Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние графических интерфейсов и баз данных для моделирования блоков и печатных электронных приборов
1.1. Проблемы моделирования механических и тепловых процессов в блоках и печатных платах электронных приборов
1.2. Анализ современных графических интерфейсов и баз знаний, используемых для моделирования электронных приборов
1.3. Основные задачи исследования 34
1.4. Выводы 41
Глава 2. Разработка методики визуализации исходных данных и результатов моделирования блоков и печатных плат электронных приборов при тепловых и механических воздействиях
2.1. Структура процесса визуализации исходных данных и результатов моделирования ЭП
2.2. Выбор сетки в зависимости от точности и времени расчета 46
2.3. Идентификация физико-механических параметров 49
2.4. Информационные модели несущих конструкций ЭП с точки зрения визуализации результатов моделирования
2.5. Метод визуализации исходных данных и результатов моделирования ЭП при комплексных тепловых и механических воздействиях
2.6. Выводы 71
Глава 3. Разработка автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений электронных приборов при комплексных тепловых и механических воздействиях
3.1. Организация и структура автоматизированной подсистемы АЛЬФА-М
3.2. Организация и структура автоматизированной подсистемы АЛЬФА-ТМ
3.3. Структура входных и выходных данных подсистем АЛЬФА-ТМ и АЛЬФА-М
3.4. Алгоритмы графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов ЭП
3.5. Расчет систем линейных алгебраических уравнений усовершенствованным методом LU-разложения
3.6. Организация и структура справочной базы данных 108
3.7. Выводы 112
Глава 4. Разработка метода синтеза и анализа проектных решений электронных приборов при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе графических интерфейсов
4.1. Структура метода синтеза и анализа проектных решений ЭП при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе графических интерфейсов
4.2. Пример применения метода синтеза и анализа проектных решений ЭП при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе графических интерфейсов
4.3. Внедрение результатов диссертационной работы 124
4.4. Выводы 125
Заключение 127
Литература 130
- Проблемы моделирования механических и тепловых процессов в блоках и печатных платах электронных приборов
- Идентификация физико-механических параметров
- Организация и структура справочной базы данных
- Внедрение результатов диссертационной работы
Введение к работе
На многих отечественных предприятиях разработчики блоков и печатных плат электронных приборов (ЭП) 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 ЭП и интегрирующихся с методологией современных информационных технологий проектирования наукоемкой продукции - СЛ/^-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия.
Жесткие условия эксплуатации сильно влияют на работоспособность и надежность работы ЭП. Подавляющее большинство отказов блоков и печатных плат электронных приборов связано с тепловыми и механическими воздействиями [1-3], которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций - ускорений, перемещений, напряжений и температур электрорадиоиз-делий (ЭРИ), что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы ЭП [4-7].
Кроме того, к нарушениям прочности блоков и печатных плат электронных приборов часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРИ и их разрушение [8].
Отказы, связанные с потерей механической и тепловой прочности и устойчивости ЭП, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ. Проектирование современных блоков и печатных плат электронных приборов в заданные сроки и в соответствии с требованиями НТД по механическим и тепловым характеристикам, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий.
Применение компьютерного моделирования тепловых и механических процессов, протекающих при эксплуатации блоков и печатных плат электронных приборов, позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций ЭП, сроки и затраты на проектирование [9,10].
Компьютерное моделирование механических и тепловых процессов в ЭП требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в печатных платах (1111) тысяч ЭРИ, механические и тепловые характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексного характера приложения механических и тепловых воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.
Существующие специализированные программы моделирования механических и тепловых процессов в приборах и системах не учитывают всех вышеизложенных факторов, не достаточно развиты применительно к моделированию блоков и печатных плат электронных приборов, не позволяют построить всю иерархию конструкций от блока до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии, например, от блока к 1Ш.
Для моделирования механических и тепловых процессов в несущих кон-
струкциях приборов и систем 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 прочности и тепла, не разбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому прочнисту и тепловику требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем возникает множество итераций по согласованию результатов моделирования между расчетчиком и разработчиком. За это время разработчик при наличии удобного инструмента — графического интерфейса ввода конструкции — вывода тепловых и механических полей, построенного на основе предложенной в данной работе 3-D:модели визуализации тепловых и механических процессов, - мог уже перебрать множество вариантов, работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от подобной- практики и передать вопросы моделирования разработчику. Однако для этого конструктор ЭП помимо пользовательских навыков работы с универсальной САЕ-системой должен обладать глубокими теоретическими знаниями в области математики метода конечных-элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в конструкциях блоков и печатных плат электронных приборов. Подготовка разработчика ЭП; сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика 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 моделированиямеханических и тепловых процессов в конструкциях ЭП. 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 вре-
і t
мя, потраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить, что большую часть времени, потраченного на моделирование, занимает ввод конструкции приборов и систем в САЕ-систему и анализ результатов моделирования.
Выход из сложившегося положения заключается в разработке специализированных средств компьютерной графики - 3-D модели визуализации тепло-вых и механических процессов, составляющих основу графических интерфейсов для моделирования ЭП и позволяющих разработчику приборов и систем в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.
Значительную роль в развитии методов автоматизированного проектирования приборов и систем и информационных технологий сыграли работы Но-ренкова И.П. [11-16], Вермишева Ю.Х. [17], Зарудного Д.И. [18-20], Гридина В.Н. [21], Новикова Е.С. [9, 22-26], Редкозубова С.А. [27], Петрова Г.М. [28], Моисеева Н.Н. [29], Солодовникова И.В. [30], Деньдобренько Б.Н. [31], Кузнецова О.А., Сергеева B.C. [32, 33] и др. [34-40]. Первые работы вшаправлении автоматизации расчета механических характеристик конструкций приборов и систем за рубежом принадлежат американскому ученому Стейнбергу Д.С. [41].
Решением задачи моделирования механических и тепловых процессов в
конструкциях приборов и систем занимались специалисты Маквецов Е.Н. [42,
43], Тартаковский A.M. [42, 44], Кофанов Ю.Н. [9,45-51], Кожевников A.M. [51,
52], Крищук В.Н. [53], Шалумов А.С. [10,45,47-50,54-60,61-63], Фадеев О.А.
" [61-65] и др. Но в данных работах детально не рассматривались вопросы по-
вышения эффективности моделирования конструкций приборов средствами
v инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных и специа-
лизированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы, что по сути дела представляет собой графические интерфейсы для моделирования
8 блоков и печатных плат электронных приборов.
Таким образом, актуальным является разработка и применение 3-D модели визуализации тепловых и механических процессов для синтеза и анализа проектных решений ЭП при комплексных тепловых и механических воздействиях, составляющих основу графических интерфейсов для моделирования ЭП.
Целью работы является исследование и разработка 3-D модели визуализации тепловых и механических процессов для синтеза и анализа проектных решений, что позволит повысить надежность разрабатываемых блоков и печатных плат электронных приборов, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам, и сократить сроки и стоимость их создания.
Для реализации цели данной задачи необходимо решить следующие задачи:
Анализ особенностей несущих конструкций ЭП и современных процессов моделирования механических и тепловых процессов при проектировании ЭП.
Разработка информационных моделей типовых и нетиповых несущих конструкций.
Разработка метода визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций ЭП при комплексных тепловых и механических воздействиях.
Разработка алгоритмов графических интерфейсов на основе 3D модели визуализации тепловых и механических процессов для синтеза моделей механических и тепловых процессов типовых и нетиповых конструкций блоков ЭП.
Практическая реализация алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений ЭП при комплексных механических и тепловых воздействиях.
Разработка справочной базы данных (БД) по параметрам ЭРИ и параметрам
материалов конструкций ЭП.
Разработка метода моделирования комплексных механических и тепловых процессов в блоках и печатных платах электронных приборов на основе графических интерфейсов.
Внедрение созданного метода моделирования комплексных механических и тепловых процессов в блоках и печатных платах электронных приборов на основе графических интерфейсов в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.
Для решения поставленных задач используется теория системного анализа, прикладной механики, методы вычислительной математики и компьютерной графики.
Проблемы моделирования механических и тепловых процессов в блоках и печатных платах электронных приборов
Круг задач, решаемых с помощью ЭП, с каждым годом расширяется, а их сложность возрастает. Практически все современные автоматизированные технические системы и объекты имеют электронные устройства, осуществляющие функции управления, регулирования, координации и связи. Это привело к тому, что оснащённость электронной аппаратурой таких объектов, как корабли, самолёты, спутники, чрезвычайно возросла, и отказ в работе хотя бы одного из устройств может привести к отказу всего объекта. Поэтому требования к надёжности ЭП всё время возрастают.
На многих отечественных аппаратостроительных предприятиях разработчики ЭП затрачивают на проектирование до 5-7 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки создания опытных образцов ЭП, 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 на аппаратуру). Причины такого положения лежат в недостатках процессов проектирования и отработки создаваемых образцов ЭП, 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 ЭП и интегрирующихся с методологией современных информационных технологий проектирования наукоемкой продукции — СЛІ -технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия.
Механические и тепловые воздействия вызывают от 30 до 50% отказов ЭП. Актуальность моделирования на механические и тепловые воздействия возрастает с каждым днем, так как, с одной стороны, повышается интенсивность механических и тепловых воздействий, а с другой стороны, сокращается время, отводимое разработчику на проектирование.
Конструкции ЭП обычно подвержены вибрационным воздействиям в-диапазоне от 20 до 2000 Гц [66], при этом уровень ускорений гармонической вибрации и среднеквадратических ускорений случайной вибрации может достигать 50 g, которые имеют тенденцию дальнейшего роста. В этих условиях часто не удается избавиться от резонансов в конструкции, что приводит к превышению допустимых ускорений ЭРИ, перемещений и напряжений в элементах конструкций.
Кроме вибрации, аппаратура может подвергаться ударным воздействиям, возникающим при транспортировке, монтаже или эксплуатации, при действии ударной волны и т.д. В процессе удара нагрузки к элементам аппаратуры прикладываются в течение короткого промежутка времени. Вследствие этого возникающие ускорения, перемещения и. напряжения элементов аппаратуры могут достигать больших значений и вызывать различные повреждения.
Помимо вибраций и ударов, конструкции ЭП могут быть подвержены воздействию линейных ускорений и акустических шумов.
Другая особенность ЭП заключается в наличии тепловыделяющих элементов в их конструкции. При большой мощности электрорадиоизделий их температура может достигать сотни и более градусов, оказывая влияние и на механические характеристики конструкций ЭП, поскольку от температуры зависят такие физико-механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь (логарифмический декремент затухания колебаний), предел усталости. Отсюда можно сделать вывод, что моделирование ЭП при меха 12 нических воздействиях необходимо производить с учетом тепловых характеристик.
Все вышесказанное полностью относится как непосредственно к печатным платам ЭП, так и к их несущим конструкциям - блокам. Причем необходимо отметить, что в большинстве случаев моделирование будущего изделия ЭП на механическую и тепловую прочность сводится- именно к моделированию ПП. Однако моделирование несущих конструкций также очень важно, в связи с тем, что: 1) воздействие на печатные платы передается именно через несущую конструкцию и 2) несущие конструкции обладают значительной массой, поэтому при оптимизации несущей конструкции можно сэкономить немалую часть массы всего изделия ЭП, что очень важно во многих отраслях, в частности, в самолетостроении.
Жесткие условия эксплуатации сильно влияют на работоспособность и надежность работы ЭП. Отказы, связанные с потерей механической и тепловой прочности ЭП выявляются на завершающих этапах разработки, и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что, в конечном итоге, сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ. Применение компьютерного моделирования механических и тепловых процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкции.и уменьшить се- « бестоимость и время проектирования.
Процессу внедрения компьютерного моделирования в практику конструирования ЭП препятствуют несколько факторов. Один из них - это высокие требования к пользователю программ моделирования. Освоение современных программ компьютерного моделирования ЭП, учитывая их многофункциональность, в малые сроки практически невозможно. Трата значительного объема времени на освоение программы моделирования, которая не является основным видом деятельности конструктора ЭП, с целью сокращения трудоемкости работ проектирования ЭП не окупаема и не целесообразна. Знание интерфейса программы моделирования еще не гарантирует получение адекватного результата. В дополнение к пользовательским навыкам необходимо добавить глубокие теоретические знания в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в конструкциях ЭП. Реализация решения различных прочностных и тепловых задач относительно легко доступна для пользователя, сочетающего в себе знания математики и физики соответствующих процессов. Для человека, не обладающего такими знаниями, выполнение данных задач, как показывает опыт, затруднительно. Таким образом, для успешного применения программ моделирования необходимо потратить время и деньги на обучение будущих специалистов, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров, в современных условиях неэффективно. Кроме этого необходимо время для того, чтобы специалист набрал необходимый опыт, который позволит ему понять, что можно получить средствами моделирования, а что невозможно, уметь сопоставлять реальный опыт с виртуальным представлением механического и теплового процесса. Общая схема моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях ЭП на предприятиях где это имеет место, представлена на рис. 1.1. В качестве посредника между конструктором ЭП и используемой системой моделирования зачастую выступает аналитик-расчетчик (прочнист или тепловик). В сложившейся ситуации, в виду своей несостоятельности, конструктор5 вынужден обращаться за помощью к расчетчику, что как показывает практика нерационально в виду большого количества итераций по отработке компьютерной модели конструкции на устойчивость или прочность. Объясняется это тем, что расчетчик не обладает спецификой проектирования ЭП и без участия разработчика ЭП не может грамотно предпринимать меры по повышению эксплуатационных возможностей конструкции, а конструктор далек от специфики профессии расчетчика и поэтому не может грамотно поставить задачу расчетчику. Аналитик-расчетчик и конструктор ЭП рассматривают один и то же объект разработки с двух совершенно разных позиций, и именно в сведении двух этих позиций в одну и заключается проблема внедрения компьютер 14 ного моделирования механических и тепловых процессов в практику проектирования ЭП.
Идентификация физико-механических параметров
Для большинства материалов несущих конструкций ЭП в справочной литературе отсутствуют необходимые для моделирования физико-механические параметры: модуль упругости и коэффициент Пуассона, плотность и коэффициент механических потерь (КМП), некоторые из которых в отдельных случаях могут сильно зависеть от температуры. Таким образом, требуется разработать метод идентификации параметров материалов конструкций ЭП.
В широком смысле идентификация - это установление соответствия между объектом, представленным некоторой совокупностью экспериментальных данных о его свойствах, и моделью объекта. В нашем случае требуется сопоставлением экспериментальных данных и данных математического моделирования определить неизвестные параметры материалов конструкций ЭП. Наиболее плодотворными и перспективными являются методы идентификации, построенные на принципе настраиваемой модели. Так как параметры материалов не зависят от вида механического воздействия, предлагается проводить идентификацию при гармонической вибрации.
Задача идентификации формулируется в следующем виде: необходимо найти такие значения параметров математической1 модели, которые удовлетворяют минимуму функции цели и лежат в области допустимых значений параметров, т.е. задача идентификации сводится к задаче оптимизации. Функция цели имеет вид: (Х) = Х(я0;,-яЛ/)2, (2.1)
где т — количество точек измерения по частоте; а0 ( и аР 1 — экспериментальное и расчетное значения виброускорения на /-й частоте.
Оптимизация может проводиться многими методами [69]. Однако здесь отсутствуют функциональные ограничения, что позволяет не использовать ме 50 тоды штрафных функций и ограничиться методами безусловной оптимизации.
Прямые ограничения выбираются из следующих соображений. По заданному материалу в справочнике находятся значения параметров и берется допуск ±20%. Это и есть ограничения. Если параметры не найдены в справочнике, то идентификация проводится несколько раз при разных диапазонах изменения параметра идентификации, при этом, каждый последующий раз необходимо сужать диапазон изменения.
Идентификация должна проводиться последовательно в определенном5 порядке, так как желательно? иметь как можно? меньше неопределенных параметров (в лучшем случае.— один). Эту последовательность можно проследить на конкретных примерах при идентификации: физико-механических параметров изделия: модуля упругости материала несущей конструкции и коэффициента Пуассона, КМП и коэффициента зависимости КМП от напряжения. Ряд параметров идентифицируется с учетом-температуры. Для учета погрешности измерений определение: температуры, и зависимости амплитуды виброускорения; от частоты гармонической вибрации повторяется несколько раз, а температура в эксперименте измеряется в нескольких точках платы и затем усредняется. Затем для значений экспериментально полученных вибровоздействий; и откликов на них определяются: математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, доверительный интервал. Затем находится погрешность выходного ускорения для каждого значения частоты как погрешность результатов косвенных измерений. Идентификация параметров материалов
Идентификация модуля; упругости и коэффициента Пуассона материала несущей конструкции ЭП:
1. Пластина из материала, идентичного используемому в несущей конструкции ЭП, жестко закрепляется винтами по четырем углам на столе вибростенда.
2. Экспериментально без нагрева определяется первая резонансная частота пластины. 3. С помощью изменения параметров производится настройка модели механического процесса исследуемой пластины на экспериментально определенную резонансную частоту. Варьируемыми параметрами при оптимизации являются модуль упругости и коэффициент Пуассона. Коэффициент жесткости опор принимается бесконечно большим (10 Н/м), так как винты максимально зажаты. Отсутствие данных по КМП не влияет на результаты идентификации, так как для определения модуля упругости и коэффициента Пуассона достаточно только совпадение резонансных частот и совсем не обязательно совпадение амплитуд виброускорений. Это связано с тем, что в модели платы КМП практически не влияет на резонансные частоты. Предполагается, что остальные параметры — геометрические размеры, плотность — известны.
4. Измерения по пункту 3 повторяются при трех значениях температуры поверхности пластины в диапазоне до + 85 С. Проводить идентификацию параметров при температуре окружающей среды Т 20 С особого смысла не имеет, тем более это очень трудоемко, так как при низких температурах жесткость конструкции повышается, и наихудшим в смысле жесткости является случай повышения температуры выше 20С. Кроме того, как показывают исследования, коэффициент Пуассона для большинства материалов практически не изменяется с повышением или понижением температуры в диапазоне - 50 С до + 85 С. Поэтому коэффициент Пуассона идентифицируется без нагрева.
5. По результатам идентификации строится зависимость модуля упругости от температуры. Далее по методу наименьших квадратов определяются коэффициент зависимости модуля упругости от температуры: Е = Е20 -КЕ(Т-20), (2.2)
где Е — модуль упругости; Е — модуль упругости при температуре 20 С; КЕ — коэффициент зависимости модуля упругости от температуры; Т — температу 52 Идентификация КМП:
1. Пластина из материала, идентичного используемому в несущей конструкции ЭП, жестко закрепляется винтами по четырем углам на столе вибростенда.
2. С датчика в центре пластины без нагрева снимается экспериментально зависимость амплитуды виброускорения от частоты.
Организация и структура справочной базы данных
При разработке автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений электронных приборов при комплексных тепловых и механических воздействиях был выбран подход, основанный на: применении интегрированного программного обеспечения важнейшую компоненту в кото-ромсоставляют системы управления базами: данных (СУБД).
Основной функцией любой СУБД является поддержка независимости, целостности и непротиворечивости: данных в условиях коллективного использования; Независимость данных понимается как способность СУБДІ создавать различные представления об одних и тех же хранимых данных, остающихся инвариантными к изменениям среды функционирования базы данных (БД).
Концепция БД позволяет создавать интегрированные информационные системы, поддерживающие сложные и разнообразные структуры объектов предметной области, содержащие большое число типов данных, значительные объемы информации, а также сделать реальной задачу обеспечения высокой достоверности обработки и хранения больших объемов данных.
За основу была взята методология проектирования информационных систем на основе концептуального (понятийного) моделирования предметной области. Эта методология представляет собой структурированный процесс создания систем, который обычно разбивается на следующие шаги: анализ, проектирование, программирование, тестирование, внедрение.
При концептуальном проектировании предметной области и применении технологии. БД- наиболее сложной задачей является выявление информационных и функциональных (динамических) связей между объектами реального мира.
Информационная структура предметной области содержит все объекты и их связи, которые необходимы для построения информационной системы (ИС), а функциональная структура определяет, каким образом используются» и обра-батываются эти объекты. Информационная и функциональная структуры совместно обеспечивают полную спецификацию информационной системы.
Создание ИС на основе методологии концептуального проектирования предполагает четыре этапа проектирования:
1)сбор и анализ информационных потребностей пользователей и системный анализ предметной области;
2) построение концептуальной (понятийной) модели предметной области;
3) создание концептуальной модели базы данных;
4) разработка системы с помощью инструментальных средств выбранной СУБД.
Первый очень важный этап разработки, так как именно здесь разработчики должны понять, что должна делать система, какие у нее особенности, какие ситуации предметной области должны моделироваться в базе данных.
На втором этапе разработчики системы должны определить устойчивые свойства данных и описать информационные и технологические процессы, использующие данные, их взаимосвязь и характеристики. Здесь основной задачей является получение формального (независимого от СУБД) описания предметной области, которая должна моделироваться в БД.
Основной проблемой третьего этапа является принятие решений о выделении из множества понятий концептуальной модели предметной области таких объектов, которые должны моделироваться в БД.
Результаты, полученные на первых трех этапах, имеют фундаментальный характер и не изменяются при развитии технической и программной базы ИС. Напротив, заключительный этап проектирования тесно связан с возможностями инструментальных средств конкретных СУБД. Данный этап в свою очередь разбивают на следующие шаги: логическое проектирование БД; физическое проектирование БД; реализация приложений.
Справочная часть БД разрабатываемой подсистемы предназначена для хранения-информации об ЭРЭ и материалах конструкций, которая необходима для проведения»моделирования механических процессов при комплексных тепловых и механических воздействиях. Поэтому справочная часть БД должна содержать:
1) параметры материалов конструкций;
2) параметры моделей ЭРИ для тепловых и механических процессов;
3) предельно-допустимые значения ускорений и температур ЭРИ, а также максимальные допустимые напряжения материалов, на основе которых может быть принято проектное решение;
4) параметры выводов ЭРИ для разных вариантов установки ЭРИ на печатную плату для расчета усталостных характеристик;
5) информацию об условном графическом изображении. ЭРИ на плоскости и в пространстве, для придания реалистичности отображения ПУ;
6) полные условные записи ЭРИ для быстрого поиска ЭРИ. Кроме этого СУБД должна обеспечивать:
1) максимально быстрый ввод параметров ЭРИ и материалов. Для этого основу БД должны составить модели вариантов установки ЭРИ, на основе которых, используя минимум параметров (размеры посадочного места и корпуса ЭРИ, сечения корпуса и выводов, параметры материалов выводов, клея или лака), автоматически рассчитываются остальные параметры (координаты, установки выводов, длины участков выводов, площадь поверхности, тепловое сопротивление крепления, теплоемкость элемента и т.д.);
2) возможность создания дополнительных таблиц, содержащих, например, электрические, надежностные и прочие параметры ЭРИ без участия программиста.
В-диссертации разработаны модели для расчета параметров ЭРИ для. различных вариантов установки, а также структура справочной БД по параметрам ЭРИ и материалам (рис. 3.16).
Основу БД составляют базовые таблицы, содержащие информацию обо всех необходимых параметрах ЭРИ и материалов для проведения моделирования конструкцийЭИ на комплексные тепловые и механические воздействия и принятия решения об обеспечении стойкости ЭП! к тепловым и механическим воздействиям.
Внедрение результатов диссертационной работы
Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при выполнении хоздоговорных и научно-исследовательских работ ... за период с 2004г. по 2007г.
Основные результаты работы внедрены в практику проектирования Российских предприятий: Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Коро 125 лев), Раменское проектное конструкторское бюро (г. Раменское Московской обл.), КБ ИГАС «Волна» (г. Москва), ГНИЙ Приборостроения (г. Москва), НИИ автоматической аппаратуры имени академика В.С.Семенихина (г. Москва), ОКБ Ижевского радиозавода (г. Ижевск).
Технический, экономический и социальный эффекты от внедрения результатов работы в практику проектирования конструкций ЭП обусловлен:
1. доступностью использованияразработанных программных средств конструктором; не имеющим специализированных знаний расчетчика;
2. возможностью.оперативно проводить синтез и анализ проектных решений ЭП при комплексных воздействиях, а также возможностью обеспечения устойчивости работы конструкций ЭП на базе представленных в данной работе программного и методического обеспечения;
3. повышением показателей надежности разрабатываемой аппаратуры ввиду уменьшения влияния человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, вследствие использования специализированных графических интерфейсов синтеза конструкций ЭП и визуализации результатов моделирования;
4. сокращением сроков и затрат проектирования конструкций ЭП с учетом требований НД по тепловым и механическим характеристикам за счет уменьшения количества промежуточных вариантов опытных образцов и снижения трудоемкости конструкторских работ.
Внедрения результатов диссертационной работы в практику проектирования предприятий и в учебный процесс высших учебных заведений подтверждены соответствующими актами внедрения, приведенными в Приложении. 4.4. Выводы
Основным научным и практическим результатом, полученным в данной главе, является метод синтеза и анализа проектных решений ЭП при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе графических интерфейсов, отличающаяся от существующих наличием доступного разработчику языка взаимодействия на базе графических интерфейсов автоматизированного синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций ЭП и универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости ЭП к комплексным тепловым и механическим воздействиям.
Разработанный метод уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.
Разработанный метод предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций ЭП 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.
Главным результатом работы является повышение показателей надежности разрабатываемых блоков и печатных плат электронных приборов, отвечающих требованиям нормативно-технической документации по тепловым и механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения средств компьютерной графики — 3-D модели визуализации тепловых и механических процессов для синтеза и анализа проектных решений.
Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем.
1. Исследованы особенности несущих конструкций ЭП с точки зрения моделирования.механических и тепловых процессов.
2. Разработаны информационные модели,типовых и нетиповых несущих конструкций таких как ПУ, разъем ПУ, шпилька, направляющая, внутренний элемент, ребро жесткости, корпус, лапка корпуса, контрольная точка; а также несущих конструкций: блок цилиндрического, кассетного, этажерочного и сложного этажерочного типов, шкаф, - с точки зрения визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций ЭП при комплексных» тепловых имеханических воздействиях.
3. Разработаны алгоритмы графических интерфейсов на основе 3-D моделей визуализации тепловых и механических процессов для- синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков ЭП, позволяющих конструктору в минимальные сроки собирать сложную модель несущей конструкции ЭП из типовых элементов;
4. Разработана методика визуализации исходных данных и результатов моделирования ЭП при- комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от известных наличием комплексных информационных, топологических, математических и 3-D- моделей визуализации тепловых и механических процессов.
5. Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений ЭП при комплексных механических и тепловых воздействиях, отличающаяся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях ЭП в универсальной САЕ-системе, обеспечивающих удобный проектировщику ЭП язык взаимодействия на базе графических интерфейсов ввода-вывода, возможностью построить всю иерархию конструкций ЭП от блока до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии;
6. Разработана и реализована структура справочной базы данных по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций ЭП, отличающаяся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ, наличием моделей вариантов установки ЭРИ, позволяющих значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др. параметров ЭРИ, возможностью создания новых моделей вариантов установки ЭРИ, наличием необходимых графических параметров, позволяющих придавать реалистичность изображению ЭРИ в пространстве, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые и графические данные об ЭРИ;
