Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КОВРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
Кафедра А и У
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К лабораторной работе №4 по дисциплине
«Надежность систем управления»
НАДЁЖНОСТИ И КАЧЕСТВА АППАРАТУРЫ «АСОНИКА» .
Ковров, 2007 г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
НАДЁЖНОСТИ И КАЧЕСТВА АППАРАТУРЫ «АСОНИКА»
Цель работы: ознакомление с методами и системами автоматизации оценки надежности электронных блоков при проектировании с учетом электрических нагрузок, а также температурных и механических воздействий.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Современная инженерная практика показывает, что проблема обеспечения надежности аппаратуры является комплексной и многоплановой. Из-за плохого использования возможностей математических методов и ЭВМ существуют случаи недостаточно глубокой проработки проектов на ранних стадиях проектирования, что приводит к длительной и неоптимальной доводке опытных образцов.
Система обеспечения надежности и качества аппаратуры - АСОНИКА, предназначена для автоматизации оценки надежности, прежде всего на этапах проектирования, с применением математического моделирования и вычислительного эксперимента.
К современным системам управления (СУ) мобильных РТК (наземных, колесных, гусеничных, воздушных и морских) предъявляются высокие требования по надежности, в частности по времени эксплуатации, в течение которого они должны сохранять работоспособность (десятки тысяч часов).
В этих условиях актуальной становится задача оценки максимального времени эксплуатации ЭРЭ в составе блоков электронной аппаратуры СУ, при котором не наступает усталостное повреждение ЭРЭ при воздействии механических нагрузок, основными из которых являются вибрационные воздействия.
Из-за нагрева ЭРЭ и печатных плат (ПП) жесткость печатных узлов (ПУ) уменьшается; и уровень виброускорений при этом возрастает, что необходимо учитывать при оценке надежности и времени до усталостного повреждения ЭРЭ и элементов конструкции электронных блоков (Бл).
Учитывая, что на этапе проектирования СУ проведение таких оценок экспериментальным путем потребует проведения дорогостоящих и значительных по трудоемкости работ, становится особенно актуальными методы математического моделирования и вычислительного эксперимента, реализуемые САПР « АСОНИКА».
Система «АСОНИКА» имеет в составе 4 подсистемы:
Таким образом в системе «АСОНИКА» программно обеспечивается учет максимального количества факторов влияющих на надежность каждого элемента, что приводит к возможности наиболее достоверной оценки надежности электронных блоков аппаратуры на этапах проектирования.
1. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНСТРУКЦИЯХ. ПОДСИСТЕМА «АСОНИКА – М»
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА ПОДСИСТЕМЫ «АСОНИКА – М»
При проектировании конструкций электронной аппаратуры (ЭА) большое значение имеет исследование уровней вибрационных и ударных воздействий на аппаратуру. Это связано с тем, что на неё существенное влияние оказывают механические воздействия. Они вызывают от одной трети до половины всех ее отказов. Поэтому защита аппаратуры от механических воздействий важная задача, решаемая конструктором. Для успешного решения этой задачи он должен располагать необходимыми сведениями о методах и способах защиты аппаратуры, а также уметь анализировать влияние механических воздействий на аппаратуру. Экспериментальные исследования конструкций ЭА являются трудным и длительным процессом и часто не позволяют получить механические характеристики в интересующих точках конструкции. Подсистема анализа и обеспечения стойкости ЭА к механическим воздействиям АСОНИКА-М позволяет решать указанные задачи путем математического моделирования с помощью персональной ЭВМ.
Структурная схема подсистемы «АСОНИКА – М» приведена на Рис. 1.
Рис.1. Структура подсистемы «АСОНИКА – М»
где:
Монитор (управляющая программа) обеспечивает связь между сервисной оболочкой подсистемы (п/с) и программными модулями, входящими в п/с, дает возможность осуществить ряд задач, обеспечить программу входной информацией, организовать процесс управления программным обеспечением п/с.
Интерфейс связи подсистемы «АСОНИКА – Т» получает из подсистемы «АСОНИКА – Э» информацию о токах, а затем по полученным значениям производит расчет мощностей тепловыделений на ЭРЭ.
Интерфейс связи «АСОНИКА – М» получает значение температур участков ПУ и формирует входной файл для своей подсистемы.
Интерфейс связи с системой P – Cad позволяет получить информацию о размерах печатной платы и ее топологии, координатах ЭРЭ, их ориентации.
База данных (БД) содержит параметры моделей ЭРЭ и материалов необходимые для расчетов по соответствующей п/с. Так, из БД автоматически поступают физико-механические параметры конструкционных материалов, геометрические характеристики ЭРЭ, максимально допустимые по техническим условиям виброускорения на ЭРЭ.
Результаты расчеты оформляются в виде таблиц и графиков, предусмотрена также печать информации для карт рабочих режимов ЭРЭ.
Подсистема «АСОНИКА-М» позволяет проводить оценку надежности в условиях механических воздействий блоков двух типов конструкции: кассетного (БКТ, Рис. 2.) и этажерочного (БЭТ, Рис. 3).
Рис. 2. Пример блока кассетного типа.
1 - основание, на котором установлен блок;
2- блок;
3 - печатные узлы;
4- направляющие;
5 - блок разъемов;
6 - контрольно-измерительное устройство;
7 -места крепления разъемов к основанию;
8 - зажимы для крепления блока к основанию.
Рис. 3. Пример блока этажерочного типа
1 - стеллаж, на котором установлен блок;
2 - блок;
3 - печатные узлы;
4 - шпильки.
Исследование механических характеристик элементов конструкций электронных блоков кассетного (БКТ) и этажерочного типа (БЭТ) с целью иерархического расчета на внешние вибрационные воздействия проводится с учетом следующего:
Для блоков этажерочной конструкции дополнительно учитывают следующее:
На Рис.4. представлены примеры вариантов уровней конструктивной иерархии от нулевого до третьего для БКТ и БЭТ.
Рис. 4. Схемы иерархических конструктивных уровней разукрупнения.
Такое иерархическое разукрупнение проводится с учетом анализа механических характеристик каждого уровня отдельно, когда результаты расчета предыдущего уровня являются начальными для последующего. При этом учитывается:
Кроме того возможен учет рассеивания энергии в материалах конструкций, зависящее от механических напряжений и температуры.
1.2. ЗАДАНИЕ НА ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ
Провести анализ механических характеристик и длительности работоспособности ЭРЭ печатной платы и элементов конструкции электронного блока СУ кассетного или этажерочного типа при воздействии гармонической вибрации в заданном диапазоне частот и виброускорений при температуре 40°С в следующем объеме :
Для подготовки входных данных необходимо иметь:
Результатом подготовки входных данных являются:
– уровни входных воздействий в заданном диапазоне частот;
– геометрические и физико-механические параметры анализируемой конструкции;
– координаты и ориентация расположения ЭРЭ на ПП по подсистеме связи с
P – Cad;
– температура участков ПУ по данным п/с «АСОНИКА – Т»;
– максимально допустимые воздействия на ЭРЭ и комплектующие по их ТУ.
1.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
В процессе проектирования БКТ и БЭТ бортовой аппаратуры решается задача обеспечения допустимых виброускорений на ЭРЭ и времени до усталостного разрушения выводов ЭРЭ. При этом вначале проводится расчет конструкций, а затем на основе анализа результатов вносятся изменения в конструкцию с целью улучшения ее механических характеристик. Конструкция БКТ и БЭТ разбиваются на конструктивные уровни разукрупнения. На каждом уровне иерархии проводится анализ механических характеристик и в случае необходимости, корректировка очередного варианта конструкции.
3.1. На основе технического задания на разработку изделия, эскизных чертежей конструкции в проекциях или аксонометрии и перечня конструкционных материалов и ЭРЭ готовятся исходные данные для расчета. По результатам работы подсистемы тепловых расчетов поступают массивы температур участков печатных плат, необходимые для учета неравномерности распределения температуры по печатной плате. При вводе исходных данных используются БД и результаты работы системы Р-Саd.
3.2. Допустимые по ТУ виброускорения на ЭРЭ в составе БКТ и БЭТ сравниваются с заданными в ТЗ значениями виброускорений в местах крепления блока.
3.3. Минимальные наработки ЭРЭ на отказ сравниваются с суммарной длительностью воздействий вибрации на аппаратуру в условиях эксплуатации.
3.4. Последовательность решения поставленной задачи проектирования уточняется в процессе моделирования. Так после оценки исходного варианта конструкции в случае превышения допустимых по ТУ на ЭРЭ воздействий, полученных при расчете может возникнуть необходимость:
– использование систем виброизоляции (вибродемпфирования) и выбора оптимальных амортизаторов;
– изменение конструкции блока в части мест и тип крепления ПУ, переразмещения на них ЭРЭ;
– увеличение прочности конструкции за счет изменения размеров и выбора материала, в том числе толщины и материала ПП.
Такие мероприятия по конструктивной доработке исходного варианта должны проводиться до тех пор, пока не будет обеспечено соответствие параметров воздействий допустимым по ТУ на ЭРЭ.
1.4. ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Работа выполняется на учебном подготовленном вычислительном комплексе на основе ПЭВМ. Самостоятельно бригадой студентов по дополнительной инструкции пользователя (выдает преподаватель).
Примеры выходных данных приведены ниже в виде графиков и таблиц:
– амплитудно-частотные характеристики в контрольных точках ПУ;
– максимальные амплитуды ускорений участков ПУ при вибрационных и ударных воздействиях;
максимальные амплитуды ускорений и коэффициенты механической нагрузки ЭРЭ при вибрационных и ударных воздействиях;
– формы колебаний ПУ при вибрационных воздействиях.
Примеры графиков приведены на Рисунках 5, 6, 7; примеры таблиц – в таблицах № 1, 2, 3, 4 и 5.
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика в контрольной точке ПУ.
Резонанс №1 (196 Гц). Максимальная амплитуда виброускорения: 170 g.
Резонанс №2 (286 Гц). Максимальная амплитуда виброускорения: 268 g.
Рис. 6. Поле механических напряжений ПУ на резонансной частоте № 1.
Максимальная амплитуда напряжения = 27.8 кг/мм2.
Рис. 7. Поле механических напряжений ПУ на резонансной частоте № 2.
Максимальная амплитуда напряжений: 93,2 кг/ мм2
Таблица 1. Предельные режимы работы ЭРЭ.
Таблица 2. Характеристики слоев платы.
Таблица 3. Описание платы.
Таблица 4. Описание ЭРЭ.
Таблица 5. Виброускорение на ЭРЭ.
|
№ |
Обозначение ЭРЭ |
Ускорение ЭРЭ |
Коэффициент механической нагрузки |
Перегрузка ЭРЭ; [G] |
||
|
Частота, Гц |
Максимальное расчетное ускорение |
Максимальное допустимое по ТУ |
||||
|
1 |
R2 |
155 |
175.9 |
30 |
5.86 |
145.9 |
|
2 |
R8 |
220 |
261.5 |
30 |
8.72 |
231.9 |
|
3 |
C3 |
155 |
302.6 |
20 |
15.13 |
282.6 |
|
4 |
VT4 |
155 |
260.3 |
10 |
26.03 |
250.3 |
|
5 |
T1 |
155 |
211.2 |
10 |
21.12 |
201.2 |
|
6 |
R1 |
152 |
5 |
30 |
0.17 |
|
|
7 |
C1 |
220 |
5 |
20 |
0.25 |
|
|
8 |
TD8 |
152 |
5 |
10 |
0.5 |
|
|
9 |
VT3 |
152 |
5 |
10 |
0.5 |
|
|
10 |
R11 |
220 |
14.3 |
30 |
0.48 |
1.5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Отчет по проведенной работе должен содержать:
– титульный лист;
– описание цели работы, назначения и структуры подсистемы;
– примеры конструкций электронных блоков и схем их разукрупнения;
– задание на выполнение работы;
– изложение результатов моделирования, графики, таблицы;
– анализ результатов, выводы и рекомендации по мероприятиям для повышения надежности и качества.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ.
ПОДСИСТЕМА «АСОНИКА – К»
2.1. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ПОДСИСТЕМЫ «АСОНИКА – К»
Подсистема «АСОНИКА-К» является составной частью автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА).
Пpименение подсистемы позволяет пользователю в pезультате pаcчетов на ПЭВМ получить показатель безотказности в виде среднего времени наработки до отказа. Анализ этой инфоpмации позволяет cвоевpеменно выявить «cлабые меcта» pазpабатываемой аппаратуры и дать обоcнованные pекомендации по изменению cxемы, конcтpукции и элементной базы c целью обеcпечения тpебований Теxничеcкого Задания (ТЗ) в чаcти показателей безотказности аппаратуры.
Для пpоведения pаcчетов показателей безотказности аппаратуры необxодима cледующая инфоpмация:
- уcловия экcплуатации, требования по надежности и т.д. (т.е. инфоpмация из ТЗ на пpоектиpование аппаратуры);
- структурная, функциональная и надежностная схемы РЭС, спецификации и перечни элементов (ЭРЭ и КИ – комплектующие изделия).
- электрические и тепловые режимы работы ЭРЭ и т.д. (т.е. иформация из предварительных расчетов электрических характеристик схем, тепловых и механических характеристик конструкций, проведенных с помощью существующих программных средств подсистем «АСОНИКА – Э», «АСОНИКА – Т» и «АСОНИКА – М».
Информация о ЭРЭ содержится в Базе Данных (БД) подсистемы.
В состав подсистемы входят три автономных пакета программ, названия и назначение которых представлено ниже:
- пакет программ анализа допусков и вероятности безотказной работы по постепенным отказам (ПАД);
- пакет программ анализа показателей безотказности по внезапным отказам по данным Единого справочника, содержащихся в БД (ПАПБ БД);
Пакет ПАПБ БД ориентирован на работу с данными двух типов: данные об элементах и данные об изделиях. Пакет позволяет создавать эти наборы данных, просматривать и корректировать их содержание; кроме того, пакет обладает средствами для быстрого автоматизированного поиска необходимой информации в этих наборах.
Пакет позволяет проводить разузлование изделия и определять его элементный состав. По полученному составу изделия проводится расчет времени наработки на отказ, значений интенсивности отказов изделия в работе и при хранении, стойкости, стоимости и других необходимых характеристик радиотехнических изделий.
В системе также содержатся необходимые для этих расчетов вспомогательные таблицы.
Полноэкранный интерфейс на русском языке с подсказками позволяет пользователю легко ориентироваться при работе с пакетом. Занесение состава изделия и проведение расчетов не требуют специальных навыков, корректировка характеристик элементов требует некоторой ориентации в наименованиях таблиц и номерах расчетных формул.
2.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Занесение состава изделия и проведение расчетов производится при обращении к пункту «Работа с основной базой данных» главного меню. При этом создаются записи, по одной на каждое включаемое изделие или элемент. При занесении состава изделия последовательно заполняются графы:
1. Наименование изделия, состав которого вводится в данный момент. Это наименование может быть условным (децимальный номер изделия). По этому номеру будет производится поиск состава изделия и ссылки на него.
2. Вид элемента - наименование базы, в которой хранится описание включаемого элемента. Это наименование вводится из списка, который высвечивается после нажатия клавиши «Enter».
3. Обозначение - имя включаемого элемента. Может вводится пользователем самостоятельно или выбираться из списка базы, который высвечивается после нажатия клавиши «Enter». Для сопротивлений и конденсаторов в этом поле после звездочки вводится значение номинала элемента.
4. Наименование - строка произвольного текста, предназначенная для хранения информации о полном названии, назначении и области применения включаемого элемента.
5. Количество в изделии - количество одинаковых и одинаково включаемых в данное изделие элементов (более простых изделий).
6. Коэффициент нагрузки - отношение используемых параметров (тока, напряжения, мощности) к номинальным. Вид параметра определяется типом включаемого элемента.
7. Температурный коэффициент - отношение рабочей температуры элемента к окружающей температуре, задаваемой в исходных данных для проведения расчета надежности.
Для некоторых элементов пакет задает дополнительные вопросы, ответы на которые описывают способ включения этого элемента в изделие.
2.3. ПРОВЕДЕНИЕ РАСЧЕТОВ.
При расчетах необходимо обязательно провести разузлование изделия, при этом создается файл со списком элементов, используемый в конкретных расчетах стоимости, надежности и т.д.
Для проведения разузлования надо выделить подлежащее разузлованию изделие. Делается это либо в пункте «Просмотр базы», либо в пунктах дополнения и корректировки состава изделий. Имя текущего элемента высвечивается в левом нижнем углу экрана.
После выбора изделия командой «Разузлование» составляется список элементов, входящих в изделие, подлежащее расчету. При необходимости его можно просмотреть командой «Листинг разузлования».
Далее для проведения расчетов следует перейти в меню расчетов командой «Расчеты».
2.3.1. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ.
Для проведения расчета надежности следует предварительно задать исходные данные. К ним относятся:
1. Рабочая температура изделия.
2. Коэффициент ухудшения. Этот коэффициент учитывает ухудшения составляющих изделие элементов по прошествии некоторого срока его выпуска (принимает значения 1, 0.9, 0.85 ).
3. Вид приемки. Имеет значения «1» и «2» и учитывает элементы специальных приемок.
4. Группа аппаратуры. Имеет значения от «1» до «14» и обозначает различные условия эксплуатации проектируемого изделия. При этом приняты следующие обозначения:
Таблица 6.
|
№ группы |
Описание условий эксплуатации |
|
1 2 |
аппаратура, размещаемая в наземных сооружениях аппаратура, размещаемая в специальных наземных сооружениях |
|
3 |
аппаратура, размещаемая на передвижных обьектах |
|
4 5 6 7 |
аппаратура морской техники, размещаемая в помещениях кораблей аппаратура морской техники, размещаемая на открытых палубах кораблей аппаратура морской техники, предназначенная для работы в воде аппаратура катеров, кораблей на подводных крыльях и на воздушной подушке |
|
8 9 10 11 - 14 |
аппаратура вертолетов аппаратура до звуковых самолетов аппаратура сверхзвуковых самолетов бортовая аппаратура ракетной техники |
5. Число соединений. Определяет число соединений в проектируемом изделии. Автоматически вычисляется системой при обращении к пункту «Расчет числа соединений» по суммарному числу выводов всех входящих элементов.
В конце задания данных система спрашивает, нужно ли учитывать коэффициенты замен. Эти коэффициенты занесены в базу данных для каждого элемента и учитывают возможные замены элементов из ЗИПа изделия.
После задания данных переход к расчету надежности осуществляется командой «Расчет надежности». При расчете используются данные по элементам и вспомогательные зависимости в соответствии с Единым справочником «Надежность электрорадиоизделий» и с ТУ на электрорадиоэлементы.
Если расчет необходимо произвести с учетом надежности контактов, следует предварительно произвести расчет числа соединений. Это число автоматически вычисляется пакетом при обращении к пункту «Расчет числа соединений» по суммарному числу выводов всех входящих элементов.
2.3.2. РАСЧЕТ СТОИМОСТИ
Расчет производится без задания дополнительных исходных данных. Результат расчета (суммарная стоимость всех элементов - комплектующих разузлованного изделия) выводится на экран.
2.4. ЗАДАНИЕ НА ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ
Провести расчет показателей безопасности:
– эксплуатационная интенсивность отказов, 1/час;
– средняя наработка до отказа, час.
2.5. ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Работа выполняется на учебном подготовленном вычислительном комплексе на основе ПЭВМ самостоятельно бригадой студентов по дополнительной инструкции пользователя (выдает преподаватель).
Выходные данные (результаты расчета показателей безотказности) заносятся в отчет по лабораторной работе. Примеры выходных данных приведены в таблицах № 7, 8.
Таблица 7. Параметры расчета надежности.
Таблица 8. Показатели надежности изделия.
2.6. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Отчет по проведенной работе должен содержать:
– титульный лист;
– описание цели работы, назначения и состава подсистемы;
– задание на выполнение работы;
– результаты расчета показателей безотказности;
– выводы.
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
Приложение 1
Таблица 1 заданий Pc3(t) в различных условиях эксплуатации.
|
№ п/п |
Условия эксплуатации изделия |
Pc 3(t) |
t |
Kλ |
|
1. |
В стационарных наземных устройствах |
0,80 |
96 |
10 |
|
2. |
На кораблях при монтаже приборов в защищенных отсеках |
0,90 |
96 |
17 |
|
3. |
На автоприцепах и колесных подвижных объектах |
0,80 |
240 |
25 |
|
4. |
На железнодорожных платформах |
0,85 |
120 |
30 35 |
|
5. |
На гусеничных подвижных объектах |
0,95 |
96 |
45 |
|
6. |
В составе бортовой аппаратуры на самолетах |
0,98 |
24 |
100 120 |
Приложение 2
Таблица 2
|
Вариант №.......... |
Условия эксплуатации (тип объекта).......... |
Кλ =………. |
||||
|
№ п/п |
Наименование и тип элемента |
Обозначение по схеме |
Кол – во элементов |
Номинальная интенсивность отказов 10-6 1/час |
nj·Kλ·λj0·10-6 [1/час] |
Результаты расчета |
|
1. 2. . . . к |
λбл 2(t) = Pбл 2(t) = |
Приложение 3
Таблица 3
|
Вариант №………. |
Задание Pc3(t) ≥………. |
Условия эксплуатации (тип объекта)……………… |
|||
|
№ п/п |
Наименование |
Первый блок |
Второй блок |
Третий блок |
Система |
|
1. |
Интенсивность отказов 1/час |
||||
|
2. |
Вероятность безотказной работы ….…за …....час |
||||
|
3. |
Средняя наработка на отказ час |
Приложение 4
Таблица 4 вариантов заданий
|
λ |
λ0min |
|||||||||||||
|
№ Варианта (по списку) |
Вариант схемы |
№ 1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
№ 2 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
||
|
№ по таблице 1 заданий условий эксплуатации |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Примеры вариантов:
15.2.3 – № по списку – 15, № схемы 2, № по таблице 1 – 3, λ0max.
21.2.3 – № по списку – 21, № схемы 2, № по таблице 1 – 3, λ0min.
6.1.6 – № по списку – 6, № схемы 1, № по таблице 1 – 6, λ0max.