Способ проведения анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано при конструировании на компьютере сложных электротехнических изделий. Технический результат заключается в сокращении временных и вычислительных ресурсов, затрачиваемых на конструирование таких изделий, а также в повышении надежности проектируемых изделий за счет раннего выявления дефектов конструкции при проведении анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и унифицированных электронных модулей (ЭМ) в ее составе. Способ проведения анализа долговечности РЭА основан на анализе напряженно-деформированного состояния и подробной расчетной модели (РМ), которая включает подробные модели электрорадиоизделий (ЭРИ) и элементов конструкции. Анализ долговечности РЭА осуществляют с использованием тепловых, деформационных и прочностных РМ РЭА последовательно в четыре этапа: подготовительный этап, этап глобального анализа, этап промежуточного анализа и этап локального анализа. На подготовительном этапе создают тепловые РМ без детализации моделей элементов конструкции, деформационные РМ с детализацией ЭРИ и элементов конструкции, оказывающих влияние на жесткость конструкции, и подробные прочностные РМ конкретных элементов. На этапе глобального анализа проводят расчет температур РЭА, когда используют тепловые РМ. На этапе промежуточного анализа проводят расчет деформаций (перемещений) в РЭА по результатам теплового расчета РЭА этапа глобального анализа, при этом проводят выбор конкретного узла РЭА с использованием деформационных РМ. Затем выполняют локальный анализ, когда проводят расчет напряженно-деформированного состояния ЭРИ и элементов конструкции узла РЭА, по окончании расчета напряженно-деформированного состояния проводят расчет долговечности элементов РЭА, при этом используют прочностные РМ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано при конструировании на компьютере сложных электротехнических изделий. Реализация изобретения позволяет сократить временные и вычислительные ресурсы, затрачиваемые на конструирование таких изделий, а также повысить надежность проектируемых изделий за счет раннего выявления дефектов конструкции при проведении анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронных модулей (ЭМ) в ее составе.

Известен способ проведения анализа долговечности ЭМ. (Прогнозирование надежности узлов и блоков радиотехнических устройств космического назначения на основе моделирования напряженно-деформируемых состояний: моногр. / С.Б. Сунцов, В.П. Алексеев, В.М. Карабан, С.В. Пономарев. - Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2012. - 114 с.). Детализация используемой при этом расчетной модели (РМ) определяется анализом напряженно-деформированного состояния (НДС) и, как правило, соответствует подробной РМ ЭМ, которая включает: подробные модели электрорадиоизделий (ЭРИ), клеевые соединения, герметизацию, пайку, печатные проводники, переходные отверстия и их металлизацию и др. Данный способ взят за прототип.

Данный способ имеет существенные недостатки:

- использование единой РМ ЭМ с высокой степенью детализации приводит к значительному увеличению временных и вычислительных ресурсов, необходимых для проведения расчета;

- использование нескольких РМ для каждого типа проводимого анализа (тепловой, деформационный, прочностной) создает значительные трудности при формализации краевой задачи и передачи результатов с одной РМ на другую в связи с тем, что имеется большое расхождение в количестве узлов и элементов.

Задачей предлагаемого в изобретении способа проведения анализа долговечности является устранение указанных выше недостатков, а именно:

- снижение временных затрат при проведении расчетов;

- сокращение требуемых вычислительных ресурсов;

- облегчение формализации краевой задачи.

Предлагается проведение анализа долговечности выполнять в четыре этапа, при этом:

- использовать расчетные модели, оптимизированные под конкретный анализ;

- использовать интерполяцию результатов анализов для облегчения формализации краевой задачи и повышения точности передачи результатов с одной РМ на другую.

Поставленная задача решается за счет того, что анализ долговечности РЭА, заключающийся в прогнозировании надежности узлов и блоков РЭА космического назначения, осуществляют поэтапно с использованием созданных тепловых, деформационных и прочностных РМ РЭА, оптимизированных для проведения последующих этапов анализа долговечности, при этом на подготовительном этапе проводят создание тепловых РМ с игнорированием детализации моделей базовых несущих конструкций (скругления, отверстия), печатного узла (электрорадиоизделий, паяное соединение, печатные проводники, переходные отверстия и их металлизация), деформационных РМ с детализацией конкретных ЭРИ, базовых несущих конструкций (металлическая рамка, печатный узел), а также прочих конструктивных элементов РЭА (разъемы, заглушки и пр.), оказывающих влияние на жесткость конструкции; в качестве прочностной РМ используют подробную (детализированную) РМ конкретных элементов конструкции ЭМ, когда учитывают пайку, печатные проводники, металлизацию переходных отверстий; затем на этапе глобального анализа проводят расчет температур ЭМ в составе РЭА, когда используют тепловые РМ ЭМ, при этом учитывают переизлучение с соседних поверхностей ЭМ и теплопередачу теплопроводностью (кондукция) с соседних ЭМ; далее на этапе промежуточного анализа проводят расчет деформаций (перемещений) в ЭМ по результатам теплового расчета РЭА этапа глобального анализа, при этом проводят выбор конкретного ЭМ с последующей передачей температур посредством интерполяции с использованием деформационных РМ ЭМ; затем выполняют локальный анализ, когда проводят расчет напряженно-деформированного состояния элементов печатного узла ЭМ (ЭРИ, пайка, печатные проводники, переходные отверстия) посредством интерполяции результатов расчета деформаций (перемещений) ЭМ, полученных на этапе промежуточного анализа, по окончании расчета напряженно-деформированного состояния проводят расчет долговечности элементов ЭМ, при этом используют прочностные РМ ЭМ.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен алгоритм расчета посредством интерполяции, на фиг. 2 и 3 представлены изображения плоских линейных треугольного и четырехугольного элементов соответственно.

На фиг. 1 изображен алгоритм расчета посредством интерполяции, где:

- Этап 0. Подготовительный.

- Этап 1. Глобальный анализ.

- Этап 2. Промежуточный анализ.

- Этап 3. Локальный анализ.

Расчет можно произвести с применением метода конечных элементов. При этом расчетная область аппроксимируется системой элементов. В пределах элемента функция F(x,y,z) определяется следующим выражением:

где N_i - функции формы элемента, f_i - значение функции F в i-м узле элемента, f_i=F(x_i,y_i,z_i).

Таким образом, если известны функции формы элементов и узловые значения функции, то можно определить значение функции F в произвольной точке x^*, y^*, z^* расчетной области. Если точка x^*, y^*, z^* совпадает с узловой точкой x_j, y_j, z_j, то:

.

Для определения функции F(x^*,y^*,z^*) точки x^*, y^*, z^*, располагаемой внутри или на границе элемента, используется выражение (1).

Рассмотрим методику определения функции F в точке x^*, y^*, z^* на примере элементов первого порядка - плоского треугольного элемента и плоского четырехугольного элемента.

1. Плоский линейный треугольный элемент

Функция F(x,y) на таком элементе (фиг. 2) представляется линейным полиномом:

где α_i - коэффициенты полинома. Коэффициенты полинома (2) определяются по узловым значениям функции F(x,y). Для этого записывается система линейных алгебраических уравнений:

По правилу Крамера:

где ; ;

.

Детерминанты δ_i можно раскрыть по столбцу, содержащему узловые значения функции:

или

где d_ij - соответствующие детерминанты из (5).

При подстановке (4) и (6) в полином (2) получается:

В результате приходим к выражению (1), где функции формы элемента имеют вид:

Имея функции формы (8) элемента и узловые значения функции, можно вычислить значение функции в произвольной точке внутри элемента.

2. Плоский линейный четырехугольный элемент

Четырехугольный элемент (фиг. 3) в пространстве X, Y отображается на прямоугольник в пространстве ξ, η. Функции формы в пространстве ξ, η имеют вид:

Если для точки с координатами x^*, y^*, лежащей внутри четырехугольника, известны соответствующие координаты ξ^*, η^*, то по (1), используя (9), можно определить значение функции F(x(ξ,η), y(ξ,η)) в этой точке.

Зная координаты ξ, η, можно легко найти соответствующие им координаты x, y по формулам:

где x_i, y_i - координаты узлов четырехугольника. Однако обратный переход:

не имеет простого аналитического представления. Поэтому для выполнения этого перехода следует использовать численные методы. Возможно применение метода, аналогичного методу деления отрезка пополам. Его алгоритм содержит следующие этапы:

1. Среди координат x, y узлов четырехугольника существуют значения X_min, X_max и Y_min, Y_max, между которыми лежат величины x^* и y^*.

2. В пространстве ξ, η прямоугольник делится на четыре прямоугольника. Для каждого вновь получившегося прямоугольника с помощью формулы (10) определяются X_min, X_max и Y_min, Y_max.

3. Используя значения X_min, X_max и Y_min, Y_max находим прямоугольник, в который попадает точка с координатами x^*, y^*.

4. Если условия:

не выполняются, то возвращаются к п. 2. Если же условия выполняются, то переходят к п. 5.

5. Определяется координата ξ^* как среднеарифметическое координат ξ по всем узлам прямоугольника. Таким же образом определяется координата η^*.

6. По формуле:

определяется значение функции в точке с координатами x^*, y^*.

Способ проведения анализа долговечности РЭА с использованием автоматического построения расчетных моделей в системе геометрического моделирования программно проработан и прошел отладку при конструировании бортовой РЭА космических аппаратов. Практическое применение данного способа позволяет уменьшить сроки конструирования РЭА, что подтверждает эффективность предложенного способа проведения анализа долговечности ЭМ РЭА на основе компьютерного моделирования термопрочностных процессов.

1. Способ проведения анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), основанный на анализе напряженно-деформированного состояния и подробной расчетной модели (РМ), которая включает подробные модели электрорадиоизделий (ЭРИ) и элементов конструкции, отличающийся тем, что анализ долговечности РЭА осуществляют с использованием тепловых, деформационных и прочностных РМ РЭА последовательно в четыре этапа: подготовительный этап, этап глобального анализа, этап промежуточного анализа и этап локального анализа, при этом на подготовительном этапе создают тепловые РМ без детализации моделей элементов конструкции, деформационные РМ с детализацией ЭРИ и элементов конструкции, оказывающих влияние на жесткость конструкции, и подробные прочностные РМ конкретных элементов, затем на этапе глобального анализа проводят расчет температур РЭА, когда используют тепловые РМ, далее на этапе промежуточного анализа проводят расчет деформаций (перемещений) в РЭА по результатам теплового расчета РЭА этапа глобального анализа, при этом проводят выбор конкретного узла РЭА с использованием деформационных РМ, затем выполняют локальный анализ, когда проводят расчет напряженно-деформированного состояния ЭРИ и элементов конструкции узла РЭА, по окончании расчета напряженно-деформированного состояния проводят расчет долговечности элементов РЭА, при этом используют прочностные РМ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ долговечности РЭА проводят с использованием РМ, оптимизированных под конкретный глобальный, промежуточный, локальный анализ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ долговечности РЭА проводят с использованием интерполяции результатов температур и деформаций (перемещений) РЭА.