Автоматизация проектирования базовых несущих конструкций аппаратуры средств связи

Производство средств связи относится к числу важнейших отраслей, Зеспечивающих научно-технический прогресс и надежное функционирование зтоматизированный систем управления (АСУ) во всех сферах народного эзяйства. Это обусловливает быстрое возрастание требований к аппаратуре) едств связи (АСС) и предопределяет большие затраты на ее создание и гедрение.

Практика совершенствования АСС показывает, что эффективность 1едрения современных достижений науки и техники, прежде всего в икроэлектронике, схемотехнике и технологии, существенно зависит от их шструкторской реализации. При этом наиболее широкие возможности шструирования закладываются на этапе разработки базовых несущих шструкций (БНК), которые предназначены для размещения и электрического «единения функциональных устройств, а также обеспечения их защиты от тешних и внутренних дестабилизирующих воздействий.

Вместе с тем, недостаточность априорной информации, вызванная: сутствием схемотехнических решений конкретных функциональных устройств I этапе разработки БНК, дискретность большинства параметров, тенденция к >строению унифицированной системы БНК и другие специфичные для АСС жторы определяют сложность и ответственность процесса создания БНК.

Существующие методы конструирования, в основе которых лежит ристический подход, не позволяют не только создавать принципиально новые .1сокоэффективные БНК, но и обеспечивать быстрое их совершенствование на ое традиционных технических решений. Возникающее при проектировании ¡-рспективных БНК множество разноплановых и противоречивых «нструкторских задач требует выработки такого подхода и такой методики, «торые бы гарантировали получение оптимального решения в целом и ускоряли I в несколько раз темпы проектирования при одновременном снижении затрат.

Анализ складывающихся условий показывает, что сущность елесообразного подхода к проектированию БНК заключается в разработке и недрении системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющей оздавать проекты унифицированных комплексов модулей различного уровня ерархии БНК, построенных: на единых элементах конструкции для разных лассов АСС.

Целью диссертации является разработка методов, математических моделей алгоритмов для автоматизированного синтеза БНК перспективной АСС с озиций функционально-стоимостного анализа. В соответствии с этим в иссертационной работе ставились и решались следующие задачи: выявление и анализ действующих факторов, определяющих специфику роектирования и производства БНК АСС различного назначения, и юрмирование требований к ним с учетом основных тенденций развития течественных и зарубежных разработокисследование требуемых свойств и выработка принципов проектирования ногоуровневых и многофункциональных БНКпостроение целевой функции оптимизации и математическая постановка адач синтеза конструктивных модулей и системы БНК в целомразработка пригодных для алгоритмизации и применения в САПР атематических моделей основных элементов и структурных модулей БНКразработка принципов алгоритмизации задач синтеза и экономичных игоритмов проектирования БНК с позиций достижения рационального омпромисса между требованиями максимальной функциональной емкости АСС минимизации затрат на ее проектирование и производстворазработка и внедрение программного обеспечения САПР БНК с учетом эвокупности схемотехнических, конструктивных, экономических и гхнологических критериевисследование на основе машинного эксперимента областей допустимых и вазиоптимальных значений параметров БНК при изменении практически гачимых критериев и ограничений на синтезируемые параметры.

В диссертационной работе предложены, разработаны и исследованы етоды автоматизированного синтеза БНК, с учетом реальных условий роектирования, производства и эксплуатации перспективной АСС различного азначения. Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

1. Предложены критерии, состав ограничений и переменных оптимизации одулей БНК различных иерархических уровнейобщая математическая остановка задач синтеза БНК, комплексно учитывающая схемотехнические, энструктивные, технологические и экономические требования всех этапов издания и эксплуатации АСС.

2. Разработаны и выбраны математические модели, учитывающие реальные: ловия проектирования и изготовления БНК, позволяющие рассчитывать эудоемкость изготовления коммутационных плат (КП) и модулей БНК азличного уровня иерархииоценивать в стоимостном выражении потери от^{эффективного} использования объема, занимаемого АССопределять затраты на роектирование и подготовку производства системы конструктивных модулей НК, которые в сочетании с другими физико-математическими моделями БНК электромагнитными, топологическими, теплофизическими, механико-рочностными) обеспечивают построение эффективных общесистемных 1Горитмов синтеза при неполной априорной информации и высокой «мерности задач поиска оптимальной структуры и параметров БНК.

3. Предложены принципы алгоритмизации и методика структурного и 1раметрического синтеза БНК как сложной иерархической системы на основе ункционально-стоимостного анализа, позволяющие создавать АСС с аксимальной функциональной емкостью при минимуме (либо не превышении данного уровня) затрат на ее изготовление с учетом электрических, гектромагнитных, теплофизических, механических, технологических и других эактически вероятных ограничений, создающие предпосылки для создания: ономичного алгоритма автоматизированного синтеза системы оптимальных НК.

4. Разработаны методика и алгоритм автоматизированного синтеза птимального типоразмерного ряда КП, позволяющие в условиях заданных граничений и набора альтернативных конструктивно-технологических решений интезировать оптимальный типоразмерный ряд КП и определить комплекс птимальных метрических и структурных параметров для КП в синтезированном яду: размеры сторон монтажного поля, краевых конструктивных и ехнологических зон, типоразмеры КП, способы обеспечения нормального еплового режима и механической прочности, и другие параметры КП.

На защиту выносятся следующие новые научные положения:

1. Принципы, методы, модели и алгоритмы оптимизации структуры и араметров БНК, позволяющие на основе системного и функционально-гоимостного анализа синтезировать компромиссные конструктивно-гхнологические решения в интересах всего процесса проектирования БНК за чет комплексного согласования метрических и стоимостных критериев птимальности, учитывающих практически вероятные условия проектирования, роизводетва и эксплуатации перспективной АСС.

2. Построение единой математической модели БНК как сложной системы онструктивных модулей на основе обобщенной многоуровневой физико-гометрической модели, учитывающей себестоимость проектирования и зготовления БНК, объединяющей процессы моделирования электромагнитной эвместимости, нормального теплового режима и других свойств, арактеризующих отдельные аспекты качественного функционирования БНК и ерспективной АСС в целом с учетом внешних и внутренних естабилизирующих воздействий, дает возможность комплексно и эффективно существить процесс автоматизированного проектирования унифицированной нстемы оптимальных БНК для различных классов и условий эксплуатации АСС.

3. Комплексное использование пригодных для автоматизированного роектирования и разработанных на основе современных методов гатистического моделирования и средств вычислительной техники 8 атематических моделей для определения метрических параметров КП и модулей НК исходя из состава и элементной базы примененных в разрабатываемой АСС ункциональных устройств и трудоемкостей их проектирования, подготовки роизводства и изготовления позволяет синтезировать оптимальные шоразмерные ряды модулей БНК различных уровней иерархии и системно вязать определяющие параметры и показатели качества БНК в условиях едостаточной априорной информации и экспертного прогнозирования эличественных характеристик развития АСС.

4. Разработка частных и общесистемных алгоритмов синтеза энструктивных модулей БНК и их совокупности, основанных на применении етода дискретного программирования — метода многократного отсечения по ножеству разнородных и противоречивых критериев, эвристических приемов аправленного перебора возможных вариантов и автоинтерактивного режима эработки информации, обеспечивает решение задач структурной и араметрической оптимизации БНК, отличающихся высокой размерностью ространств поиска, за практически приемлемое время на современных ЭВМ.

5. Формирование методики алгоритма автоматизированного пара-етрического синтеза типоразмерных рядов КП с использованием ртогонального печатного электромонтажа на основе разработанных и эоснованно выбранных принципов, методов и математических моделей, гражающих всю полноту реальных схемотехнических, конструкторских и гхнологических условий проектирования перспективных БНК при размещении в нх заданного набора функциональных устройств, строящихся на однотипных ЭТ одинаковой геометрической структуры, позволяет организовать машинный знтез модулей высшего иерархического уровня БНК при незаданных граничениях на их габаритно-присоединительные размеры и обеспечить ачественную и эффективную реализацию размещения и трассировки ИЭТ на оследующих этапах конструирования АСС. 9.

Основная практическая ценность выполненной работы заключается в) здании методов и средств (машинных программ) проектирования оптимальных НК для перспективной АСС. Применение разработанных методик синтеза и их рограммная реализация позволяют создать унифицированную систему БНК для 1зличных направлений техники связи, а также существенно повысить ункциональную емкость, сократить сроки и затраты на проектирование и роизводство перспективных систем связи. Результаты диссертационной работы ыли использованы при создании унифицированных БНК для нового поколения СС на предприятиях радиоэлектронных отраслей промышленности (см. акты гедрения в Приложении). Результаты работы используются также в учебном эоцессе ВУЗов СНГ.

Основные положения и результаты диссертационной работы вкладывались на 15-ой межотраслевой научно-технической конференции (НТК) Георетические и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации ЭА" (г. Уфа, 16−17 марта 1993 г.) — на 17 -ой НТК «Конструирование РЭА с 1етом электромагнитной совместимости» (г. Москва, 26−28 ноября 1993 г.) — на I НТК «Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и ЭВА» (г. енза, 1994 г.) — на международном форуме-выставке «Проблемы биомедицинской: хники и экологии» (г.Сингапур, 3−6 декабря 1997г) — на 2-х международных шгрессах «Системы телекоммуникации и информатизации» (г. Ганновер, 6−12 феля 1998г- 18−24 марта 1999г) — на 2-х международных научно-практических шференциях «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. десса 16−18 сентября 1997г- 7−10 сентября 1998г) — на 3-ей международной лставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. С.-етербург, 17−19 июля 1998г) — на отраслевых НТК, проходивших в г. Одессе 22 -I сентября 1993 г.- в г. С.-Петербурге 15−19 апреля 1993 г. и 23−27 марта 1994 г.- г. Москве 30 октября — 1 ноября 1996 г.- на НТК профессорско-эеподавательского состава СПб. ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, СПб.

10 осуд. электротехнического университета и СПб. Госуд. академии эрокосмического приборостроения (1993;1998г.г.) .

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ [110 -120].

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и риложения. Текстовой материал изложен на 128 машинописных страницах.

4.3. Выводы.

С помощью разработанных, выбранных и программно реализованных етодик синтеза НК и машинных программ расчета прочностных и шлофизических параметров конструктивных модулей различного уровня грархии проведены экспериментальные исследования, в результате которых гшены следующие основные задачи.

1. Установлены области допустимых значений установочных площадей под ЭТ различных типов при одновременном учете комплекса перспективных штериев и ограничений, что дает возможность обоснованно синтезировать фаметры и прогнозировать характеристики КП на этапе проектирования БНК.

2. Исследованы зависимости количества и параметров типоразмеров в штезируемом оптимальном типоразмерном ряду КП при размещении заданного 1бора функциональных устройств от типов применяемых ИЭТ, их ориентации на П, класса КП и числа проводящих слоев в условиях реализации требований аксимальной функциональной емкости, минимизации затрат на изготовление,)0%-ной трассировки межсоединений, электромагнитной совместимости, зханической прочности и нормального теплового режима. Зависимости эзволяют количественно оценивать факторы, влияющие на количество шоразмеров и метрические соотношения параметров КП в типоразмерном ряду.

3. Определены границы областей допустимых и квазиоптимальных шоразмеров ПП для стационарных и возимых БНК с учетом критериев и.

190 граничений, обусловленных требованиями механической прочности, ормального теплового режима, стандартов и рекомендаций международных рганизаций. На этапе проектирования БНК это позволяет облегчить и энкретизировать выбор оптимальных типоразмеров ПЛ.

4. Показаны преимущества математического синтеза по сравнению с зристическим (инженерным) синтезом путем сопоставления определяющих ункционально-геометрических характеристик БНК созданных на основе эадиционных методов конструирования и разработанных методик зтоматизированного синтеза.

Кроме того, проведенные экспериментальные исследования и результаты зедрения материалов диссертационной работы в промышленности еще раз одтверждают адекватность разработанных математических моделей, зидетельствуют о возможности создания единой системы БНК для различных пассов АСС и характеризуют объективную необходимость дальнейшего азвития теории оптимального проектирования БНК.

1У1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Тема диссертации находится в русле нового актуального направления, гвечающего запросам различных отраслей промышленности и имеющего своей глью создание эффективных методов и средств оптимального конструкторского роектирования. Основные теоретические и практические результаты нссертационной работы заключаются в следующем.

1. Выявлен и проанализирован комплекс факторов, определяющих 1ецифику проектирования и производства БНК АСС различного назначения, и формулированы прогрессивные требования к ним с учетом основных тенденций азвития отечественных и зарубежных разработок.

2. Построена целевая функция оптимизации и дана математическая остановка задач структурного и параметрического синтеза конструктивных одулей и системы БНК в целом.

3. Разработаны пригодные для алгоритмизации и применения в САПР атематические модели основных структурных модулей БНК, учитывающие шисимости между их основными геометрическими и другими параметрами и эудоемкостями их проектирования и производства. Найдены аналитические шисимости, позволяющие в стоимостной форме оценить потери от гэффективного использования объема БНК АСС. Полученные зависимости аряду с другими разработанными и обоснованно выбранными математическими оделями: прочностными, электромагнитной совместимости, теплофизическими,^{растеризующими} отдельные функции БНК, позволили построить единую ригодную для алгоритмизации математическую модель, адекватно отражающую ункционирование БНК как сложной системы.

4. Разработан алгоритм оптимизации параметрических рядов модулей БНК, снованный на использовании оригинальных эвристических процедур и звестных строго формализованных методах оптимизации, позволяющий решать щачи оптимизации многомерных типоразмерных рядов БНК при минимальных пратах машинного времени.

5. Разработан алгоритм синтеза системы оптимальных БНК, который озволяет решать следующие основные задачи: определять оптимальные размеры, конструкционные материалы и юметрические формы несущих элементов модулей БНК, эффективные способы беспечения механической прочности и нормального теплового режима, а также ыбирать сопутствующие синтезу аппаратурные параметры функциональных пройств (типоразмеры КП, количество контактов и тип электросоединителей и д.) — синтезировать совокупность модулей БНК с учетом минимизации или не ревышения установленного уровня затрат на их изготовление, обладающих аксимальной функциональной емкостью при соблюдении практически гачимых ограничений (обеспечение нормального теплового режима, еханической прочности, электромагнитной совместимости и т. д.), а также с зетом различных конструктивно-технологических факторов (в том числе, етодов конструирования, технологии изготовления и контроля качества) — производить сравнительную оценку вариантов БНК с учетом различных жтериев и прогнозировать разработки новых БНК при изменении семотехнической, конструкторской и технологической баз (например, при аедрении перспективных ИЭТ).

6. На детальном уровне разработан алгоритм синтеза оптимального шоразмерного ряда КП при размещении заданного набора функциональных лройств, построенных на ИЭТ выбранных типов, обеспечивающего реализацию) ебований максимальной функциональной емкости, минимального или эиемлемого уровня затрат на изготовление, электромагнитной совместимости,)0%-ной трассировки печатного электромонтажа, механической прочности, эрмального теплового режима, а также с учетом различных конструктивно-биологических факторов. Алгоритм предусматривает выбор оптимальных.

193 араметров КП: класса КП, числа коммутационных слоев, размеров краевых олей, ориентации и шагов установки ИЭТ, способов крепления КП и шлоотвода, а также обеспечивает возможность оценки типоразмерных рядов КП прогнозирования их модернизации при изменении схемотехнической и энструктивно-технологической баз проектирования.

7. Исследовано влияние практически вероятных критериев и ограничений роектирования на синтезируемые параметры. Полученные методом машинного ссперимента области допустимых и квазиоптимальных установочных площадей ЭТ и типоразмеров КП показывают реальную возможность создания инфицированной системы БНК для АСС различного схемотехнического азначения и широкого диапазона условий эксплуатации. Приведены графики и 1блицы синтезированных параметров, которые позволяют ускорить и удешевить оиск оптимальных решений при создании конкретных видов АСС.

8. На основе разработанных и обоснованно выбранных машинных рограмм сформирован пакет прикладных программ автоматизированного роектирования системы оптимальных БНК, который прошел опытную ссплуатацию на ряде ведущих предприятий и организаций различных инистерств при создании перспективных БНК АСС.

Результаты диссертационной работы используются также в учебных роцессах ВУЗов.