Введение к работе
Актуальность работы. Многие виды электронной аппаратуры (ЭА), устанавливаемой на подвижных объектах, в период эксплуатации подвергаются дестабилизирующим механическим воздействиям - ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам.
Для аппаратуры ракетной и авиакосмической техники» а также некоторых видов наземных транспортных средств, характерно воздействие широкополосной вибрации. Максимальная частота воздействующей вибрации может достигать 2000 Гц, что приводит к возникновению резонансных колебаний ячеек ЭА -электромонтажных плат с установленными на них электрорадиоэлементами (ЭРЭ). Это приводит к увеличению амплитуд колебаний в десятки раз и значительному увеличению интенсивности отказов ЭА за счет механических разрушений и искажений параметров электрических сигналов. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов конструкций ЭА или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач при проектировании многих видов ЭА.
Исследования в области виброзащиты аппаратуры проводились в России В.Н. Челомеем, М.З. Коловским, B.C. Ильинским, Е.Н. Маквецовым, Е.Н. Талиц-ким, A.M. Тартаковским, Н.Н. Абжирко, Э.Б. Слободником, Ю.Н. Кофановым, А.Н. Чекановым, Ю.А. Суровцевым и другими авторами. В США, Германии, Японии и других странах наиболее известны работы J.E. Ruzichka, D.S. Steinberg, A.D. Nashif, E.M. Kerwin и других.
Обычно задачи уменьшения амплитуд резонансных колебаний (АРК) решаются частотной отстройкой или увеличением демпфирующих свойств ячеек. Однако полное устранение резонансных колебаний частотной отстройкой при воздействии вибрации в диапазоне частот до 2000 Гц практически невозможно. Полная заливка ячеек ЭА полимерными компаундами, которая могла бы решить эту задачу, приводит к увеличению массы конструкции, ухудшению ремонтопригодности и тепловых режимов. Поэтому, все большее применение находит способ уменьшения амплитуд резонансных колебаний, основанный на применении полимерных демпферов из специальных, вибропоглощающих, материалов, которые могут выполняться в виде слоев, наносимых на конструкции, демпфирующих ребер, высокодемпфированных динамических гасителей колебаний и вставок. Перспективно применение демпфирующих вставок (ДВ), т.к. установка их между параллельно расположенными ячейками ЭА в блоке позволяет уменьшить АРК в 5-20 раз и практически не увеличивает массу и габариты изделия.
Расчет простейших конструкций прямоугольной формы с ДВ и с моделями крепления типа жесткого защемления, свободного опирання или свободного края на гармоническое и случайное вибрационное воздействие может проводиться на основе аналитических выражений. Эти методы рассмотрены в работах Е.Н. Талицкого и его учеников. Проектирование конструкций со сложной формой и типами креплений вызывает необходимость применения методов численного моделирования, среди которых наиболее эффективным является метод конечных элементов, требующий применения вычислительной техники. Поэтому при использовании метода конечных элементов применяют системы автоматизирован-
ного проектирования (САПР).
Эти САПР можно разделить на универсальные и специализированные. Среди универсальных САПР можно выделить систему конечно-элементного анализа (СКЭА) ANSYS, позволяющую проводить динамический анализ механических конструкций и обеспечивать импорт-экспорт проектов с большинством известных систем инженерного конструирования. Однако применение СКЭА ANSYS требует значительных затрат времени на подготовку данных для расчета, что затрудняет ее использование. Кроме того, существующие системы конечно-элементного анализа в явном виде не предназначены для расчета конструкций с полимерными демпферами. В них предусмотрена только возможность учета зависимости упругих и демпфирующих свойств вибропоглощающих полимеров от температуры, а зависимость свойств этих материалов от частоты вибрации не учитывается.
Среди специализированных САПР в настоящее время наиболее известна «АСОНИКА-ТМ». Достоинства этой системы заключаются в учете взаимного влияния тепловых и механических факторов, в наличии единого виртуального макета изделия, импорта его из САПР печатных плат (ПП) и в возможности использования ребер жесткости в качестве виброзащиты ячеек; доступны расчеты как на гармоническое, так и на случайное вибрационное воздействие. Однако в данной САПР не предусмотрена возможность расчета виброзащиты конструкций ЭА на основе полимерных демпферов (ПД). В качестве математического аппарата используется метод конечных разностей, что снижает возможности использования программы.
Эти вопросы решены в «Комплексе программ анализа механических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру» (далее - Комплекс программ), разработанном во Владимирском государственном университете, в котором реализовано проектирование основных способов виброзащиты, в том числе и с применением ПД, и который использует систему конечно-элементного анализа ANSYS в качестве вычислителя.
Этот Комплекс программ, используемый в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров, позволяет определять собственные частоты колебаний (СЧК) и амплитуды резонансных колебаний, разрабатывать конструкции с ребрами жесткости и полимерными демпферами в виде внутренних и внешних слоев и демпфирующих ребер, оптимизировать конструкции методом частотной отстройки. Однако в этой САПР не предусмотрен расчет ячеек ЭА с демпфирующими вставками, не представлены инструменты для расчета конструкции на случайное вибрационное воздействие, не реализован полный цикл анализа проектируемой ЭА от создания ячейки в САПР печатных плат (P-CAD, Altium Designer и др.) до анализа на виброзащищенность в САПР ANSYS.
Поэтому, расширение функциональных возможностей Комплекса программ для автоматизации проектирования виброзащиты ячеек электронной аппаратуры сложной формы демпфирующими вставками является акту&тьной задачей.
Целью диссертационной работы является сокращение сроков проектирования ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие задачи:
проанализировать методы расчета динамических характеристик ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях;
разработать пре- и постпроцессорную среду для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях;
интегрировать разработанную пре- и постпроцессорную среду для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками с САПР печатных плат Altium Designer и Комплексом программ анализа механических воздействий на РЭА;
создать алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;
разработать методику создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками.
Методы исследования основываются на методах теории алгоритмов, теории САПР, методах вычислительной математики, прикладной механики, теории колебаний, теории эксперимента, динамической теории полимеров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками на основе интеграции программы проектирования печатных плат Altium Designer, Комплекса программ анализа механических воздействий на РЭА и системы конечно-элементного анализа ANSYS;
разработан алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;
разработана методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек при гармонической и случайной вибрациях с применением системы конечно-элементного анализа ANSYS.
Практическая значимость:
1. Разработана САПР ячеек электронной аппаратуры сложной формы с
демпфирующими вставками, которая позволяет:
определять собственные частоты и амплитуды резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;
оптимизировать параметры демпфирующих вставок в ячейках электронной аппаратуры сложных форм и креплений.
2. САПР может применяться в проектных организациях, занимающихся
разработкой электронной аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах
и эксплуатируемой в условиях воздействия вибраций в широком диапазоне час
тот.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты использованы при выполнении госбюджетной НИР №427/08 «Исследование методов защиты электронньк средств от механических воздействий» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета. Результаты диссертационной работы используются в НПП «Дельта» г. Москва в научно-исследовательских работах предприятия и в НПФ «Адгезив» г. Владимир для определения требований к динамическим характеристикам вибропоглощающих полиуретанов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2008 и 2009), «Инновационные технологии в проектировании и производстве» (Пенза, 2011), «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир-Суздаль, 2011); на II Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» (Муром, 2009) и семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.
Получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2010611652. (заявка №2009616668, дата поступления 24.11.2009г., зарегистрировано 01.03.2010г.) и №2010615876. (заявка №2010615876, дата поступления 27.09.2010г., зарегистрировано 18.11.2010г.).
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 10 научных работах, в том числе 2 статьи по специальности 05.13.12 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 184 страницы, в том числе: 106 страниц основного текста, иллюстрированных 61 рисунком и 10 таблицами, 11 страниц списка литературы, а также 11 приложений.
