16 октября 2017г.
В процессе эксплуатации механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов космической и авиационной радиоэлектронной аппаратуры (КАРЭА), подавляющее большинство которых связано с выходом за пределы, установленные нормативно-технической документацией, механических характеристик конструкций – ускорений, перемещений, напряжений, что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы аппаратуры. Кроме того, при эксплуатации на аппаратуру могут одновременно действовать несколько видов механических воздействий, например, вибрации, удары и акустический шум; линейное ускорение и акустический шум и т.д. [1, 2].
Для прогнозирования и предотвращения отказов КАРЭА из-за механических воздействий разработана автоматизированная подсистема анализа и обеспечения стойкости КАРЭА к механическим воздействиям «АСКМ-М».
Подсистема обеспечивает выполнение следующих функций:
- расчёт механических характеристик типовых и произвольных конструкций КАРЭА при воздействии гармонической вибрации;
- расчёт механических характеристик типовых и произвольных конструкций КАРЭА при воздействии случайной вибрации;
- расчёт механических характеристик типовых и произвольных конструкций КАРЭА при воздействии одиночных ударов;
- расчёт механических характеристик типовых и произвольных конструкций КАРЭА при воздействии многократных ударов;
- расчёт механических характеристик типовых и произвольных конструкций КАРЭА при воздействии линейных ускорений.
Благодаря возможностям подсистемы можно получить: на выходе поля выходных величин (перемещений, ускорений, напряжений), графики амплитудно-частотных и амплитудно-временных характеристик, абсолютные и относительные значения, значения выходных величин в узлах конечно- элементной сетки, процентное превышение напряжений над допустимыми значениями, деформированное состояние конструкций с учетом фактора усиления и анимацию отклика конструкции КАРЭА на механические воздействия.
Этапы определения динамических характеристик блока КАРЭА:
1) построение геометрической модели блока в системе АСКМ-М c использованием специализированного интерфейса;
2) задание атрибутов материалов и параметров сетки;
3) задание граничных условий закрепления блока;
4) построение конечно-элементной модели блока;
5) задание параметров механического воздействия;
6) проведение моделирования;
7) анализ результатов моделирования.
Конечно-элементная модель блока КАРЭА, равно как и детали при сборке, строится автоматически. В настоящее время импорт 3D-моделей производится из любой CAD-системы в форматах IGES, STEP, SAT.
Рассмотрим пример создания конечно-элементной модели блока (рис. 1). Порядок построения конечно-элементной модели блока КАРЭА следующий.
Шаг 1. Запускаем подсистему АСКМ-М. Выполняем команду главного меню «Правка\Добавить элемент» и выбираем пункт «Блок сложный (универсальный)». Затем сохраняем проект. Выделяем пункт «Блок сложный (универсальный)» в дереве объектов и нажимаем на кнопку «Просмотр» панели инструментов.
Шаг 2. Произведем импорт геометрии блока из CAD-системы.
Шаг 3. Использовав операции перемещения, поворота и
изменения масштаба, произведем
масштабирование и
изменение положения локальной
системы координат блока.
Шаг 4. Выбираем материалы для деталей конструкции блока. Если для какой-либо детали материал не указан, то при моделировании
используем параметры материла,
заданного в целом для всей конструкции.
Шаг 5. Задаём параметры сетки по аналогии с заданием материала: либо для каждой детали, либо в
целом для всей конструкции.
Шаг 6. Для задания граничных условий
закрепим лапки блока.
Шаг 7. Завершаем работу графического интерфейса с сохранением. При необходимости модель блока можно отредактировать, при этом не обязательно каждый раз производить импорт геометрии
прибора.
Шаг 8. Выбираем параметры механических воздействий и запускаем операцию расчёта. Конечно- элементная модель блока строится в автоматическом режиме на основе модели блока, описанной в
графическом интерфейсе. Задание механического воздействия, выполнение расчёта и отображение результатов моделирования производится в соответствии с руководством пользователя подсистемы АСКМ- М.
На рис.2 показаны конечно-элементная модель и поля ускорений гармонической вибрации прибора на первой
резонансной
частоте 583 Гц.
Примеры физических моделей цилиндрического, кассетного и этажерочного блоков, созданные в
графическом интерфейсе подсистемы АСКМ-М, представлены на рис.3.
Для цилиндрического блока (рис.3,а) заданы пять плат с размещёнными на них электрорадиоизделиями разной толщины (1,5…2,5 мм) и массы, шесть опор, проходящих через весь блок. Край средней платы жестко соединён со стенками блока. На верхней и боковой стенках блока заданы две
контрольные точки. Блок крепится через дно посредством шести опор.
Для кассетного
блока (рис.3,б) тоже заданы пять плат с различными параметрами. Все платы закреплены в направляющих, расположенных на дне и верхней стенке блока. С передней части блока платы вставлены в разъемы. Одна плата жестко связана с блоком и
с противоположной стороны разъёма. На боковой и передней стенках блока заданы две контрольные точки. Блок соединён с нижней стенкой
посредством четырех круглых креплений.
Для этажерочного блока (рис.3,в) заданы четыре платы с восьмью опорами, проходящими от дна блока до последней платы. Каждая плата имеет свои параметры. Крепления блока расположены по углам
нижней стенки. На боковых стенках заданы две контрольные точки.
Основное отличие интерфейса модели сложного этажерочного блока (рис.4) от рассмотренного (см.
рис.3,в) состоит в возможности ввода в блок нескольких этажерок, каждая из которой может иметь свои
параметры и сложную конструкцию. В сложном этажерочном блоке к основанию можно использовать крепления в виде лапок (рис. 4). Панель редактирования лапок крепления блока позволяет производить
операции добавления, удаления и редактирования. Для ввода лапки крепления указывается её толщина, координаты расположения и габариты. Координата лапки крепления по оси Z равна нулю, т.е. она присоединяется к основанию и изготовлена из того же материала, что и основание. Число задаваемых лапок произвольно.
Панель редактирования этажерок содержит в себе три панели для работы с параметрами этажерки, параметрами плат, параметрами шпилек. В панели для работы с параметрами этажерки задается смещение этажерочной конструкции относительно системы координат блока по осям X и Y, режим прохождения
шпилек, число плат, материал плат и шпилек и температура шпилек. Как и в простой этажерочной конструкции, шпильки могут крепиться сразу и ко дну, и к верхней стенке блока (режим 1), крепиться только ко дну (режим 2) или только к верхней стенке блока (режим 3). Задаваемые отдельно материал и
температура будут использоваться по умолчанию в дальнейшем для каждой платы и шпильки в пределах активной
этажерки.
Список литературы
1.
Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадёжных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1/ Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. М.: Энергоатомиздат, 2007. 368 с.
2.
Автоматизированная система АСОНИКА для моделирования физических процессов в
радиоэлектронных средствах с учётом внешних воздействий / Под ред. А.С. Шалумова. М.:
Радиотехника, 2013. 424 с.
