УДК. 621.396 АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ В СИСТЕМЕ PRO/ENGINEER

УДК. 621.396
АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ
МОДУЛЕЙ В СИСТЕМЕ PRO/ENGINEER
И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, П.П. Чураков
Рассмотрены основные стадии процесса моделирования радиоэлектронных модулей в системе Pro/ENGINEER с
использованием специализированного модуля Pro/ENGINEER Mechanica. Даны примеры основных видов механического воздействия: ударного и динамического частотного
Ключенвые слова: радиоэлектронный модуль, нагрузка, механический анализ
Комплекс характеристик конструкций РЭС,
подлежащих анализу с помощью современных
средств автоматизированного проектирования, включает в себя три основных составляющих: тепловые
характеристики, механические характеристики и характеристики электромагнитной совместимости. Значительная часть таких характеристик может быть отнесена к типовым, что позволяет получать и исследовать их с помощью соответствующих программных
средств моделирования, входящих в состав автоматизированных комплексов, в том числе Pro/Engineer.
Рассмотрим виды механического анализа в
широко распространенной системе Pro/ENGINEER
[1-5]. Для этих целей в ней имеется модуль
Pro/ENGINEER Mechanica.
Pro/ENGINEER Mechanica это составная часть
САЕ инструмента дающая возможность для проведения анализа механических и тепловых характеристик физической модели с использованием виртуальных 3D-моделей, позволяет определить критические значения параметров модели при различных
воздействиях и на основе полученных результатов
анализа изменить проект.
В систему Pro/ENGINEER Mechanica входят
два модуля – Structure и Thermal – каждый из которых имеет свой собственный решатель для различных типов воздействий. Эти два модуля основаны
на методе конечных элементов.
Имеются два метода проведения анализа:
стандартный (с помощью встроенного решателя) и
метод использования математического ядра, основанного на методе конечных элементов, других программных продуктов, таких как ANSYS и NASTRAN..
При использовании стандартного метода исследование можно провести за четыре последовательных шага [3]:
-разработка модели;
- анализ модели;
- определение поправок в проекте;
- оптимизация модели.
.
Лозовой Игорь Алексеевич – ВГТУ, аспирант, тел. (473)
243-77-06
Турецкий Андрей Владимирович – ВГТУ, канд. техн.
наук, доцент, тел. (473) 243-77-06
Чураков Петр Павлович – ПГУ, д-р техн. наук, профессор,
тел (8412) 36-82-40
Для выполнения анализа, полученную CADсредствами модель, необходимо упростить, то есть
свести до минимума детализацию объекта, специалист, который проводит анализ, должен понимать от
каких элементов модели можно отказаться, а какие
необходимо оставить по причине их непосредственного влияния на тепловые и механические характеристики изделия.
Система Pro/Engineer Mechanica имеет структуру анализов, изображенную на рисунке 1. В ней
использует четыре системы единиц измерения: метрическую (MKS), метрическую (mmNS), английскую (FPS), английскую (IPS).
С помощью модуля Mechanical можно задать
многие граничные и начальные условия, задаются
они с помощью инструментальной панели [3-5].
Можно выбирать свойства для трех типов симметричности материалов:
- Isotropic - материал с бесконечным числом
симметричных материалов, у которых равные свойства во всех направлениях. Вводится по одному значению свойств.
- Orthotropic - материал с симметрией относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей.
Вводятся три значения для каждого направления.
- Transversely isotropic - материал с вращательной симметрией вокруг оси. Свойства равны для
всех направлений в одной плоскости, плоскость
изотропная. Вводятся два значения для каждого
свойства - один для плоскости изотропии, и один
для остающегося основного направления материала.
Эти типы материальной симметрии являются
независимыми для структурного и теплового анализов. Таким образом, у материала могут быть и изотропические структурные свойства и ортотропические тепловые свойства.
Можно определить материалы для модели в
структурном или тепловом анализе. Если планируется работа с моделью и в структурном и тепловом
анализе, Mechanica назначает тот же самый материал для обоих анализов. Однако, несколько свойств
материалов, доступных в структурном анализе (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и т.п.), отличаются от доступных в тепловом.
123
(рисунок), второй максимум соответствует обратному движению модели.
Pro |Engineer
Mechanical
Структурный
Тепловой
Вибрационный
Модальный
Анализ стационарных
режимов
Динамический
временной
Предварительный
модальный
Анализ переходных
процессов
Динамический
ударный
Анализ усталости
Анализ
чувствительности
Анализ больших
деформаций
Динамический
частотный
Динамические
случайные воздействия
Контактный
Анализ деформаций
Предварительный
статический
Рис. 2. Модель радиоэлектронного модуля, с
заданным набором нагрузок
Статический
Рис.1. Виды анализа в Pro/Engineer Mechanica
Рассмотрим вибрационный анализ.
В режиме структурного анализа доступны четыре типа вибрационного анализа:
- Dynamic Time (динамический временной) —
вычисление перемещений, скорости, ускорения и
напряжения в модели по времени как реакцию на
переменную во времени нагрузку.
- Dynamic Frequency (динамический частотный) — анализ амплитуды и фазы смещений, скорости, ускорения, и напряжения в модели как реакция
на колебания нагрузок в различных частотах.
- Dynamic Random (динамический случайный)
— анализ энергии спектральной плотности и среднеквадратичные значения смещения, скорости,
ускорения и напряжения в модели, как реакция на
нагрузки при указанном значении спектральной
плотности.
-Dynamic Shock (динамический ударный) —
расчет максимальных значений перемещений и
напряжений в модели, как реакция на основное возбуждение в указанном спектре.
Динамический временной анализ измеряет ответ системы к непериодической или импульсивной
нагрузке с временной зависимостью. Входные
нагрузки принимают форму временной зависимости. В динамическом анализе времени Mechanica
вычисляет смещения, скорость, ускорения, и напряжения в модели в разное время в ответ на нагрузки,
изменяющиеся со временем. Имеется возможность
просмотра всех рассчитанных значений в каждый,
выбранный, момент времени.
На рисунке 2 представлен внешний вид радиоэлектронного модуля, с приложенными к нему
нагрузками. На графике рисунка 3 представлена
сила и длительность удара на радиоэлектронный
модуль. А на рисунке 4 результаты анализа ускорения.
На рисунке видно, что первый максимум ускорения соответствует началу воздействия (резкий
переход от состояния покоя), в момент времени 0,01
с. Ускорение равно нулю (пик функции воздействия
124
Рис. 3. График функции воздействующей силы
(график соответствует ударному воздействию)
Рис. 4. Результат анализа ускорения модуля
при воздействии удара (рис. 3)
На рисунках 5 и 6 представлен максимальный
прогиб платы и напряжение при перемещенни при
ударе.
Динамический частотный анализ исследует ответ системы на периодически или циклически зависимые от частоты нагрузки. Нагрузки принимают
форму в соответствии с функцией введенной частоты с соответствующей амплитудами. В динамическом частотном анализе модуль Mechanica вычисляет амплитуды и фазы смещений, скорости, ускорения, и показывает ответ модели на нагрузки, колеблющиеся в различных частотах. Используется для
анализа устойчивости, действия силы, например,
циклической нагрузки.
На рисунке 7 представлены результаты анализа
модуля. По ним можно судить о нахождении соб-
ственных частот в диапазоне эксплуатационных
воздействий.
подобному землетрясению. Этот анализ не используется для определения влияния импульсных воздействий.
Оптимизация проекта.
Технический проект оптимизации регулирует
одну или более переменных, чтобы лучше всего достигнуть указанной цели или проверить выполнимость проекта. Mechanica управляет переменными
модели в серии итераций, посредством которых результат процесса максимально приближается к цели, с учетом любых пределов.
Рис. 5. Результат анализа перемещения модели
вдоль оси воздействующей силы
а)
Рис. 6. Результат анализа напряжений при перемещении модели вдоль оси воздействующей силы
Динамический случайный анализ измеряет ответ системы по отношению к функции спектральной
плотности (PSD). Входные нагрузки – функции
спектральной плотности силы или ускорения по
диапазону частот. В динамическом случайном анализе Mechanica вычисляет значения влияния спектра
воздействий и среднеквадратические значения перемещений, скоростей, ускорений.
Только для основного возбуждения, можно
произвести расчеты с учетом влияния модальной
массы, чтобы позволить лучше оценить точность
результатов.
Можно определить базовое воздействия на месте при гравитационной нагрузке в модели. Функция спектральной плотности (PSD) находится по
формуле
G2
.
PSD =
f
(1)
Динамический ударный анализ измеряет ответ
системы на реакцию спектру. Входная нагрузка основное возбуждение со спектром реакции смещения, скорости, или ускорения. Динамический ударный анализ не используется для импульсных нагрузок, которые изменяются относительно времени.
В динамическом ударном анализе Mechanica
вычисляет максимальные значения смещений и
напряжений в модели в ответ на основное возбуждение с указанной реакцией спектра.
Динамический ударный анализ используется,
если интересует поведение модели к воздействию
б)
в)
а) результаты анализа ускорений;
б) результаты анализа перемещения модели;
в) результаты анализа напряжения в модели
Рис. 7. Результаты динамического частотного
анализа при равномерной функции воздействия (по
умолчанию)
Исследование оптимизации без цели называют
технико-экономическим обоснованием (Feasibility).
Цель и пределы оптимизации являются дополнительными, но должны быть по крайней мере одна
цель или один предел.
Mechanica вычисляет значения для всех параметров, которые включены в исследование. Необходимо знать о следующем:
Можно выделить следующие типы результатов
для исследования оптимизации:
- график параметров при итерации исследования;
125
- стандартные результаты для финала оптимизации модели.
Диалоговое окно Optimization Study Definition
содержит следующие пункты:
- Goal (цель);
- Design Limits (пределы проекта);
- Track Specific Mode (определение способа);
- Variables (переменные).
Goal
Данная опция диалогового окна Optimization
Study Definition, необходима, чтобы выбрать параметр: минимизировать или максимизировать, как
цель оптимизации. Например, минимизировать массу или силы реакции для модели.
Определение цели является дополнительным,
но если цель не определялась, необходимо определить пределы дизайна. Без цели модуль Mechanica
ищет первый выполнимый проект, который удовлетворяет пределы, которые были определены.
Диалоговое окно Design Limits, необходимо
чтобы выбрать один или более параметров предела
для оптимизации, и определить математический
предел.
Определение пределов дизайна является дополнительным, но если не определены пределы дизайна, необходимо определить цель. Без пределов
дизайна Mechanica ищет оптимальное значение параметров в полном спектре переменных дизайна.
В исследовании оптимизации математичесое
ядро регулирует параметры модели в серии шагов,
пока не достигается конвергенция одним из следующих способов:
- изменение в результате шага оптимизации от
предыдущего шага относительно его начального
значения в пределах значения конвергенции
- изменение в процессе шага оптимизации относительно переменных проекта в пределах величины конвергенции (наклон графика Goal относительно переменных дизайна близко к 0),
- цель не может быть улучшена для текущего
пункта проекта, не нарушая один или более указанных пределов
Mechanica также использует значение конвергенции, чтобы определить, удовлетворяет ли предел
анализу. Для примера, если конвергенция составляет 1 %, Mechanica придерживается предельного значения плюс-минус 1 %.
Таким
образом
использование
модуля
Pro/ENGINEER Mechanica позволяет не только провести многие виды анализа на механические воздействия радиоэлектронных модулей, а также осуществить оптимизацию с использованием различных
критериев и варьируемых параметров.
Литература
1. Буланов А. Wildfire 3.0. Первые шаги./ А. Буланов М.: Изд-во «Поматур», 2008. 240 с.
2. Грэхам Г. Pro/Engineer 2001 / Г. Грэхам, Д.
Стенффен. М.: Изд-во «Лори», 2003. 363 с.
3. Прокди Р.Г Pro/Engineer Wildfire 2.0/3.0/4.0. /
Р.Г. Прокди, М.А Минеев М.: Наука и техника 2008 г. 352
с.
4. Чемоданова Т. В. Pro/ENGINEER: деталь,
сборка, чертеж / Т.В. Чемоданова СПб.: Изд-во «BHV»
2003 г. 560 с.
5. Степанов А.В. Pro/ENGINEER. Специальный
справочник / А.В. Степанов СПб.: Изд-во «Питер» 2001 г.
624 с.
Воронежский государственный технический университет
Пензенский государственный университет
THE ANALYSIS OF RADIO-ELECTRONIC MODULES MECHANICAL CHARACTERISTICS
IN SYSTEM PRO/ENGINEER
I.A. Lozovoy, А.V. Turetsky, P.P. Churakov
The basic stages of radio-electronic modules modeling process in system Pro/ENGINEER with is-using of specialized module Pro/ENGINEER Mechanica are considered. Examples of principal views of mechanical cart-action are given: the shock and dynamic frequency
Key words: the radio-electronic module, loading, the mechanical analysis
126