С помощью автоматизированной системы обеспечения надёжности и качества аппаратуры (АСОНИКА) осуществляется автоматизированное проектирование и комплексное компьютерное моделирование высоконадежных радиоэлектронных средств (РЭС) подвижных объектов в соответствии с требованиями CALS-технологий на этапах проектирование-производство-эксплуатация. Система АСОНИКА успешно применяется в образовании при подготовке специалистов в области автоматизированного проектирования и конструирования электронной аппаратуры.
Эксплуатация бортовых РЭС характеризуется воздействием на нее совокупности жестких внешних факторов, которые действуют одновременно, что приводит к отказам системного характера. Такие отказы трудно выявить при испытаниях, так как нет стендов, которые позволяли бы комплексно воспроизвести одновременно электрические процессы функционирования, сопутствующие тепловые, механические, аэродинамические, радиационные и другие внешние воздействия, технологические явления случайных разбросов параметров, старение, коррозию и другие деградационные факторы. Проблема осложняется тем, что современные РЭС включают в себя сложные микроэлектронные изделия, обладающие определенными физико-технологическими особенностями, которые также должны быть учтены при комплексном математическом моделировании. Все эти факторы и явления в совокупном взаимосвязанном своем проявлении обязательно должны быть правильно учтены при схемно-конструкторско-технологическом проектировании, что можно выполнить только с помощью ЭВМ. В этом случае действительно могут быть заранее выявлены и устранены причины системных отказов и обеспечены высокие показатели надежности РЭС.
Система АСОНИКА предназначена для решения 4 основных проблем, существующих при разработке современных РЭС:
1) проблемы предотвращения возможных отказов при эксплуатации на ранних этапах проектирования за счет комплексного моделирования разнородных физических процессов;
2) проблемы обеспечения безопасности человека при полетах на самолетах (предотвращения авиакатастроф) за счет комплексного автоматизированного анализа системы управления самолетом на основе созданной электронной модели при всех видах внешних дестабилизирующих факторах, в том числе в критических режимах;
3) проблемы сокращения сроков и затрат на проектирование за счет доступности разработчику аппаратуры предлагаемых программных средств и адекватности результатов моделирования;
4) проблемы автоматизации документооборота и создания электронной модели изделия за счет интеграции предлагаемых программных средств в рамках PDM-системы хранения и управления инженерными данными и жизненным циклом изделия (аппаратуры).
АСОНИКА – это первая российская автоматизированная система комплексного моделирования физических процессов в электронной аппаратуре, которая рекомендуется для замены испытаний электронной аппаратуры моделированием на ранних этапах проектирования, что позволяет создавать конкурентоспособную аппаратуру в минимальные сроки и с минимальными затратами.
Разработчиком системы АСОНИКА является «Научная школа моделирования, информационных технологий и автоматизированных систем». Основателем и руководителем научной школы является профессор Шалумов А.С. Основной принцип научной школы – Единство 4-х составляющих: Образование – Наука – Производство – Бизнес. Научной школой выпущено более 300 монографий, учебных пособий и статей.
На территории РФ система АСОНИКА аналогов не имеет. По зарубежным аналогам информация в открытой печати отсутствует.
Система АСОНИКА внедрена на многих российских предприятиях, разрабатывающих электронную аппаратуру. Применение системы АСОНИКА при проектировании и при технической экспертизе опытных образцов радиоэлектронных средств позволило снизить трудоёмкость проведения проектных исследований (в отдельных случаях до 35–40 %), повысить качество разрабатываемых образцов (прежде всего – их надёжности за счет своевременного выявления и устранения предпосылок к отказам, связанных с нерациональными схемными и конструктивными решениями), сэкономить средства за счёт сокращения объёмов работ по созданию и исследованию макетов, уменьшить объёмы всех видов испытаний (на 10–15 %).
Методологической основой для решения поставленных задач являются разработанные научные положения теории математического моделирования полей и процессов различной физической природы, взаимодействующих друг с другом в единой неоднородной среде, и системные методы теории чувствительности.
В рамках автоматизированной системы АСОНИКА реализуется специальный программный комплекс, который создает структуру электронного (виртуального) макета разрабатываемого РЭС, наполняет данную структуру результатами работы проблемных подсистем системы (подсистемы позволяют моделировать тепловые и механические процессы в аппаратуре, анализ показателей надежности, а также позволяют интегрироваться с известными системами топологического проектирования печатных плат и известными CAD-системами).
Программный комплекс управляет процессом отображения результатов модельных экспериментов на геометрической модели, входящей в состав электронного макета, а также преобразует электронный макет после его обработки в формат стандарта ISO 10303 STEP. Данные, входящие в электронный макет, используются на последующих стадиях жизненного цикла РЭС.
В настоящее время система АСОНИКА состоит из 8-и подсистем:
– подсистема анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М;
– подсистема анализа и обеспечения стойкости к механическим воздействиям конструкций РЭС, установленной на виброизоляторах, АСОНИКА-В;
– подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик конструкций аппаратуры АСОНИКА-Т;
– подсистема анализа конструкций печатных узлов РЭС на тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ;
– подсистема автоматизированного заполнения карт рабочих режимов электрорадиоизделий (ЭРИ) АСОНИКА-Р;
– подсистема анализа показателей надежности РЭС с учетом реальных режимов работы ЭРИ АСОНИКА-Б;
– справочная база данных электрорадиоизделий и материалов по геометрическим, физико-механическим, теплофизическим, электрическим и надежностным параметрам АСОНИКА-БД;
– подсистема управления моделированием РЭС при проектировании АСОНИКА-УМ.
Система АСОНИКА включает в себя следующие конверторы с известными САПР:
– модуль интеграции системы моделирования электрических процессов в схемах PSpice (в составе OrCAD) и подсистем АСОНИКА-Р, АСОНИКА-Б (ведется разработка модулей интеграции с системами Mentor Graphics, Altium Designere);
– модуль интеграции систем проектирования печатных узлов PCAD, Mentor Graphics, Altium Designere, OrCAD и подсистемы АСОНИКА-ТМ;
– модуль интеграции 3-D модели, созданной в системах ProEngineer, SolidWorks, Inventor и других в форматах IGES и STEP, и подсистемы АСОНИКА-М.
Ведется разработка подсистемы электромагнитной совместимости РЭС АСОНИКА-ЭМС и предполагается разработка подсистемы радиационной стойкости РЭС АСОНИКА-РАД.
Структура автоматизированной системы АСОНИКА предусматривает, что в процессе проектирования, в соответствии с требованиями CALS-технологий, на базе подсистемы управления данными при моделировании АСОНИКА-УМ (PDM-системы) и с использованием подсистем моделирования происходит формирование электронной модели изделия.
С помощь специального графического редактора вводится электрическая схема, которая сохраняется в базе данных проектов в подсистеме АСОНИКА-УМ и передается в виде файла в системы анализа электрических схем PSpice (OrCAD), Mentor Graphics и Altium Designere и в системы размещения и трассировки печатных плат PCAD, Mentor Graphics, Altium Designere, OrCAD. Выходные файлы системы PCAD в формате PDIF и Mentor Graphics, Altium Designere, OrCAD в формате IDF сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ, а также передаются в системы ProEngineer, SolidWorks, Inventor и других для создания чертежей и сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ. В подсистему АСОНИКА-УМ также передаются 3-D модели шкафов и блоков РЭС, созданные в системах ProEngineer, SolidWorks, Inventor и других в форматах IGES и STEP, которые передаются из нее в подсистемы АСОНИКА-М и АСОНИКА-В для анализа механических процессов в шкафах и блоках РЭС, в подсистему АСОНИКА-Т для анализа тепловых процессов в шкафах и блоках РЭС. Полученные в результате моделирования напряжения, перемещения, ускорения и температуры в конструкциях шкафов и блоков сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ. Чертежи печатных узлов (ПУ) и спецификации к ним, а также файлы в форматах PDIF и IDF передаются из подсистемы АСОНИКА-УМ в подсистему АСОНИКА-ТМ для комплексного анализа тепловых и механических процессов в ПУ. Кроме того, передаются температуры воздуха в узлах, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т, а также ускорения опор, полученные в подсистеме АСОНИКА-М. Полученные в результате моделирования температуры и ускорения ЭРИ сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ. Перечень ЭРИ, файлы с электрическими характеристиками ЭРИ, температурами и ускорениями ЭРИ, результаты электромагнитного и радиационного анализа, полученные в подсистемах АСОНИКА-ЭМС и АСОНИКА-РАД, передаются из подсистемы АСОНИКА-УМ в подсистему анализа показателей надежности РЭС АСОНИКА-Б. Полученные в результате показатели надежности РЭС сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ. Перечень ЭРИ, файлы с электрическими характеристиками ЭРИ, температурами и ускорениями ЭРИ передаются из подсистемы АСОНИКА-УМ в подсистему формирования карт рабочих режимов ЭРИ АСОНИКА-Р. Полученные в результате карты рабочих режимов сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ.
Система ориентирована на разработчика РЭС. С этой целью в подсистемах АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ разработаны специальные интерфейсы для ввода типовых конструкций аппаратуры – шкафов, блоков, печатных узлов, что значительно упрощает анализ физических процессов в РЭС.
Если бы пользователь строил модель механических процессов сложного шкафа или блока в обычной конечно-элементной системе, например, ANSYS, ему бы пришлось вначале пройти специальное обучение и набраться опыта, что заняло бы примерно около года, а затем в течение нескольких часов вводить саму модель. В системе АСОНИКА не нужно проходить специального обучения, нужно просто вводить на доступном конструктору языке то, что представлено на чертеже. Ввод того же сложного шкафа может быть осуществлен в течение получаса.
Таким образом, полноценный комплексный анализ шкафа на тепловые и механические воздействия вплоть до каждого ЭРИ (получаем ускорения и температуры на каждом элементе) может быть проведен в течение 1 дня.
Подсистема анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М позволяет анализировать блоки кассетного, этажерочного и цилиндрического типов, шкафы радиоэлектронных средств и проводить расчет на следующие виды механических воздействий: гармоническая вибрация; случайная вибрация; удар; линейное ускорение. В результате моделирования могут быть получены:
1) зависимости ускорений от частоты и времени в контрольных точках и узлах конструкции;
2) перемещения, прогибы, ускорения и напряжения участков конструкции блоков и шкафов;
3) деформации блоков и шкафов;
4) ускорения в местах крепления печатных узлов, необходимые для их дальнейшего анализа вплоть до каждого ЭРИ в подсистеме АСОНИКА-ТМ.
Подсистема анализа и обеспечения стойкости к механическим воздействиям конструкций РЭС, установленных на виброизоляторах, АСОНИКА-В предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков РЭС, установленных на виброизоляторах, при воздействии гармонической вибрации, случайной вибрации, ударных нагрузок, линейного ускорения, при воздействии акустических шумов и для принятия решения на основе полученных механических характеристик с целью обеспечения стойкости аппаратуры при механических воздействиях. Подсистема имеет специальный графический интерфейс ввода конструкции на виброизоляторах. Подсистема позволяет осуществлять идентификацию параметров виброизоляторов, а также оптимизацию их параметров с целью снижения нагрузок на конструкцию. В результате моделирования могут быть получены зависимости ускорений конструкции на виброизоляторах от частоты и времени.
Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик конструкций РЭС АСОНИКА-Т позволяет анализировать следующие типы конструкций: микросборки, радиаторы и теплоотводящие основания, гибридно-интегральные модули, блоки этажерочной и кассетной конструкции, шкафы, стойки, а также произвольные конструкции РЭС. Подсистема дает возможность провести анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов аппаратуры, работающей при естественной и вынужденной конвекциях в воздушной среде, как при нормальном, так и при пониженном давлении. При анализе произвольных конструкций определяются температуры выделенных изотермических объемов и выводятся графики зависимости температур от времени для нестационарного теплового режима.
Подсистема анализа конструкций печатных узлов РЭС на тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ позволяет анализировать печатные узлы РЭС и проводить расчет:
1) стационарного и нестационарного тепловых режимов как при нормальном, так и при пониженном давлении;
2) на следующие виды механических воздействий: гармоническая вибрация; случайная вибрация; удар; линейное ускорение; акустический шум.
Подсистема имеет специальный графический интерфейс ввода конструкции печатного узла. В результате моделирования могут быть получены:
1) зависимости ускорений от частоты и времени в контрольных точках конструкции;
2) максимальные температуры, ускорения и напряжений участков печатных узлов и ЭРИ;
3) формы колебаний печатных узлов на собственных частотах;
4) карты тепловых и механических режимов ЭРИ.
Подсистема анализа и обеспечения показателей надежности РЭС АСОНИКА-Б позволяет анализировать шкафы, блоки, печатные узлы, ЭРИ и решать следующие задачи:
1) определение показателей безотказности всех ЭРИ;
2) обоснование необходимости и оценка эффективности резервирования РЭС.
Подсистема поддерживает:
1) пассивное резервирование с неизменной нагрузкой;
2) активное нагруженное резервирование;
3) активное ненагруженное резервирование;
4) активное облегченное резервирование.
В результате моделирования могут быть получены: эксплуатационные интенсивности отказов, вероятности безотказной работы и среднее время безотказной работы РЭС. Подсистема позволяет импортировать данные о составе конструкции из других САПР электроники. Подсистема позволяет импортировать тепловые и электрические характеристики ЭРИ из других подсистем системы АСОНИКА.
Cправочная база данных электрорадиоизделий (ЭРИ) и материалов по геометрическим, физико-механическим, теплофизическим, электрическим и надежностным параметрам АСОНИКА-БД предоставляет информацию:
1) по параметрам материалов;
2) по параметрам ЭРИ. АСОНИКА-БД состоит из основных и дополнительных таблиц.
Основные таблицы содержат следующую информацию:
1) параметры материалов печатных узлов, несущих конструкций, выводов ЭРИ и лаков (клеев), применяемых при установки ЭРИ на печатную плату: механические, тепловые, допустимые, температурные зависимости;
2) оптические свойства материалов конструкций радиоэлектронных средств;
3) параметры ЭРИ: классы и группы ЭРИ; типы ЭРИ и технические условия; полные условные записи ЭРИ; параметры, входящие в полную условную запись и их возможные значения; варианты установки ЭРИ на печатную плату; модели вариантов установки ЭРИ; геометрические, механические, тепловые, электрические, надежностные, допустимые параметры ЭРИ; изображения ЭРИ на плоскости и в пространстве;
4) математические модели для расчета значений эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ и значения коэффициентов в модели надежности;
5) параметры виброизоляторов: коэффициенты жесткости, демпфирования и другие.
Создаются дополнительные таблицы. Дополнительные таблицы могут содержать числовые, строковые, логические, текстовые, графические и функциональные зависимости параметры ЭРИ.
Подсистема управления моделированием РЭС при проектировании АСОНИКА-УМ позволяет осуществить интеграцию САПР, внедрённых на предприятии – Pro/ENGINEER, SolidWorks, Inventor, Mentor Graphics, Altium Designere, OrCAD, АСОНИКА и др., и управлять передачей данных между подсистемами при моделировании в процессе конструкторского проектирования РЭС. Подсистема интегрируется с любой используемой на предприятии PDM-системой. В ходе проектирования подсистема позволяет сформировать комплексную электронную модель РЭС в рамках математических моделей тепловых, электрических, аэродинамических, механических процессов и математической модели надежности и качества РЭС.
Реализация описанной интеграции положила начало развитию и внедрению CALS-технологий на предприятиях радиоэлектронной и приборостроительной отраслей. Практические и инновационные результаты работы состоят в следующем. Интеграция программных продуктов позволяет осуществить сквозное автоматизированное проектирование РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов. Язык интерфейса пользователя с программами является максимально приближенным к языку разработчика РЭС. На освоение предлагаемых программ требуется сравнительно малое время. При их внедрении достигается достаточно высокая скорость решения задач моделирования и значительная экономия материальных средств за счет сокращения количества испытаний. Повышается надежность и качество РЭС, проектируемой на основе предлагаемой интегрированной САПР.
Информационная согласованность всей системы обеспечивается на уровне электронной модели РЭС, информация в которой представлена в виде совокупности информационных объектов и взаимосвязей между ними, регламентированных стандартом ISO 10303 STEP, при отсутствии дублирования информации. В этом случае существует необходимость только в интерфейсах между каждой отдельно взятой подсистемой и подсистемой АСОНИКА-УМ. Данные интерфейсы обеспечивают преобразование совокупности информационных объектов электронной модели РЭС, описывающих исходные данные для целевой подсистемы, в файлы проекта данной подсистемы и наоборот – преобразование файлов проекта исходной подсистемы в совокупность информационных объектов электронной модели РЭС и взаимосвязей между ними, регламентированных стандартом ISO 10303 STEP, обеспечивая однозначность представления информации в электронной модели РЭС.
Данное решение информационной согласованности обеспечивает гибкость структуры автоматизированной системы РЭС АСОНИКА. Таким образом, при осуществлении обновления, замены существующих подсистем и добавления новых подсистем в данную структуру необходимо провести изменения интерфейсов интеграции с подсистемой АСОНИКА-УМ только подсистем, подлежащих замене либо вводимых в состав структуры. Сложность интерфейсов определяется используемыми в качестве компонентов сквозной САПР РЭС программными системами.
Целью внедрения системы АСОНИКА является повышение эффективности работы структурных подразделений предприятия, сокращение сроков проектирования и разработки наукоемких РЭС, повышение надежности разрабатываемых РЭС.
Внедрение данного программного комплекса позволяет получить значительную экономию материальных средств за счет сокращения количества испытаний при внедрении предлагаемого программного обеспечения.
Таким образом, результатом внедрения системы АСОНИКА станет переход на принципиально новый уровень информационных технологий, что позволит расширить номенклатуру выпускаемой продукции, сократить сроки выхода на рынок новых изделий, снизить брак и затраты на производство.
Предлагается:
1. Внедрение системы АСОНИКА на предприятиях электронной промышленности и в высших учебных заведениях.
2. Оказание консалтинговых услуг предприятиям электронной промышленности по моделированию электронной аппаратуры на внешние механические, тепловые, электромагнитные и другие воздействия с помощью системы АСОНИКА.
3. Организация обучения специалистов работе с системой АСОНИКА.