Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем

В настоящее время разработчики сложной электронной аппаратуры все большее предпочтение отдают САПР высокого уровня, которые охватывают большинство этапов создания изделия, начиная от начальных до окончательных, включая тестирование опытного образца. При этом такие САПР обеспечивают высокую «ассоциативность» проектов, что позволяет значительно снизить временные затраты на разработку аппаратуры, в то время как использование вместо них набора отдельных ускоспециализированных САПР более низкого уровня при неизбежных доработках аппаратуры фактически означает повторения цикла проектирования с многочисленными конвертациями данных из одного программного продукта в другой.

Среди таких систем можно выделить систему Pro/ENGINEER (ныне Creo Parametric) [1]. Она относится к «механической» САПР, охватывающей все стадии проектирования и подготовки производства, включающая процесс 3D моделирования, инженерного анализа и разработку технологии.

Для решения задачи инженерного механического анализа конструкций РЭС может быть использован модуль Pro/ENGINEER Mechanica. Он позволяет осуществлять исследование термомеханических характеристик проектируемых изделий и их оптимизацию по заданным параметрам.

Однако в модуле Pro/ENGINEER Mechanica отсутствует возможность моделирования процессов нарушения контактов плата-компонент радиоэлектронного модуля, в то время как нарушение целостности паяного соединения является основной причиной его отказа при механических воздействиях. В тоже время после проведения тестирования модуля целесообразно проверить электрорадиоэлементы, находящиеся в наиболее нагруженных областях и выяснить к чему может это привести. Для определения условий нарушения целостности паяных соединений требуется провести для каждого типа компонента масштабные испытания, которые дадут в качестве результатов максимальную допустимую глубину прогиба платы, количество термоциклов и т.д. при которых произойдет нарушение контакта.

Методика тестирования регламентируется международным стандартом IEC/PAS 62137-3 [2]. В нем подробно описаны способы ускоренного испытания различных компонентов (как поверхностномонтируемых, так и с монтажом в отверстия) на удар, вибрацию, сдвиг и другие виды нагрузок. Для интенсификации разрушительных процессов, протекающих в паяном соединении применяется процесс термоциклирования- выдержка в термокамере при определенной температуре. Указаны также параметры термоциклирования и их количество. Однако в стандарте нет сведений о конструкции применяемых испытательных стендов, есть только рекомендации, касаемые выполнения тестовых плат и конструкции захватов для них.

Для реализации испытания электронных компонентов на прочность паяных соединений при действии вибраций может быть использована автоматизированная установка, структурная схема которой представлена на рисунке 1.

Условно установку можно разделить на три большие части: персональный компьютер со специализированным программным обеспечением (ПО), испытательный стенд, помещенный в камеру тепла и холода, снабженный датчиками и интерфейсные узлы.

Вибростенд 11 (рисунок 1) обеспечивает заданное механическое воздействие на тестовую плату с припаянным образцом 12. Параметры вибрационного воздействия контролируются вибродатчиком 6. Для контроля механических колебаний испытуемого компонента предусмотрены лазерные датчики 13, обеспечивающие фиксацию продольных и сдвиговых колебаний образца. Сигналы датчиков поступают в интерферометр 9 и с помощью контроллера 8 подаются в анализатор спектра 7. Вся информация поступает в персональный компьютер и фиксируется в программе.

Выводы тестируемого компонента должны быть соединены в последовательную цепь. В [3] представлены способы формирования такой цепи у различного типа корпусов интегральных микросхем.

Рис. 1. Структурная схема установки испытаний

на надежность паяных соединений при воздействии вибраций

Для контроля целостности паяных соединений служит соответствующий измеритель 10, который передает данные в управляющий компьютер. Как только сопротивление цепи значительно возрастает, даже в течение короткого промежутка времени, что эквивалентно отказу, тестирование прерывается.

Параметры механических воздействий задаются в ПО на персональном компьютере и через управляющий контроллер 3 и усилитель мощности 5 подаются на специализированные приводы стенда. При этом возможно изменять частоту и амплитуду.

Результаты испытаний статистически обрабатываются с помощью вычислителя 2- отдельного модуля ПО компьютера. На основании этих данных формируется база данных предельных параметров вибраций, которые выдерживает тестируемый компонент при заданных количествах термоциклов.

Несколько иная схема установки при испытании на действие ударов (рисунок 2). Удары производятся на обратную сторону тестовой платы специальным стальным шариком [4]. Эта же схема может применяться при тестировании на многократные ударные воздействия. В этой установке применяется специализированный привод, производящий последовательное бросание загруженных в лоток шариков. Для контроля этого процесса применяется датчик 6. С помощью датчика 13 анализируются амплитудные и частотные составляющие спектра удара, которые также передаются в ПК. Стандартом IEC/PAS 62137-3 [2] предусмотрено бросание шарика до тех пор,

Рис. 2. Структурная схема установки испытаний

на надежность паяных соединений при воздействии ударов

пока не нарушится целостность контактов, контролируемых измерителем сопротивления 10 (рисунок 2). Предварительно проводят термоциклирование.

Проведение указанных испытаний на предлагаемых автоматизированных установках позволяет определить предельные параметры, определяющие надежность паяных соединений различных электронных компонентов, что позволит выявить необходимость дальнейшей доработки радиоэлектронного модуля. С помощью данных установок возможно тестирование практически любых поверхностномонтируемых компонентов.

Литература

1. Минеев М.А. Pro/Engineer Wildfire 2.0/3.0/4.0. - М.: Наука и техника, 2008. - 352 с.

2. Future IEC/PAS 62137-3 © IEC:200x-7-91/784/PAS.

3. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий Подсистема испытания паяных соединений электронных компонентов на механические воздействия // Радиотехника 2012. №8 С. 80-84

4. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев Методы испытания паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов на механические воздействия // Радиотехника 2012. №8 С. 76-80

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.38

А.В. Турецкий

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

Рассмотрена система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения Pro/ENGINEER, интерфейс, возможности данной программы. Приведена классификация задач моделирования и оптимизации, осуществлена математическая постановка задач моделирования механических характеристик и конструкций РЭС. Приведены математические модели механических сил, действующих на РЭС. Разработана методика моделирования механических характеристик.

В связи с необходимостью проектирования сложных радиоэлектронных средств (РЭС) в минимальные сроки и с высоким качеством проектных работ целесообразно применять вычислительную технику, поэтому автоматизированные методы проектирования РЭС различного назначения широко внедряются в практику радиопромышленности.

Pro/ENGINEER является ядром интегрированного комплекса автоматизации предприятия, с помощью которого осуществляется поддержка жизненного цикла изделия в соответствии с концепцией CALS-технологий, включая двунаправленный обмен данными с другими Windows-приложениями и создание интерактивной документации. Полностью переработанный интерфейс : очень сильный упор сделан на эргономические качества, значительно повышающие эффективность работы конструктора.

Расширенные возможности модуля Pro/ENGINEER Mechanica (www.ptc-russia.com, www.pro-technologies.ru, www.solver.ru) /5-6,8-10/, позволяют решить многие задачи моделирования. Он обладает следующими возможностями:

- статический анализ для расчета напряжений и перемещений, включая контактные нелинейные задачи;

- модальные решения для незакрепленной и закрепленной модели;

- возможности расчета на устойчивость позволяют определить критическую для конструкции нагрузку;

- анализ стационарной теплопередачи для оценки воздействия на модель постоянной тепловой нагрузки и граничных условий.

Кроме того, конструкторы могут самостоятельно выполнять комплексный прочностной и тепловой анализ, где результаты теплового анализа используются в качестве нагрузки для cтатического анализа.

Модуль Pro/ENGINEER Mechanica работает со всеми типами геометрии: твердыми телами, оболочками, стержнями или смешанными моделями, а также содержит набор команд, позволяющих быстро готовить оптимальные (то есть быстро и точно рассчитываемые) расчетные схемы. Данный модуль воспринимает сборку из системы Pro/ENGINEER и автоматически соединяет компоненты во время решения. Такая возможность особенно важна при моделировании сложных сварных изделий из листового металла.

Pro/ENGINEER Mechanica обладает уникальной технологией, которая позволяет получить точные результаты при минимальных временных затратах со стороны конструктора. В традиционных системах прочностного анализа расчетчик интерактивно оптимизирует сетку конечных элементов (МКЭ) до тех пор, пока она точно не воспроизведет CAD-геометрию. Расчет требует большого опыта создания сеточных моделей. Приложение Pro/ENGINEER Mechanica снимает с конструктора задачу ручной подготовки сеточной модели, поскольку автоматически обеспечивает сходимость при проведении анализа.

Имеются следующие возможности конструкторских исследований и нахождения оптимального решения:

- взаимодействие с модулем Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics Option для получения данных о нагрузках на элементы механизма;

- расчет локальной и глобальной чувствительности, который позволяет инженеру оценить воздействие отдельных изменений на состояние конструкции в целом;

- целевая комплексная оптимизация, которая обеспечивает наилучший профиль модели, т.е. совокупность таких характеристик проектирования, как размеры модели и значения параметров;

- взаимодействие с модулем Pro/ENGINEER Behavioral Modeling, где есть расширенные функции оптимизации, как, например, планирование эксперимента;

- настраиваемый интерфейс, позволяющий использовать внешние системы вспомогательных расчетов (например, расчета электромагнитных цепей).

Pro/ENGINEER Mechanica позволяет инженерам-конструкторам самостоятельно оценить, исследовать и оптимизировать структурное поведение разрабатываемых ими конструкций, находящихся под воздействием реальных статических и динамических нагрузок. Точное представление геометрии, уникальная адаптивная методика расчета, развитые возможности анализа вибрации и определения собственных частот и форм колебаний, включая выполнение временного и спектрального анализа исключают необходимость создания опытных образцов для проведения испытаний. Нагрузки и закрепления прикладываются непосредственно к геометрии модели и отображают воздействие внешней среды. Возможности проведения многозадачного анализа позволяют проводить одновременную оптимизацию по прочностным, тепловым и кинематическим характеристикам.

Среди задач механического анализа конструкций РЭС можно выделить следующие:

- статический анализ напряженного состояния конструкций с определением перемещений, напряжений, деформаций и усилий с выявлением наиболее нагруженного участка (пригоден для задач, в которых действие сил инерции или процессы рассеяния энергии не оказывают существенного влияния на поведение конструкции);

- модальный анализ с расчетом собственных частот конструкции в различных точках с выявлением опасных участков (результаты анализа дают возможность установить число форм колебаний и шаг интегрирования по времени, что может обеспечить надежное решение задачи о динамическом поведении системы в неустановившемся режиме);

- гармонический анализ конструкции на воздействие вибраций синусоидальной формы с получением перемещений и ускорений на заданном интервале частот, формы колебаний на резонансной частоте;

- анализ конструкций на случайные вибрации, получение векторов перемещений;

- анализ конструкций на действие ударов, выявление участков наиболее подверженных разрушению при ударе.

Для моделирования механических характеристик конкретных конструкций при внешних вибрационных воздействиях с помощью современных программных средств необходимо осуществить математическую постановку задач, т.е. сформировать комплекс моделей, включающих дифференциальные уравнения и граничные условия.

Гармоническая вибрация (изменяющаяся по гармоническому закону) сравнительно редко встречается в реальных условиях, но широко используется при лабораторных испытаниях и при анализе, она важна также при определении динамических характеристик конструкций, которые используются для нахождения реакции системы при более сложных формах вибрации. Виброперемещение при гармонической вибрации описывается выражением

z(t) = Ssin(ωt +), (1)

где S - амплитуда виброперемещения,

ω - угловая частота,

t- время,

- начальная фаза колебаний.

Виброскорость и виброускорение находят путём последовательного дифференцирования выражения:

(2)

где ωS- амплитуда виброскорости;

S₀=ω²S- амплитуда виброускорения.

Основными характеристиками гармонической вибрации являются: амплитуда виброперемещения, виброскорости, виброускорения и угловая частота колебаний.

Гармоническая вибрация часто характеризуется коэффициентом виброперегрузки:

, (3)

где f- частота, Гц.

Полигармоническуювибрацию создают электродвигатели, вентиляторы и другие электромеханические устройства, имеющие несбалансированные быстровращающиеся массы /7/. Такую вибрацию (рисунок 1), можно разложить на сумму гармонических составляющих. Аналитически это разложение может быть представлено рядом Фурье:

(4)

Рис. 1. Полигармоническая вибрация

Амплитуда S_i и начальная фаза _iкаждой i-й гармоники с частотой ω_i=iω определяется по формулам:

; (5)

При использовании динамической (физической) модели конструкции РЭС в виде системы стержней и пластин (каркасы стоек, блоков, ячеек платы и т.д.) задача сводится к анализу колебаний в таких элементах и имеет типовые постановки и соответствующие ММ.

Модель продольных колебаний стержней включает уравнение:

, (6)

где - амплитуда (смещение) точки;

с²=Е/;

Е- модуль упругости;

f(x,t)=F(x,t)/ - плотность внешней силы F(x,t), а также начальное условие

(x,0)=(x), (7)

(8)

В качестве граничных условий используются следующие:

- условие I рода:

(0,t)=₁(t), (l,t)=₂(t), (9)

где l- длина стержня;

f₁, f₂- законы движения концов стержня;

-условие II рода:

, (10)

, (11)

где F₁, F₂- законы изменения силы, приложенной к концам стержня.

В частности, для упруго закрепленного при x=l стержня:

, (12)

где k- коэффициент жесткости закрепления;

- условия III рода:

, (13)

(14)

где  (t)- закон распределения точки закрепления стержня

В случае трехмерного объекта дифференциальное уравнение гиперболического типа имеет вид:

(15)

Начальное условие постановки краевой задачи имеет вид:

(16)

Для некоторых типовых конструкций РЭС (платы) используется модель поперечных колебаний пластины. Механические колебания в однородной пластине описываются уравнением:

; (17)