CC BY
28
3. Зеленский А.В., Краснощекова Г.Ф. Электронные средства. Конструкция и расчетные модели. Самара, СГАУ, 2 010.
4. Аметова Э.С. и др. Анализ альтернативных вариантов построения процессов проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Томск, ТПУ, http://lab18.ipu.ru/projects/conf2 012/2/17.htm
5. Акимов С.В. Введение в морфологические методы исследования и моделирования знаний предметной области, http://structuralist.narod.ru/articles/morphmethod/morphmethod.htm
6. Бородин С.М. Общие вопросы проектирования радиоэлектронных средств. Ульяновск, УлГТУ, 2007.
7. Конструирование радиоэлектронных средств. Под ред. Назарова А.С., Москва. Изд. МАИ,1996.
8. Кольтюков Н.А. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств. Тамбов. Изд. ТГТУ, 200 9.
9. Справочник «Надежность электрорадиоизделий». 22 ЦНИИИ МО, 2006.
10. ГОСТ РВ 2 0.39.309-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Конструктивно-технические требования. М. Госстандарт России, 1998.
11. ГОСТ РВ 2 0.39.304-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним факторам. М. Госстандарт России, 1998.
12. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд. «Советское радио», 1971.
13. Гель П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Л., Энергоатомиздат, 1984.
14. Семейство устройств связи. АО НИИ «Аргон», http://www.argon.ru/?q=node/15
15. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры. Под ред. Высоцкого Б.Ф. и др. М.; Радио и связь, 1982.
УДК 621.396.7
Фролов С.И., Трусов В.А., Таньков Г.В., Данилова Е.А., Юрков Н.К.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА КОМПОНОВКИ БЛОКОВ БОРТОВОЙ РЭС
Обеспечение безопасности страны требует не только повышения уровня технических характеристик военной техники, но и ускорения введения ее в эксплуатацию, что зависит от качества выполнения проектных работ.
Это непосредственно касается бортовых РЭС (БРЭС), сложность и требования к надежности которых постоянно растут, а условия эксплуатации ужесточаются.
В тоже время, не смотря на широкое использование самых современных САПР и серьезные организационно-технические меры, регламентированные многочисленными НТД, разработка отдельных БРЭС растягивается на 5 - 7 лет и освоение в серийном производстве сопровождается исправлением многочисленных ошибок и серьезными доработками [1]. При этом, причиной такого положения часто являются изначально заложенные в конструкцию ошибки, не позволяющие обеспечить требуемую отказоустойчивость аппаратуры, работающей в условиях воздействия вибрации. И хотя эти проблемы появились не сегодня, они до сих пор остаются актуальными.
На тему вибрации РЭС опубликовано большое количество специальной литературы и статей, дается множество рекомендаций и отдельных решений, но видимо где-то упускается главное. И, скорее всего, ответ кроется в противоречии, которое заключается в том, что хотя многие специалисты на словах утверждают о необходимости исключения ре-зонансов в конструкции БРЭС, на деле допускают эти резонансы в диапазоне вибраций свыше 500 гц. А в качестве альтернативы предлагаются традиционные методы защиты от вибрации: такие как виброизоляция и демпфирование, которые увеличивают массово-габаритные характеристики и имеют существенные недостатки, приводящие к изложенной выше сложившейся ситуации [4, 5, 6, 7 и др.].
В последнее время, для улучшения создавшегося положения, прорабатываются варианты перехода к компоновке и конструированию на ранних стадиях разработки предварительного (эскизного) варианта безрезонансного в заданном диапазоне частот вибрации блока БРЭС с последующими уточнениями, размещением ЭРИ и трассировкой соединений.
Применительно к САПР, исходя из выше сказанного, для сокращения сроков и повышения качества разработки БРЭС приобретают важное значение не столько трассировка печатных плат и оформление чертежей, сколько задачи автоматизированного синтеза компоновки различных, конкурирующих между собой безрезонансных отказоустойчивых моноблоков БРЭС в условиях минимума информации на ранней стадии их проектирования и необходимости использования экспертных систем.
Среди немногих работ по синтезу конструкций БРЭС, интерес представляет предложенный в [2]
алгоритм выбора на ранних стадиях проектирования оптимальной формы цифрового блока самолетной РЭС по нескольким критериям качества: тепловая напряженность, вибропрочность и плотность упаковки. По некоторому правилу генерируется ряд вариантов типоразмера блоков, из которого осуществляется выбор блока одновременно удовлетворяющего всем трем критериям.
Однако при всей своей привлекательности предложенный в [2] алгоритм не исключает резонансы конструкции и его применение не может существенно улучшить отказоустойчивость разрабатываемой БРЭС. Кроме того, генерируемый ряд случайного набора вариантов блока затрудняет использование стандартных и уже успешно освоенных в производстве прототипов.
В данной статье предлагается методика автоматизированного синтеза компоновки блоков на ранней стадии разработки БРЭС, являющаяся развитием алгоритма [2], но без выше указанных недостатков.
Предлагаемый подход к решению проблемы автоматизированного синтеза компоновки блоков БРЭС проиллюстрируем на примере цифровых блоков разъемного типа типоразмеров 2М и 3М по ОСТ Г0.410.003-76 с использованием микросхем в корпусах типа 401.14-2 для 2-х вариантов печатных плат разной площади 170х75 и 170х150 по ОСТ 4Г0.010.009-76.
Предлагается следующая последовательность работ по автоматизированному синтезу блоков БРЭС.
1. Уточняются и дополняются под конкретную задачу исходные данные в базе данных САПР.
2. На основе выше приведенных данных выполняются необходимые геометрические расчеты и синтезируются предварительные математические модели цифровых блоков БРЭС с полным заполнением печатных узлов микросхемами. Полученные результаты по первому из блоков приведены в таблице ниже.
3. Определяются основные собственные частоты ПУ блоков. Для этого можно воспользоваться формулой:
fo=Äknks-Счк h/S ; fo>1r3fB; (1)
где:
'е
кп = ; Е - модуль упругости материала платы;
р - плотность материала платы, кэ - коэффициент, учитывающий влияние ЭРИ; Счк - частотный коэффициент, зависящий от соотношения сторон и способа крепления платы; Ъ - толщина платы; Б - площадь платы; А - постоянный коэффициент;
£в - верхняя граница диапазона возмущающих вибраций.
Расчеты дают следующие результаты: fol = 1068 гц, fo2 = 328 гц и показывают, например, что при fB = 2000 гц условие
fo>1,3 fB = 2600 гц не выполняется для обоих блоков.
Однако в случае стандартных ПУ выбор инструментов ограничивается, но все равно во многих случаях позволяет решить задачу. Например, через изменение толщины платы. Для этого из условия безрезонансности определяется необходимая толщина платы по формуле:
Ь=Б £в/(Акпкэ- Счк). (2)
В нашем случае минимальная необходимая толщина платы Блока 1 составляет 3,3 мм, что больше максимальной толщины, выпускаемых материалов для изготовления печатных плат и значительно превышает технологические ограничения по металлизации сквозных отверстий, но находится в пределах размеров ПУ.
Однако получить плату нужной толщины можно, например, склеиванием нескольких пластин в пакет по технологии изготовления МПП [8]. Возможны и другие варианты на усмотрение конструктора. Увеличение массы блока из-за увеличения толщины плат составит около 22% от всей массы блока, что на наш взгляд не слишком большая цена за возможное снижение количества отказов аппаратуры в 23 раза. Тем более, что оптимизация каркаса и других конструктивных элементов может дать снижение массы блока до 30% [9].
5. Что касается Блока 2, то в данном случае требуемая толщина выходит за рамки ПУ. Но с учетом рекомендаций [6], по которым вместо одной платы 17 0х150 предпочтительно ставить две платы 170х75 (или в верхний ряд, или в затылок), то вполне приемлемым будет для Блока 2 использование безрезонансных ПУ с платами 170х75.
4. Математическая модель (1) вместе с известными приемами увеличения жесткости ПУ (ребра жесткости, дополнительные точки крепления и т.п.) дает конструктору достаточно инструментов для конструирования безрезонансного ПУ.
6. После решения вопросов по выбору варианта безрезонансного конструктива ПУ, выполняются работы по размещению ЭРИ и трассировке межсоединений с возможными корректировками конструкции ПУ без потери его вибрационных свойств.
7. Проводится контроль динамических характеристик спроектированного блока с использованием комплексов программ АСОНИКА, АНСИС и т.п. с возможными корректировками конструкции.
8. Пополняется база знаний экспертной системы САПР полученными в процессе проектирования новыми знаниями, что с течением времени вкупе с другими знаниями позволит сократить время и повысить качество разработки БРЭС.
Выводы.
1. Предложенная методика автоматизированного синтеза компоновки безрезонансных блоков БРЭС по результатам выборочного апробирования показала свою работоспособность и в перспективе, по мере ее совершенствования и внедрения, позволит сократить время и повысить качество разработки БРЭС.
2. Пробные расчеты по предложенной методике показали, что увеличение массо-габаритных характеристик безрезонансных конструкций ПУ не столь значительны как предполагалось некоторыми специалистами и вполне окупаются повышением качества БРЭС.
3. Создание безрезонансных БРЭС требует творческого подхода и высокой квалификации конструкторов и технологов при решении сложных технических задач, что требует повышения уровня подготовки в системе высшего образования [3].
Блок 1 Тип корпуса Габаритные размеры, мм Объем V, дм3
L (длина) H (высота) B (ширина)
2 М 250 194 124 6,0
Плата Lx, мм Ly, мм hta, мм Х1, Х2 yi
170 75 1,5 5 15
Микросхемы Серия МС Тип корпуса Ро, мВт Масса, г У2
401.14-2 150 1 5
Габариты, мм Шаги установки
lx ly hм tx ty
13 10 2,3 20 15
Количество МС nx ny Всего
8,4 | 8 4,0 4 32
Характеристики ПУ Объем,см3 Kv Р, Вт
Плата МС ПУ
19,1 13,2 181 13,6 4,8
Масса, г Км Кэ
Плата МС ПУ
47 32 150 4,7 1,12
Характеристики блока К-во ПУ К-во МС Масса, г Р, Вт
9,2 | 10 320 2256,0 48
Объем, дм3 Kv Км Кзап
МС Объем НЗ
0,10 3,6 3,3 1,5 0,60
ЛИТЕРАТУРА
1. Жаднов В.В., Сарафанов А.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. М., СОЛОН-Пресс, 2004.
2. Конструирование радиоэлектронных средств. Под ред. А.С. Назарова. М, Изд.МАИ, 1996.
3. Бобков Н.М. Конструктор РЭС о конструировании РЭС. http://nntc.nnov.ru/sites/default/files/documets/0 0 konstr RES o konstr RES.pdf
4. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. М. «Советское радио», 1971.
5. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. М., Высшая школа,1990.
6. Гель П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Л., Энергоатомиздат, 1984.
7. Овсищер П.И. и др. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры: Справочное пособие. М., Радио и связь, 1982.
8. Буланов Г.И., Торопов А.А. Способ изготовления многослойных печатных плат. Патент RU 2 474 985
C1.
9. Сарно К. и др. Жесткий и легкий корпус электронной аппаратуры. Патент RU 2 414 813 C2.
10. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры. Под ред. Высоцкого Б.Ф. и др. М.; Радио и связь, 1982.
