и ударные нагрузки, и необходимо выяснить, какие из этих элементов могут выйти из строя под действием этих факторов. Поэтому можно считать, что именно они и должны рассматриваться как основные объекты, для которых в первую очередь необходимо определять их функциональные характеристики и решать задачу комплексного моделирования.
Предметом исследования является комплексная модель печатного узла, учитывающая результаты теплового, механического и электромагнитного моделирования. Модель используется для получения рекомендаций по оптимальной компоновке элементов на печатном узле с учетом динамического критерия оптимальности.
По результатам анализа этапов разработки аппаратуры, применяемой при комплексных внешних воздействиях, было выявлено три группы факторов, которые необходимо учесть при построении концептуальной модели. Это механические параметры, тепловые параметры и параметры электромагнитной совместимости.
Так как печатный узел устанавливается внутри блока с различными видами креплений (четырехточечное, пятиточечное и др.), необходимо оценить предварительную картину механических воздействий на печатный узел. Для этого проводится анализ блока с применением средств имитационного моделирования (Computer-aided engineering -CAE) и получаются воздействия в точках крепления печатного узла [5]. Далее осуществляется анализ пластины без элементов и получаются резонансные частоты данной пластины. На сегодняшний день для решения данного класса задач подходят такие системы, как SolidWorks Simulations, Компас APM FEM, T-Flex Анализ, ANSYS, MSC.NASTRAN и
154
Техника, технология, управление
ряд других. При работе с неподдерживаемыми САПР пользователь вынужден либо вводить данные с помощью встроенного эБ-редактора геометрии, либо использовать различные форматы взаимообмена. Среди независимых от производителей форматов следует отметить открытые форматы IGES и STEP [1].
Для этапа теплового анализа печатного узла проводится построение внутриблочного теплового поля с учетом допустимых по техническому заданию воздействий, в том числе термоударов. Эта предварительная картина используется для дальнейшей оптимизации размещения элементов.
В методике предлагается ввести этап предварительного анализа, который позволяет оценить начальные условия и необходимость более глубокого моделирования с применением различных методов оптимизации, в частности градиентной [6].
К числу основных функций, реализуемых в процессе проектирования с помощью модели, относятся оптимизации объекта проектирования, например узла на печатной плате. Решение подобных задач вызывает серьезные математические и технические трудности, связанные с большой размерностью задач и отсутствием аналитических зависимостей. Но можно использовать некоторые факторы, упрощающие постановку задачи и определяющие системный подход к решению поставленной проблемы.
В задачах проектирования РЭС во многих случаях нет необходимости поиска глобального оптимума: во-первых, вектор переменных проектирования, доставляющий глобальный минимум функционалу, может соответствовать неоправданному с технической точки зрения решению; во-вторых, в ряде случаев глобальный минимум может иметь узкий «овраг», в результате чего возникает опасность неустойчивого состояния объекта при отклонении переменных проектирования.
В большинстве практических случаев конструктор обычно не располагает широким выбором вариантов. При проектировании нестационарных РЭС часто применяется система базовых несущих конструкций, определенная нормативно-технической документацией соответствующей отрасли. Поэтому в данном случае исходный вариант конструкции, как правило, известен и оптимизация сводится к выбору или улучшению некоторых параметров конструкции.
Задача оптимального проектирования вообще и в данной предметной области в частности сводится к нахождению из множества допустимых векторов вектора переменных проектирования {b}, доставляющего экстремум функционалу при заданном векторе возмущений {£} и заданных ограничениях. В общем случае целевая функция (функционал) должна охватывать все сферы жизненного цикла изделия. Для электронной аппаратуры выбор целевой функции осложняется тем, что не всегда очевидна взаимосвязь между многими важными параметрами конструкции. Для оценки эффективности конструкции РЭС необходимы конкретные целевые функции, пригодные для широкого класса конструкций [7].
Выбор целевой функции можно обосновать следующими положениями. Во-первых, в каждой задаче оптимизации должна быть только одна целевая функция. Корректность задачи не нарушается при введении ограничений на отдельные компоненты целевой функции.
Во-вторых, общая композиция целевой функции должна быть аддитивной, так как аддитивная форма целевой функции позволяет сделать процесс оптимизации линейным, что значительно упрощает решение задачи; даже если и возникают нелинейные зависимости, то они здесь менее выражены, чем, например, при мультипликативной форме целевой функции.
В качестве некоторых компонентов целевой функции могут выступать стоимости (материалов, выполненных работ), которые по своей природе являются аддитивными. Если учесть, что все основные показатели производства имеют денежное выражение, то стоимость объекта в целом можно выбирать в качестве основного компонента целевой функции.
155
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Во многих задачах оптимального проектирования нестационарной аппаратуры в качестве целевой функции выбирается масса конструкции.
Выбор ограничений определяется техническими требованиями, условиями эксплуатации, предельными параметрами применяемых материалов [8].
В условия задачи должны быть включены ограничения на размеры, предельные значения потенциальных функций (перемещений, температуры), ускорений (перегрузок), функций потока (деформаций, напряжений).
В число условий включаются также уравнения состояния моделей вида
F (u, U, U, l) = 0
или
F(T, T, b, £) = 0,
где и - перемещение, T - температура.
Система уравнений состояния является основой для моделирования физических процессов, по результатам которого производится проверка ограничений и выбор новых значений переменных проектирования.
В итоге задача оптимального проектирования сводится к оптимизации модели, т.е. к выбору таких ее параметров, которые свели бы к минимуму целевую функцию при заданных условиях и ограничениях.
В большинстве практических случаев задача сводится к улучшению параметров конструкции по сравнению с базовым вариантом. Целенаправленный поиск путей улучшения параметров осуществляется посредством моделирования.
Полученные результаты
Предложена комплексная модель печатного узла (рис. 1), объединяющая результаты теплового, механического и высокочастотного моделирования.
Рис. 1. Комплексная модель печатного узла:
1 - распределение ускорений по полю платы; 2 - распределение температур по полю платы; 3 - распределение излучаемой ВЧ-мощности; 4 - эБ-модель печатного узла
156
Техника, технология, управление
На основе такой многослойной модели разработана методология автоинтерактивного процесса компоновки печатного узла РЭС на ранних этапах проектирования, позволяющая на основе разработанных программных комплексов по расчету механических, тепловых и СВЧ характеристик проводить обоснованный и целенаправленный синтез конструкций печатного узла, отвечающий требованиям ТЗ по механическим и тепловым ограничениям.
Центральным звеном методологии являются разработанные методики расчета механических, тепловых и СВЧ характеристик печатных узлов РЭС, позволяющие получить температурное поле печатного узла, поле перемещений (собственная форма), напряжений и ускорений, излучаемой СВЧ-мощности. Данные методики базируются на модели-рованни результатов, полученных путем импорта STEP-моделей, созданных в современных САПР.
Алгоритм компоновки узла состоит в следующем.
Первый этап. На основе технического задания, эскизов, спецификации и перечня элементов готовятся исходные данные (подготовка геометрической модели).
Второй этап. Проводится предварительный механический анализ печатной платы. Выполняется механический анализ пластины без элементов для определения резонансных частот и рекомендуемого варианта закрепления.
Третий этап. Выполняется предварительный тепловой анализ внутриблочного теплового поля. На его основе производится определение зон для расположения наиболее чувствительных к температуре элементов.
Четвертый этап. Осуществляется предварительный анализ внутриблочного электромагнитного поля с точки зрения возможности выполнения условий технического задания. На его основе производится определение зон для расположения наиболее чувствительных к электромагнитному излучению элементов.
Пятый этап. На основе автоматизированного анализа данных технического задания определяются приоритеты выполнения операции компоновки на основе данных со второго по четвертый этапы. Выполняется предварительный тепловой анализ внутриблочного теплового поля. На его основе производится определение зон для расположения наиболее критичных к температуре элементов.
Шестой этап. Производится оптимальное размещение элементов на основе многокритериальной оптимизации в последовательности, определенной на пятом этапе.
Седьмой этап. Определяется необходимость повторного выполнения оптимизации.
Данная методика позволяет получить в интерактивном режиме конструирования более оптимальный вариант компоновки печатного узла ввиду целенаправленного учета механических, тепловых и СВЧ характеристик.
Заключение
Цель комплексного учета внешних воздействий на элементы конструкций радиоэлектронных средств - многокритериальное принятие решений в условиях риска на основе интеграции мультиагентного, имитационного, эволюционного моделирования и численных методов для плохо обусловленных систем линейных уравнений большой размерности с целью учета влияния внешних факторов на работу РЭС.
Для решения данной задачи требуется создание математической модели проблемы принятия управленческих решений на основе интеграции методов мультиагентного, имитационного, эволюционного моделирования и численных методов.
Далее задача оптимального проектирования сводится к оптимизации модели, т.е. к выбору таких ее параметров, которые свели бы к минимуму целевую функцию при заданных условиях и ограничениях.
157
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
В большинстве практических случаев задача сводится к улучшению параметров конструкции по сравнению с базовым вариантом. Целенаправленный поиск путей улучшения параметров осуществляется посредством моделирования.
Предложенная методика и ее дальнейшее развитие позволят получить в интерактивном режиме конструирования более оптимальный вариант компоновки печатного узла ввиду целенаправленного учета механических, тепловых и СВЧ характеристик.
Рассматриваемая схема взаимодействия моделей позволяет более эффективно и рационально организовать проектные работы, что в конечном счете направлено на повышение качества изделий.
Список литературы
1. Алмаметов, В. Б. Информационные технологии проектирования. Методология разработки и проектирования РЭС : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - 76 с.
2. Горячев, Н. В. Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. А. Рыжов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4. - С. 24-29.
3. Таньков, Г. В. Механические и тепловые воздействия на РЭС / Г. В. Таньков, Н. В. Горячев, И. И. Кочегаров // Молодой ученый. - 2015. - № 1. - С. 112-113.
4. Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / И. И. Кочегаров, И. В. Ханин, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков, В. Б. Алмаметов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 3
(27). - С. 105-114.
5. Ненашев, А. П. Конструирование радиоэлектронных средств : учеб. для радиотехн. спец. вузов / А. П. Ненашев. - М. : Высш. шк., 1990.
6. Авакян, А. А. Создание отказоустойчивых систем электроники на основе управляющей избыточности / А. А. Авакян, Н. К. Юрков // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество» : в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 369-375.
7. Маквецов, Е. Н. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры : учеб. для вузов / Е. Н. Маквецов, А. М. Тартаковский. - М. : Радио и связь, 1993.
8. Увайсов, С. У. Метод теплового диагностирования латентных технологических дефектов радиоэлектронной аппаратуры и ее тепловая диагностическая модель / С. У. Увайсов, С. П. Сулейманов, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 4 (28). - С. 109-118.
Кочегаров Игорь Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет E-mail: ico@mail.ru.
Горячев Николай Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет E-mail: ra4foc@mail.ru
Kochegarov Igor' Ivanovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of radio equipment design and production,
Penza State University
Goryachev Nikolay Vladimirovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of radio equipment design and production,
Penza State University
158
Техника, технология, управление
Гришко Алексей Константинович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования
Grishko Aleksey Konstantinovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of radio equipment design and production,
Penza State University
и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет
E-mail: alexey-grishko@rambler.ru
УДК 621.396; 621.8 Кочегаров, И. И.
Выбор оптимального варианта построения электронных средств / И. И. Кочегаров, Н. В. Горячев, А. К. Гришко // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 2 (10). - C. 153-159.
