CC BY
49
15. Бабишин В.Д., Кулиш Н.С., Кривопалов Д.М., Кулиш Н.С., Юркевич Е.В. и др.«Устройство формирования оптимальных управляющих воздействий для обеспечения устойчивой работы сложных технических систем» заявка на предполагаемое изобретение №201714587 входящий. №078522 от 26.12.2017 ФГУП ЦНИИмаш
УДК 621.5
Данилова Е.А., Трусов В.А., Лысенко А.В.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» («ПГУ»), Пенза, Россия
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ВИБРАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА
В статье проведен анализ причин отказов элементов печатных узлов в условиях механических воздействий, а также рассмотрен подход в проведении испытаний, позволяющий за счет изменения параметров испытаний смещать области максимальных значений механических перемещений и напряжений в заданную точку печатной платы Ключевые слова:
ПЕЧАТНЫЙ УЗЕЛ, МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ, УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ, АМПЛИТУДА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
Для обеспечения высокой надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), в том числе эксплуатационной, необходимо выявление неисправностей не только с помощью проверки и визуального осмотра, но и с помощью длительных испытаний. Для их проведения в сжатые сроки требуется разработка специальных методов и средств.
Характеристики эксплуатации связаны с объектом-носителем БРЭА и отличаются значительным разбросом их параметров. Поэтому на первый план выходят проблемы организации и проведения испытаний, обеспечивающих адекватное соответствие условиям эксплуатации, что позволяет обеспечить раннее выявление дефектов, проявляющихся в заданных режимах эксплуатации [1-3].
Наибольшее влияние на надежность БРЭА оказывают вибрационные нагрузки, приложенные к печатным узлам (ПУ) БРЭА. Причинами отказов и нарушений нормального функционирования БРЭА при воздействии вибрации могут быть отслоение и отрывы проводников и межсоединений печатных плат (ПП), нарушение паяных, клеевых и сварных соединений,
отрывы электрорадиоэлементов (ЭРЭ), разрушение основания ПП и т.д. Все эти явления характерны как для однослойных, так и для многослойных ПП.
Разрушения элементов ПУ могут происходить при напряжениях, значительно меньших предельно допустимых при статических режимах нагружения, что связано с усталостью материалов. Для определения зависимости между интенсивностью воздействий и временем до разрушения необходимо проведение длительных испытаний, что значительно увеличивает время производства и стоимость радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому актуальна разработка новых методов проведения испытаний, которые обеспечат сокращение необходимых для проведения испытаний материальных и временных затрат.
Отказы печатных узлов при воздействии вибрации связаны с деформациями и механическими напряжениями в различных конструктивных элементах. К отказу ПУ могут приводить отказы различных его элементов (рис. 1), для каждого из которых процессы разрушения развиваются в наиболее «опасных» местах.
Элементы ПУ, являющиеся причинами отказов
Основание ПП Выводные ЭРЭ БМЮ компоненты Элем крепл П енты 1ения П Печа прово тные дники
Рисунок 1
Основные элементы ПУ
Например, отказы БМБ-компонентов чаще связаны с разрушениями мест пайки. Для оценки времени до усталостного разрушения паяного соединения и самого компонента под действием вибрации необходимо оценить возникающие в них механические напряжения и сравнить с их критическими значениями.
Отказы выводных ЭРЭ, установленных на ПП, часто обусловлены усталостными процессами, происходящими в выводах при вибрационных воздействиях. Усталостные разрушения происходят при резонансных колебаниях ЭРЭ и заключаются в разрушении выводов в опасных точках. Это связано со значительным возрастанием механических напряжений. В зависимости от вида ЭРЭ и варианта его установки на ПП может быть различное количество опасных точек.
В качестве примера для резистора, установленного на ПП, как показано на рисунке 2, опасным точками будут являться места крепления выводов резистора с ПП (3), выводов и корпуса элемента (1) и места перегибов (2).
Наиболее подвержены негативному влиянию выводные элементы, характеризующиеся значительной массой.
Прочность паяного соединения в условиях вибрации зависит от величины возникающих при этом нормальных и касательных напряжений. Каждое из них вызывает соответствующего типа разрушение: отрыв за счет действия максимальных нормальных напряжений; срез за счет действия максимальных касательных напряжений. Таким образом, прочность паяного соединения характеризуется сопротивлением отрыву и сопротивлением срезу.
Рисунок 2 - Резистор, установленный на печатную плату
Процесс разрушения припоя проходит две фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения. Образование микротрещины обусловлено неоднородностью материала, состоянием поверхности и амплитудой цикла. Фаза полного разрушения характеризуется тем, что наряду с перечисленными факторами начинают оказывать влияние форма и размеры паяного соединения, а также действующее напряжение. Кроме того, усталостные разрушения паяных соединений чаще связывают с циклическим изменением температур.
Механические напряжения и деформации, вызванные вибрацией, приводят также к разрушению основания ПУ, которое чаще всего представляет собой слоистый пластик. Отличительной особенность слоистых пластиков является различие механических свойств (прочности) по утку и по основе. Отказы, связанные с основанием ПУ, возникают также в результате деформации под нагрузкой, которая определяет способность материала сохранять постоянную силу сжатия, не обнаруживая текучести или ослабления прочности сборки. Данная характеристика имеет важное значение, поскольку определяет надежность и долговечность крепления ПП
в корпусах, стоиках, т.е. жесткость крепления в сборке при помощи болтов, заклепок и других крепежных приспособлении.
При длительной эксплуатации в условиях вибрации перечисленные факторы вызывают появление трещин в местах крепления ПУ. При проведении испытаний на действие синусоидальной вибрации было установлено, что действие вибрации приводит к образованию поверхностных трещин в местах крепления ПП уже через 96 часов испытаний.
Вибрации вызывают также отслоение и разрывы печатных проводников. Кроме того, несовершенство технологии изготовления ПП приводят к появлению различных дефектов печатных проводников, некоторые из которых представляют собой концентраторы напряжений ускоряющими процессы разрушения [4].
Таким образом, механические воздействия приводят к постепенному накоплению повреждений во всех элементах ПУ. Возможность расчета числа циклов до разрушения, времени до усталостного разрушения позволит прогнозировать работоспособность ПУ в реальных условиях при ограниченном числе испытаний, поскольку проявление дефектов требует несколько тысяч часов испытаний, что в условиях современного производства затруднительно.
В качестве средства экономии затрат при проведении испытаний предложен подход, заключающийся в предварительном моделировании механических воздействий, реализуемый с помощью пакета конечно-элементного анализа ДпзуБ.
При проведении испытаний вибрационные воздействия передаются на все точки крепления ПУ к испытательному стенду при одинаковых значениях воздействующих факторов. Однако, реальные условия эксплуатации характеризуются разнесенными по частоте, амплитуде и фазе дестабилизирующими воздействиями, что связано с наложением нескольких одновременно действующих факторов. Таким образом, начальная амплитуда перемещений для каждой точки крепления будет отличаться по значению, а также наблюдается запаздывание колебаний по фазе [5, 6].
Вычислительные эксперименты показывают, что максимальные значения амплитуды перемещений на
первой собственной частоте при синусоидальной вибрации расположены в центре ПП. При изменении фазы колебаний происходит перенос максимальных значений амплитуды перемещений в другие зоны ПП, причем в некоторых случаях наблюдается и значительное увеличение амплитуд перемещений. В реальных условиях эксплуатации невозможно заранее оценить расхождение фаз и изменение амплитуды на определенном участке ПУ.
Для проведения конечно-элементного анализа вибрационного воздействия на печатную плату построена модель ПП. Геометрические размеры ПП -200х150х0,78 мм. ПП крепится на 4-х стойках высотой 2 0 мм и диаметром 5 мм, расположенных по углам ПП (рис. 3). Механические воздействия передаются через стойки.
Рисунок 3 - Геометрическая модель ПП
Вся поверхность ПП разделена на зоны, размеры которых 10х5 мм.
В отличие от традиционных вибрационных испытаний амплитуда и фаза колебаний устанавливается на каждую стойку отдельно. Поскольку максимальные амплитуды перемещений возникают при совпадении рабочих частот с собственными был проведен анализ и определены значения 5-и первых собственных частот ПП без установленным элементов. Полученные значения собственных частот ПП представлены в таблице 1.
Таблица 1
Значения собственных частот ПП
Собственная частота, Гц 1 2 3 4 5
56,884 101,82 131,1 151,05 233,88
Дальнейший анализ проводится на частотах, равных установленным ранее собственных частот колебаний.
Перенос максимальной амплитуды перемещений в заранее установленную точку (область) ПП достигается за счет изменения фазы колебаний. А установление необходимой величины амплитуды перемещений достигается изменением амплитуды перемещений сообщаемой стойкам (начальная амплитуда перемещений).
При задании одинаковых начальной амплитуды и фазы на 4 стойки максимальная амплитуда перемещений расположена в центре ПП (рис. 4) и соответствует точке с координатами (100, 75) мм. Область с максимальными амплитудами перемещений на рисунке выделена цветом.
При задании одинаковой начальной амплитуды на все 4 стойки, но если фазы отличаются на 180о между парами стоек по длинной стороне ПП максимальная амплитуда перемещений смещается в точку с координатами (190, 75) мм (рис. 5).
При задании одинаковой начальной амплитуды на все 4 стойки, но если фазы отличаются на 190о между парами стоек по длинной стороне ПП максимальная амплитуда перемещений перемещается в точку с координатами (12 0, 75) мм (рис. 6).
+ 1 + 1
1 + 1 +
Рисунок 4 - Поле перемещений при задании равных начальных амплитуд перемещений и фаз
+ + 1
+ 1 +
Рисунок 5 - Поле перемещений при задании равных начальных амплитуд перемещений и фаз отличающихся на 180о
Рисунок 6 - Поле перемещений при задании равных начальных амплитуд перемещений и фаз отличающихся на 18 0о
Вибрационные воздействия передаются на ПП через точки крепления, а от ПП в свою очередь, на установленные электрорадиоэлементы (ЭРЭ). За счет изменения амплитуды и фазы вибрационных воздействий, подводимых в точки крепления можно переносить область с максимальным значением перемещения по поверхности ПП и тем самым имеется возможность локализовать ее в области установки интересующего ЭРЭ.
Поэтому, для проведения испытаний в соответствии с предложенным подходом переноса максимальных значений перемещений в заданную область подбираются значения амплитуд и фаз для контроля
наиболее именно «опасных» ЭРЭ, что будет соответствовать реальным условиям эксплуатации. Сокращение времени на проведение испытаний достигается за счет увеличения механических напряжений в элементах ПУ и тем самым сокращением время до разрушения. В случае, когда предполагаемый срок эксплуатации аппаратуры, в состав которой входит ПУ, превышает рассчитанное (определяемое по результатам испытаний) время до разрушения даются рекомендации о необходимости использования дополнительных способов защиты ПУ от внешних воздействий. Таким образом, реализуется положение о повышении надежность ПУ. Принятие рекомендаций о способах защиты позволят увеличить остаточный ресурс для всех экземпляров ПУ партии не проходивших испытания.
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Адаптивная интеллектуальная система вибрационных испытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической и авиационной техники нового поколения на основе многофункциональной цифровой генерации испытательных^ сигналов» (Соглашение № 17-79-10281 от 24.07.2017) при финансовой поддержке Российского научного фонда.
ЛИТЕРАТУРА
1 Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Юрков Н.К. Особенности исследования динамических характеристик печатных узлов в двухмерных задачах // Надежность и качество сложных систем. 2015. № 2 (10). С. 13-22.
2 Юрков Н. К. Технология производства электронных средств : учебник / Н. К. Юрков. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб. : Лань, 2014. - 474 с.
3 Юрков Н. К., Кемалов Б. К., Перевертов В. П. Инструментальная среда повышения надежности РЭС // Надежность и качество : тр. Междунар. симпоз. : в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 192-194.
4 Данилова Е.А., Кочегаров И.И. Виды дефектов при распознавании повреждений печатных плат // Современные наукоемкие технологии. Вып. 5. Часть 1 - Пенза: ИД «Академия естествознания», 2 014. С. 60 - 61.
5 Danilova E. A., Tankov G. V., Kochegarov I. I. Dynamic Characteristics of Printed Circuit Assembly under the Influence of Temperature // 2016 XIX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM). - SPb., 2016. - Р. 131-134.
6 Исследование динамики печатных плат радиоэлектронных средств : моногр. / Г. В. Таньков, В. А. Трусов, Н. К. Юрков, А. В. Григорьев, Е. А. Данилова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2016. - 118 с.
УДК 618
Гришко А.К. , Кочегаров И.И. , Лысенко А.В., Мазанов А.М. , Гришко Е.И., Герасимова Ю.Е.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА РАННИХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
В статье рассматривается методика формирования и многокритериального выбора предпочтительного варианта структуры сложной технической системы на ее ранних этапах жизненного цикла, когда отсутствует достаточное знание параметров и переменных модели оптимизации структуры. Предлагаемая методика учитывает различного вида неопределенность исходной информации, связанной с разнородностью критериев качества проектируемой системы и параметрами, заданными диапазонами их изменений Ключевые слова:
ОПТИМИЗАЦИЯ, ФУНКЦИЯ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ, КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА
Сложные технические системы (СТС) имеют, как правило, модульную архитектуру и создаются на основе применения значительного числа уже разработанных аппаратных и программных средств различного назначения. Существует большая номенклатура такого оборудования различных фирм-производителей, выполняющих одинаковые функции, которые требуются для построения конкретной СТС. Насыщенность рынка отечественной и зарубежной элементной базой, различные условия эксплуатации и специфичные требования по надежности и эффективности применения, а также большое количество типов конструкций усложняет выбор наилучшего варианта СТС для конкретных условий эксплуатации. Кроме того, на практике, такой выбор усложняется из-за невозможности получить достоверную информацию о характеристиках отдельных компонент. Такая ситуация возникает, например, когда производитель не желает оценивать свою продукцию по предлагаемым показателям качества, а также скрывает или умышленно искажает реальные характеристики с целью введения в заблуждение своих конкурентов. Конструкторам приходится учитывать такие показатели и характеристики в процессе проектирования СТС в виде некоторых диапазонов их возможных изменений.
Для модулей и компонентов СТС, которые находятся в стадии разработки, еще большее количество параметров и показателей качества не имеют четких значений, и уточняются в процессе последующих этапов проектирования.
В такой ситуации задачу формирования и многокритериальной оптимизации структуры СТС приходится решать в условиях неопределенности и неполноты исходной информации. Выбор оптимального варианта структуры СТС осуществляется по множеству разнородных критериев качества, которые могут задаваться: в формализованном, количественном виде; в неопределенном, лингвистическом виде; в частично формализованном виде.
В процессе решения этой задачи часто оказывается, что большое количество показателей, исследуемых СТС, заданы в виде диапазонов изменения их величин. Например, у радиоэлектронной системы (РС) это диапазоны рабочих частот, полоса пропускания, значения и диапазоны изменения входных и выходных параметров сигнала, эксплуатационные пределы перепадов температур в узлах и модулях РС, вес, стоимость и т.д.
Это создает определенные трудности при выборе оптимальной структуры СТС, которые связаны с тем, что сложно объективно сравнивать улучшение
