Программные продукты и системы

Для оценки ударозащищенности конструкций все большее распространение получают методы математического моделирования. Они позволяют существенно сократить время и средства на определение динамических характеристик конструкций при воздействии ударных импульсов любой формы, амплитуды и длительности по сравнению с экспериментом, а следовательно, уменьшить сроки проектирования электронной аппаратуры (ЭА).

Одной из ведущих мировых программных систем, основанных на методе конечных элементов, является система конечно-элементного анализа ANSYS. Она позволяет проводить анализ прочности и устойчивости конструкций, механики разрушений материалов, учитывать нелинейность задачи (пластичность, деформации, текучесть и др.) [1]. Благодаря этим возможностям ANSYS отлично подходит для решения задач определения динамических характеристик ЭА, подвергаемой ударному воздействию.

Анализ удароустойчивости конструкций ЭА в системах конечно-элементного анализа включает три основных этапа: ввод данных, конечно-эле­ментный анализ и вывод результатов. Исходными данными являются трехмерная геометрическая модель блока или шкафа ЭА (ГОСТ Р 51676-2000), значения механических свойств используемых материалов и параметры граничных условий, то есть схема крепления. Конечно-элементный анализ заключается в создании и последующем расчете сеточной модели конструкции. На основании сравнения действующих ускорений и напряжений конструкции ЭА с допустимыми значениями принимается решение об ее удароустойчивости. При необходимости конструкция модифицируется, процесс моделирования повторяется.

На каждом из этапов конструктор сталкивается с рядом существенных трудностей. Во-первых, при подготовке адекватной модели исследуемой ЭА важно правильно учесть демпфирующие свойства материалов и конструкций. В ANSYS демпфирование задается с помощью нескольких коэффициентов, выбор которых зависит от типа решаемой задачи и воздействующей на модель нагрузки. К тому же эти величины связаны с частотой колебаний, поэтому требуются дополнительные вычисления для определения их численных значений. Во-вторых, при задании граничных условий необходимо преобразовать единицы измерения амплитуды ударного импульса. В техническом задании на ЭА удар задается как зависимость ускорения от времени, тогда как в ANSYS предусмотрен ввод амплитуды только в единицах перемещения. В-третьих, выбор необходимой длины массива исходных данных, вида и размера сетки конечных элементов, определяющих точность и длительность расчетов, зависит от конкретных условий. Также требуется преобразование результатов расчета ANSYS: из табличных данных «перемещение – время» в совмещенные графики ускорений воздействия и отклика конструкции. Кроме того, конструктору ЭА необходимо значительное время на освоение системы ANSYS.

Решить подобные проблемы возможно, создав специализированные инструментальные среды для математических решателей систем конечно-элементного анализа. Это позволяет, в частности, рассчитывать конструкции ЭА с помощью мощных систем конечно-элементного анализа, но с использованием стороннего графического интерфейса с радиоконструкторской терминологией. Примером такой инструментальной среды для системы ANSYS является разработанная авторами программа ShockCover (№ 2010612028; зарегистр. 17.03.2010 в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ), которая обеспечивает создание, анализ и модификацию ударозащищенных конструкций ЭА при значительно меньших сроках моделирования и подготовки пользователя по сравнению с использованием стандартного интерфейса.

Основная функция ShockCover заключается в подготовке полноценной модели ЭА c заданным ударным воздействием, в проведении ее расчета в ANSYS в фоновом режиме и обработке результатов. Программа включает в себя графический интерфейс, модули численного дифференцирования (Differ) и интегрирования (Integral), а также БД моделей типовых конструкций ЭА и материалов. Общая структура ShockCover представлена на рисунке 1.

Исходными данными, необходимыми для начала работы с ShockCover, являются модель исследуемой конструкции ЭА, механические параметры используемых материалов, а также математическое описание ударного воздействия. ANSYS запускается в пакетном, фоновом режиме с командным файлом (макрос расчета), формируемым ShockCover [1]. Полученные в результате расчета динамические характеристики конструкции (ускорения и напряжения) выводятся пользователю в собственном графическом интерфейсе.

Как видно из схемы, ввод исходных данных ShockCover начинается с задания характеристик ударного воздействия, представленных в ТЗ, а именно формы, амплитуды и длительности импульса ускорения (в модуле графического интерфейса «Определение ударного импульса»). Их автоматическое преобразование к единицам перемещения, необходимое для ANSYS, происходит путем двойного интегрирования данных в модуле Integral. Далее создается модель конструкции ЭА в одноименном модуле. Это может выполняться двумя способами: либо с помощью импорта готовой модели, выполненной в САПР трехмерного черчения (в формате IGES или Parasolid), либо с помощью собственной БД типовых конструкций. Кроме того, в этом модуле определяются механические свойства используемых в конструкции материалов: плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и коэффициент механических потерь. Значения этих величин могут быть взяты из встроенной БД материалов или введены пользователем вручную.

После подготовки исходных данных ShockCover автоматически формирует макрос динамического расчета и запускает ANSYS в пакетном режиме, по окончании которого программа получает файл результатов. Его обработка происходит в модуле «Вывод результатов». Преобразование полученных действующих перемещений конструкции к единицам ускорения осуществляется путем двойного дифференцирования в модуле Differ. Окончательно действующие ускорения представляются в виде графика зависимости от времени, совмещенного с графиком исходного ударного импульса, что позволяет оценить степень их возрастания и сравнить с допустимыми значениями. Механические напряжения, возникающие в элементах конструкций ЭА, также выводятся в виде временных зависимостей. Сравнение их максимальных значений с пределами прочности материалов позволяет прогнозировать возможные разрушения. Кроме того, все полученные результаты могут быть переданы в программу Microsoft Office Excel.

Рассмотрим алгоритм работы программы ShockCover, представленный на рисунке 2. Условно его можно разделить на этапы формирования модели ЭА, задания ударной нагрузки и получения динамических характеристик.

Формирование модели исследуемой ЭА начинается с обработки информации, введенной конструктором. Программа определяет, загружен ли файл, содержащий модель аппаратуры, или необходимо использовать БД для построения ее геометрии (блоки 1–3). В блоках 4–6 задаются характеристики конструкционных материалов. Далее вычисляются демпфирующие свойства конструкционных элементов ЭА. Для этого модель разбивается на отдельные детали (блок 7), для каждой из которых определяется собственная частота колебаний (СЧК) (блок 17), с помощью модального анализа ANSYS (блок 16). Выполнению каждого такого расчета предшествуют процедуры присвоения механических свойств модели (блок 9), создание сетки конечных элементов (блоки 10–12) и задание крепления детали, соответствующее ее креплению в общей конструкции ЭА (блоки 13–15). После получения количественных значений СЧК вычисляется и задается коэффициент, определяющий демпфирование (блоки 18–19). После определения демпфирующих свойств всех деталей программа переходит к заключительной части формирования модели ЭА – сборке всех ее конструктивных элементов (блок 20).

Следующим этапом является приложение ударного воздействия к исследуемой конструкции. Для этого после считывания исходных данных об исходном импульсе (блок 21) создается массив ускорений (блок 22). После двойного интегрирования данного массива (блок 23) формируется таблица «перемещение – время» (блок 24), которая определяет значения ударного импульса во времени для ANSYS. В блоке 25 выбирается точка или поверхность приложения ударного воздействия, что завершает формирование макроса динамического расчета.

Заключительный этап работы программы ShockCover – получение динамических характеристик конструкции ЭА. Для этого проводится динамический расчет созданной модели в системе ANSYS (блок 26). После его окончания результаты вычислений действующих амплитуд и напряжений элементов конструкции выводятся в виде графиков (блок 27).

Для оценки достоверности результатов, получаемых в системе ShockCover, проведено натурное испытание блока ЭА, схема которого представлена на рисунке 3. Эксперимент проводился на ударном стенде свобод- ного падения [2]. Погрешность поддержания испытательного режима составляла ±20 %. Измерения проводились в центре верхней печатной платы, на которой устанавливался вибропреобразователь.

Основными элементами анализируемого блока ЭА являются корпус и крышка, выполненные из алюминиевого сплава Д16, а также три стеклотекстолитовые печатные платы без электрорадиоэлементов. Механические свойства материалов данных деталей приведены в таблице. Воздействию механического удара – одиночного импульса ускорения в форме полуволны синусоиды с амплитудой ускорения 500 g и длительностью 1 мс – подвергалось основание блока. Общее время исследования составляло 4 мс для возможности анализа состояния конструкции после прекращения действия ударного импульса.

В программе ShockCover задавались исходные данные для расчета блока ЭА (рис. 4). Для построения его геометрического образа использовалась БД типовых конструкций. На созданную модель накладывалась сетка конечных элементов размерностью 30 разбиений по каждому направлению оси, после чего был произведен расчет.

На рисунке 5 представлены результаты испытания и динамический расчет блока ЭА в программе ShockCover и при эксперименте.

Сравнение представленных результатов показывает, что графики практически идентичны. Незначительные расхождения можно объяснить тремя факторами: погрешность измерения при проведении эксперимента, точность соответствия компьютерной модели и реальной конструкции, а также небольшое искажение самого исходного ударного импульса при эксперименте.

Таким образом, представленная программа ShockCover позволяет конструктору ЭА проектировать ударозащищенные конструкции блоков, не прибегая к изучению интерфейса мощных систем конечно-элементного анализа, и сократить дорогостоящие натурные эксперименты.

Литература

1. Морозов Е.М. [и др.]. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. М.: ЛЕНАНД, 2010. 456 с.

2. Белов Д.И. [и др.]. Моделирование ударных процессов в электронной аппаратуре с помощью системы конечно-элементного анализа «ANSYS». Проектирование и технология ЭС. 2009. № 1. С. 32–34.