Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ УСТРОЙСТВ И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ / 16
Проблемы проектирования низковольтных комплектных устройств с учетом дестабилизирующих факторов 16
Анализ современных программных комплексов, используемых для проектирования низковольтных комплектных устройств 19
1.3. Исследование методов и математических моделей для анализа
низковольтных комплектных устройств 30
Основные задачи исследования 54
Выводы по главе 1 57
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДА
ПРОЕКТИРОВАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ УСТРОЙСТВ В
УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ 58
2.1. Структура процесса проектирования низковольтных комплектных
устройств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов 58
Моделирование и оптимизация низковольтных комплектных устройств при гармонической вибрации 69
Моделирование и оптимизация низковольтных комплектных устройств при ударе и линейном ускорении 83
Моделирование и оптимизация конструкций низковольтных комплектных устройств при случайном воздействии 84
Моделирование и оптимизация конструкций низковольтных комплектных устройств при акустическом воздействии 85
Моделирование и оптимизация конструкций низковольтных комплектных устройств при тепловом воздействии 86
2.7. Разработка метода проектирования низковольтных комплектных
устройств в условиях воздействия дестабилизирующих факторов 111
Получение функций параметрической чувствительности 120
Выводы по главе 2 122
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ
АНАЛИЗА НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ УСТРОЙСТВ В
УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ 123
3.1. Организация и структура автоматизированной подсистемы «ЭЛЕКТРО-
ДЕСТАБ» 123
3.2. Структура входных и выходных данных подсистемы «ЭЛЕКТРО-
ДЕСТАБ» 128
3.3. Алгоритм автоматического синтеза моделей тепловых и механических
процессов низковольтных комплектных устройств 132
3.4. Методика идентификации параметров тепловых и механических
моделей низковольтных комплектных устройств 153
3.5. Выводы по главе 3 160
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ
СТОЙКОСТИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ УСТРОЙСТВ К
ВОЗДЕЙСТВИЮ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ 161
Структура методики анализа и обеспечения стойкости низковольтных комплектных устройств к воздействию дестабилизирующих факторов 161
Экспериментальная проверка разработанных моделей и методики 186
4.3. Методика обучения работе с подсистемой при проведении научно-
исследовательских работ 191
4.4. Выводы по главе 4 193
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 194
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 197
ПРИЛОЖЕНИЯ 206
Введение к работе
Низковольтные комплектные устройства (НКУ) применяются для управления, распределения, трансформации, защиты, измерения и сигнализации. НКУ являются неотъемлемыми составными частями структуры всех современных электротехнических систем и комплексов промышленных и сельскохозяйственных предприятий, транспортных средств, аэрокосмической техники, морских и речных судов, служебных и жилых зданий, специальной техники и т.п., в связи с чем, они должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование в широком диапазоне внешних воздействий. Все большее число НКУ применяются индивидуального исполнения. Документация НКУ, по которой заводом изготавливается изделие, полностью соответствует документации потребителя (организации разработчика) этих НКУ в отношении: состава аппаратов; приборов устройств; схем электрических соединений, а также габаритов, маркировки, расположения блоков зажимов. В процессе эксплуатации НКУ подвергаются интенсивному воздействию климатических, тепловых, механических и прочих факторов.
Жесткие условия эксплуатации сильно влияют на работоспособность и надежность работы НКУ. Подавляющее большинство отказов НКУ связано с механическими воздействиями, которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций - ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы системы электроснабжения (СЭС). Кроме того, к нарушениям прочности часто приводит накопление усталостных повреждений в материале конструкции и его разрушение. Отказы, связанные с потерей механической прочности, выявляются на завершающих этапах разработки, и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что, в конечном итоге, сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ.
5 Во многих организациях разработчики НКУ затрачивают на
проектирование до 5-7 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки
создания опытных образцов, освоение их серийного выпуска и первые годы
эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых
является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок как
к простым, так и к системным отказам, а также самих системных отказов
(обуславливаются комплексным воздействием дестабилизирующих факторов).
Причины такого положения лежат в недостатках процессов проектирования и
отработки создаваемых образцов, связанных, в первую очередь, с
недостаточным уровнем развития автоматизированных методов
проектирования, базирующихся на комплексном (учет наиболее существенных
взаимных связей) математическом моделировании разнородных физических
процессов в электротехнических системах и интегрирующихся с методологией
современных информационных технологий проектирования наукоемкой
продукции - СЖ-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support),
реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного
цикла изделия.
Применение компьютерного моделирования механических процессов, протекающих при эксплуатации электротехнических систем, позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций НКУ и уменьшить себестоимость и время проектирования.
Актуальность моделирования на механические воздействия возрастает с каждым днем, так как, с одной стороны, повышается интенсивность механических воздействий, а, с другой стороны, сокращается время, отводимое разработчику на проектирование.
Одной из особенностей НКУ является наличие в них тепловыделяющих элементов, температура которых, при большой мощности, может достигать достаточно высоких значений, оказывая влияние и на механические характеристики конструкций, поскольку от температуры зависят такие физико-
механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь (логарифмический декремент затухания колебаний), предел усталости. Отсюда следует, что моделирование НКУ при механических воздействиях необходимо производить с учетом тепловых характеристик.
Компьютерное моделирование тепловых и механических процессов в НКУ требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в печатных узлах (ПУ) тысяч электрорадиоизделий (ЭРИ), тепловые и механические характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексного характера приложения тепловых и механических воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.
Существующие специализированные программы моделирования тепловых и механических процессов в НКУ не учитывают всех вышеизложенных факторов, недостаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкциях НКУ, не позволяют построить всю иерархию конструкций НКУ от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии НКУ, например, от блока к ПУ.
Для моделирования тепловых и механических процессов в несущих конструкциях НКУ применяются следующие универсальные САЕ-системы: NASTRAN, COSMOS-M, MARC, ANSYS и т.д.
Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области тепла и прочности, неразбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому данным специалистам требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем возникает множество итераций по согласованию результатов моделирования
7 между проктировщиком и разработчиком. За это время разработчик при
наличии удобного инструмента мог уже перебрать множество вариантов,
работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от
подобной практики и передать вопросы моделирования разработчику. Однако
для этого разработчик помимо пользовательских навыков работы с
универсальной системой автоматизированного моделирования (САЕ-система)
должен обладать глубокими теоретическими знаниями в области математики
метода конечных элементов и физики протекания механических процессов в
конструкциях НКУ. Подготовка такого специалиста, сочетающего в себе
знания конструктора, аналитика-проектировщика и пользователя САЕ-
системой, требует значительных временных и финансовых затрат, что,
учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в
современных условиях, неэффективно. Однако даже наличие
высококвалифицированного разработчика не решает проблемы моделирования
тепловых и механических процессов в конструкциях НКУ. Использование
компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную
модель несущей конструкции, провести сбор входных данных, осуществить
ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель САЕ-системы,
произвести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным
результатам. В результате время, потраченное на моделирование изделия,
может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить, что
большую часть времени, потраченного на моделирование, занимает ввод
конструкции НКУ в САЕ-систему и анализ результатов моделирования.
Выход из сложившегося положения заключается в разработке специализированных средств компьютерной графики, позволяющих разработчику НКУ в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.
Решением задачи моделирования тепловых и механических процессов в
8 конструкциях НКУ занимались такие специалисты как Крищук В.Н., Шалумов
А.С, Фадеев О.А. и другие. Но в данных работах детально не рассматривались
вопросы повышения эффективности моделирования конструкций НКУ
средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных
и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями
по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской
базы.
Таким образом, исследования, проведенные в диссертации, показали, что в настоящее время информационная технология проектирования НКУ с учетом дестабилизирующих тепловых и механических факторов развита недостаточно. Не выполняются требования, указанные выше, или выполняются не полностью, а главное - отсутствует необходимая для практической реализации данной информационной технологии проблемно-ориентированная система. Другими словами, актуальной является разработка и внедрение автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов на базе нового метода проектирования НКУ.
Целью работы является создание нового метода проектирования НКУ, соответствующих требованиям нормативных документов, с учетом тепловых и механических воздействий, сокращающего сроки проектирования НКУ и стоимость их разработки.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
Исследование особенностей НКУ и условий их эксплуатации с учетом дестабилизирующих факторов.
Исследование и классификация доступных систем автоматизированного проектирования (САПР).
Исследование и анализ информационных потоков, возникающих в процессе конструкторско-технологического проектирования НКУ.
Разработка структуры комплексной электронной модели НКУ с
9 учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей физических
процессов, протекающих в НКУ.
С этой целью необходимо провести исследование информационных
потоков, возникающих в процессе кон структорско-технологического
проектирования и математического анализа НКУ. Выделить макромодели
физических процессов, протекающих в НКУ, и систематизировать их
параметры. Осуществить интеграцию макромоделей отдельных физических
процессов в рамках комплексной электронной модели с определением
взаимосвязей между ними посредством метода обмена данными в соответствии
с принципами стандарта STEP.
Разработка методики обмена данными между компонентами комплексной электронной модели НКУ.
Построение структуры сквозной интегрированной САПР с учетом дестабилизирующих факторов на базе комплексной электронной модели НКУ.
Разработка методики автоматизированного сквозного проектирования и анализа НКУ с учетом дестабилизирующих факторов, базирующейся на созданной комплексной электронной модели НКУ.
Для решения поставленных задач используется теория системного анализа, прикладной механики, методы вычислительной математики и компьютерной графики.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы.
В первой главе исследованы особенности НКУ с точки зрения их проектирования и эксплуатации. Показано, что НКУ, как объект проектирования, представляет собой сложную как в схемотехническом, конструкторско-технологическом, так и в плане надежности, систему, подвергающуюся широкому спектру воздействий дестабилизирующих факторов. Для НКУ характерно протекание нескольких взаимосвязанных физических процессов, характер протекания и взаимодействия которых в
10 значительной степени определяет показатели технического уровня.
Выполнен анализ современных программных средств, используемых в процессе разработки НКУ. Показано, что большинство программных средств не имеет свойств, учитывающих наиболее важные особенности построения и эксплуатации НКУ. Кроме этого, показано, что в программных средств отсутствуют интегрированные среды, позволяющие вести разработку НКУ с использованием комплексной электронной модели, отражающей методологию их разработки.
Во второй главе разработаны математические модели конструкций НКУ при воздействии гармонической и случайной вибрации, ударов, линейных ускорений и акустических шумов, которые в отличие от существующих учитывают нелинейный характер изменения демпфирующих характеристик конструкционных материалов НКУ. Разработаны математические модели конструкций НКУ при тепловом воздействии, которые в отличие от существующих позволяют построить комплексную электронную модель НКУ с учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей тепловых и механических процессов, протекающих в НКУ.
Для решения многомерных задач безусловной оптимизации конструкций НКУ выбран метод Нелдера-Мида (метод прямого поиска) как наиболее эффективный с точки зрения быстродействия.
Предложен новый вид целевой функции, представляющей собой интегральное отклонение механических характеристик от их допустимых значений с учетом случайного характера разброса параметров, и возможностью снижения массы конструкции при обеспечении требований НТД по механическим характеристикам.
Разработан метод проектирования НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, отличающийся от существующих возможностью обоснованно осуществлять при проектировании параметрический и структурный синтез конструкции, стойкой к механическим
и тепловым воздействиям.
Получены функции параметрической чувствительности для определения путей наиболее рационального изменения конструкций НКУ с целью обеспечения тепловых и механических характеристик ЭРИ.
В третьей главе разработана структура автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» на базе комплексной электронной модели НКУ, отличающаяся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования тепловых и механических процессов в конструкциях НКУ в конечно-элементной среде и обеспечивающая удобный проектировщику НКУ язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода.
Осуществлена интеграция макромоделей отдельных физических процессов в рамках комплексной электронной модели с определением взаимосвязей между ними посредством метода обмена данными в соответствии с принципами стандарта STEP.
Разработаны алгоритмы автоматического синтеза моделей тепловых и механических процессов НКУ, позволяющие проектировщику оперативно осуществлять ввод и редактирование.
Разработана методика идентификации параметров тепловых и механических моделей НКУ, позволяющая получить необходимые теплофизические и физико-механические параметры моделей тепловых и механических процессов НКУ.
В четвёртой главе разработана методика анализа и обеспечения стойкости НКУ к воздействию дестабилизирующих факторов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости НКУ к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам.
12 Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на
адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению
технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям
нормативно-технической документации по тепловым и механическим
характеристикам, сокращению сроков и стоимости их создания за счет
формирования нового метода проектирования НКУ.
Разработанная методика предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций НКУ и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, в общем, по сравнению с использованием универсальной САЕ-системы, составляет до 95% на ввод и редактирование конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя.
Рассмотрены примеры применения разработанной методики и проведена экспериментальная проверка разработанных моделей и метода.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке:
Имитационных и математических моделей конструкций НКУ с учетом гармонической и случайной вибрации, ударов, линейных ускорений и акустических шумов, которые в отличие от существующих учитывают нелинейный характер изменения демпфирующих характеристик конструкционных материалов НКУ, и математических моделей конструкций НКУ при тепловом воздействии, которые в отличие от существующих позволяют построить комплексную модель НКУ с учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей тепловых и механических процессов, протекающих в НКУ, а также структуры комплексной модели НКУ с учетом дестабилизирующих факторов на основе макромоделей физических процессов, протекающих в НКУ на принципах СALS-технологии.
Метода проектирования НКУ с учетом дестабилизирующих факторов, отличающегося от существующих возможностью обоснованно осуществлять
13 при проектировании параметрический и структурный синтез конструкции,
стойкий к механическим и тепловым воздействиям.
Структуры автоматизированной подсистемы анализа НКУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» на базе комплексной модели НКУ, отличающейся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования тепловых и механических процессов в конструкциях НКУ в конечно-элементной среде и обеспечивающей удобный проектировщику НКУ язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода.
Методики анализа и обеспечения стойкости НКУ к воздействию дестабилизирующих факторов, позволяющей в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости НКУ к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам.
Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданных методических и программных средств позволяет повысить эффективность моделирования и проектирования НКУ, обеспечить более высокие показатели технического уровня разрабатываемых НКУ, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам, сократить сроки и стоимость их создания за счет созданного нового метода проектирования НКУ.
Для освоения разработанного программного и методического обеспечения требуется не более 8 рабочих дней, в то время как освоение универсальных САЕ-систем требует несколько месяцев и более.
Разработанные в диссертации модели, метод, алгоритмы, подсистема, методики внедрены в практику проектирования Особого конструкторского бюро Ижевского радиозавода (г. Ижевск) (Приложение 1) и Производственно-
14 Торгового Предприятия «Электромонтаж-Экспорт» (г. Варшава) (Приложение
2).
Основные результаты диссертационной работы были доложены на XVI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2005 г.); на I Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г. Пенза, 2005 г.); на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (г. Москва, 2004 г.); на VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 2003 г.); на Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2003 г.); на XIX Международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики» (г. Йошкар-Ола, 2002 г.).
Практическая реализация результатов диссертационной работы в виде автоматизированной подсистемы анализа НКУ с учетом дестабилизирующих факторов «ЭЛЕКТРО-ДЕСТАБ» была представлена на:
V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 2005 г.)
IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-НАУКА 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО (г. Москва);
Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004 (г. Москва).
На V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций, который проходил 15 - 18 февраля 2005 г. во Всероссийском выставочном центре данная работа в конкурсе инновационных проектов получила
*
15 серебряную медаль.
По материалам диссертационных исследований опубликовано 5 научных
работ.
Похожие диссертации на Оптимизация методов проектирования низковольтных комплектных устройств с учетом дестабилизирующих факторов
