Причиной разработки этой технологии является необходимость моделирования электронной компонентной базы (ЭКБ) и электронной аппаратуры (ЭА) на ранних этапах проектирования для снижения затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок. ЭА состоит из электронных шкафов и блоков, печатных узлов и ЭКБ (микросхем, транзисторов, резисторов
Применение моделирования ЭКБ и ЭА на ранних этапах проектирования позволит избежать или значительно сократить их отказы на этапе натурных испытаний. Тем самым значительно сокращается количество натурных испытаний, возможных итераций по доработке схем и конструкций, затрат на разработку ЭКБ и ЭА при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы. Это позволит сделать ЭКБ и ЭА конкурентоспособными на отечественном и международном рынках и получить в результате электронную модель изделия (ЭМ) на принципах CALS-технологий [1−3].
Использование только натурных испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ без применения моделирования малоинформативно и неэффективно. Это обусловлено целым рядом факторов:
В этой статье рассматривается технология математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА на все ВВФ на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ). Такой подход позволяет моделировать ЭКБ и ЭА при ВВФ с целью обеспечения их устойчивости и прочности, а также осуществлять моделирование функционирования ЭКБ и ЭА при ВВФ.
Эта технология предназначена для применения предприятиями промышленности и организациями при использовании CALS-технологий на ранних этапах проектирования, изготовления, испытаний, а также на всех последующих этапах ЖЦ ЭКБ и ЭА.
Такая технология применяется для моделирования на ранних этапах проектирования ЭА следующего назначения:
1.1. Моделирование на этапе маркетинга и изучения рынка. При проведении маркетинговых исследований нужно определиться, с одной стороны, в разработке каких именно ЭКБ и ЭА (с какими характеристиками, при каких параметрах внешних дестабилизирующих воздействий) сегодня нуждается промышленность, а с другой стороны, какие на сегодняшний день в мире существуют аналоги разрабатываемых ЭКБ и ЭА. Уже на этом этапе нужно и можно проводить их моделирование при всех внешних дестабилизирующих воздействиях. Изучив потребности рынка в ЭКБ и ЭА, следует сравнить требуемые характеристики и характеристики аналогов. Для этого нужно взять за основу электронные модели аналогов ЭКБ и ЭА, подать на них все внешние дестабилизирующие воздействия и провести компьютерное моделирование с целью определения стойкости ЭКБ и ЭА ко всем ВВФ. Полученные выходные характеристики следует сравнить с максимально допустимыми по техническим условиям на ЭКБ. Если рассчитанные выходные характеристики находятся в пределах допустимых, то можно переходить к проектированию ЭКБ и ЭА. Если нет, то нужно либо подбирать другие аналоги, либо существенно менять схему и конструкцию, либо создавать принципиально новые схему и конструкцию ЭКБ и ЭА. Но в любом случае оптимальное решение может быть принято только на основе результатов моделирования ЭКБ и ЭА на все ВВФ.
1.2. Моделирование на этапах проектирования, разработки и производства ЭКБ и ЭА. Индивидуальное, а тем более кооперативное проектирование и производство ЭКБ и ЭА могут быть эффективными в случае, если они базируются на основе единой информационной или электронной модели ЭКБ и ЭА (ЭМ ЭКБ и ЭА). Разрабатываемая на этой стадии ЖЦ конструкторско-технологическая информационная модель также базируется на стандарте ISO 10303 (STEP). Созданная однажды модель ЭКБ и ЭА используется многократно при всех ВВФ. В нее вносятся дополнения и изменения, она служит отправной точкой при модернизации ЭКБ и ЭА. Модель ЭКБ и ЭА при всех ВВФ в соответствии с этим стандартом включает:
Стандартный способ представления проектных и конструкторско-технологических данных позволяет решить проблему обмена информацией между различными подразделениями предприятия, а также между участниками кооперации. Использование международных стандартов обеспечивает корректную интерпретацию хранимой информации, возможность оперативной передачи функций одного подрядчика другому, который, в свою очередь, может воспользоваться результатами уже проделанной работы. Это особенно важно для ЭКБ и ЭА с длительным ЖЦ, когда необходимо обеспечить преемственность информационной поддержки ЭКБ и ЭА.
1.3. Моделирование ЖЦ ЭКБ и ЭА и выполняемых бизнес-процессов на этапе планирования и разработки процессов. Моделирование и анализ функционирования организационной структуры, поддерживающей одну или несколько стадий ЖЦ ЭКБ и ЭА, — это первый шаг к повышению ее эффективности. Цель бизнес-анализа — выявить существующее взаимодействие между составными частями и оценить его рациональность и результативность. Для этого с использованием CALS-технологий разрабатываются функциональные модели ЭКБ и ЭА, содержащие детальное описание выполняемых процессов в их взаимосвязи, формат которого регламентирован CALS-стандартами IDEF и ISO 10303 AP208. Полученная функциональная модель является детальным описанием выполняемых процессов и позволяет решать целый ряд задач, связанных с оптимизацией, оценкой и распределением затрат, оценкой производительности, загрузки и сбалансированности составных частей, то есть вопросов анализа и реинжиниринга бизнес-процессов.
Методы функционального моделирования могут быть использованы для создания систем обеспечения качества ЭКБ и ЭА при всех внешних дестабилизирующих воздействиях. В этом случае функциональная модель описывает функции системы обеспечения качества ЭКБ и ЭА, регламентированные стандартами ISO серии 9000,
1.4. Моделирование ЭКБ и ЭА на этапе закупки. Исходя из конструкторской документации, определяется состав материалов, комплектующих и ЭКБ, которые следует приобрести для производства ЭА. Необходимо принять оптимальное решение на основе критериев стоимости и качества. А это требует привлечения аппарата моделирования ЭКБ и ЭА на все ВВФ.
1.5. Моделирование ЭКБ и ЭА на этапе упаковки и хранения. В процессе транспортировки ЭКБ и ЭА могут подвергаться воздействию ряда внешних дестабилизирующих факторов — климатических, механических и др. Поэтому необходимо, чтобы упаковка осуществлялась в соответствии с параметрами этих факторов. Например, если речь идет о воздействии вибрации, следует использовать пеноматериалы. Однако чтобы выбрать материал и способ упаковки, нужно осуществить моделирование ЭКБ и ЭА при всех ВВФ в условиях транспортировки. Для этого опять используется ЭМ ЭКБ и ЭА, созданная на этапе проектирования. Кроме того, в процессе хранения ЭКБ и ЭА на складе на них воздействуют повышенная (пониженная) температура, повышенная (пониженная) влажность, что также нужно учесть на основе ЭМ ЭКБ и ЭА.
1.6.Моделирование ЭКБ и ЭА на этапе реализации. Реализация ЭКБ и ЭА подразумевает их поставку заказчику. Если условия эксплуатации у заказчика жесткие и предполагают воздействие ВВФ, то необходимо предварительно проверить, будут ли ЭКБ и ЭА стабильно выполнять здесь свои функции. Поставка ЭКБ и ЭА в соответствии с принципами CALS-технологий осуществляется одновременно с ЭМ ЭКБ и ЭА. Это позволяет заказчику провести виртуальные испытания ЭКБ и ЭА при всех ВВФ и принять решение: либо приобрести их без доработок, либо применить дополнительные средства защиты, либо предложить внести некоторые изменения в схему и конструкцию, либо отказаться от приобретения.
1.7. Моделирование ЭКБ и ЭА на этапе установки и ввода в эксплуатацию. На этом этапе необходимо удостовериться, что характеристики, заявленные разработчиком ЭКБ и ЭА, соответствуют реальным значениям, то есть следует проверить степень расхождения между результатами виртуальных испытаний по ЭМ ЭКБ и ЭА при всех ВВФ и результатами испытаний в реальных условиях эксплуатации. Вначале такое тестирование осуществляется в более мягких режимах, чтобы существенные расхождения расчетных и экспериментальных результатов не привели к отказу ЭКБ и ЭА. Затем можно провести проверку в более жестких режимах. Если расхождения между результатами виртуальных испытаний по ЭМ ЭКБ и ЭА при всех ВВФ и результатами испытаний в реальных условиях эксплуатации существенные, то необходимо обратиться к разработчику, чтобы совместно принять решение о дальнейших действиях: либо о доработке ЭМ ЭКБ и ЭА и самих ЭКБ и ЭА, либо о расторжении контракта на приобретение ЭКБ и ЭА.
1.8. Моделирование ЭКБ и ЭА на этапе технической помощи и обслуживания. В процессе обслуживания ЭКБ и ЭА могут возникнуть проблемы, связанные с нарушением их функционирования и даже с отказом. С помощью ЭМ ЭКБ и ЭА можно определить конкретные узлы, виновные в неполадках. При этом надо установить, с чем связаны возникшие проблемы: либо с нарушением условий эксплуатации, либо с ошибками в схеме и конструкции.
1.9. Моделирование на этапе эксплуатации ЭКБ и ЭА. Известно, что объемы разрабатываемой документации для сложных наукоемких ЭКБ и ЭА очень велики. Их традиционное бумажное документирование требует огромных затрат на поддержку архивов, корректировку документации, а также снижает эксплуатационную привлекательность и конкурентоспособность ЭКБ и ЭА.
Решение проблемы заключается в переводе эксплуатационной документации на ЭКБ и ЭА в электронный вид. При этом комплект такой документации — интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР), электронные справочники, инструкции, руководства и др. — следует рассматривать как составную часть ЭМ ЭКБ и ЭА. Электронная документация может поставляться на электронных носителях (например, на компакт-дисках) или размещаться в глобальной сети Интернет, а стандартизация гарантирует ее применимость на любых компьютерных платформах.
Эксплуатационная документация может содержать данные различных типов в соответствии со стандартами CALS для графической, текстовой и мультимедийной информации.
В электронный вид может быть преобразована эксплуатационная документация, созданная ранее без использования компьютерных систем. Для ЭКБ и ЭА, уже находящихся в эксплуатации длительный период и спроектированных традиционными методами, требуется обеспечение электронной поддержки ЖЦ.
1.10. Моделирование ЭКБ и ЭА на этапе утилизации. Утилизация также может потребовать моделирования с помощью ЭМ ЭКБ и ЭА. Необходимо определить, насколько выработан ресурс ЭКБ и ЭА, от чего зависит, как поступить с ними после вывода из эксплуатации: продолжать использование в более мягких условиях или демонтировать.
2.1. Технология математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА с применением CALS-технологий представлена на рис. 1.
2.2. В процессе проектирования в соответствии с требованиями CALS-технологий на базе подсистемы управления данными при моделировании (PDM-системы) с использованием подсистем моделирования происходит формирование ЭМ. С помощью специального графического редактора вводится электрическая схема, которая сохраняется в базе данных проектов в подсистеме управления данными и передается в виде файла в системы анализа электрических схем, а также в системы размещения и трассировки печатных плат. Выходные файлы системы размещения и трассировки печатных плат в форматах PDIF и IDF сохраняются в подсистеме управления моделированием либо сразу, либо после создания чертежей в системах 3D-моделирования.
2.3. В подсистему управления моделированием также передаются 3D-модели блоков ЭКБ и ЭА, созданные в системах 3D-моделирования в форматах IGES, SAT и STEP, которые затем направляются в подсистемы моделирования для анализа механических процессов в блоках ЭА (1), а также в подсистему моделирования для анализа тепловых процессов в блоках ЭА (3).
2.4. Полученные в результате моделирования напряжения, перемещения, ускорения и температуры в конструкциях блоков сохраняются в подсистеме управления моделированием (2, 4). Чертежи печатных узлов (ПУ) и спецификации к ним, а также файлы в форматах PDIF и IDF передаются из подсистемы управления моделированием в подсистему для комплексного анализа тепловых и механических процессов в ПУ (5). В эту же подсистему также передаются температуры воздуха в узлах, полученные в подсистеме моделирования тепловых процессов в блоках ЭА, а также ускорения опор, полученные в подсистемах анализа механической прочности блоков (6). Полученные в результате моделирования температуры и ускорения ЭКБ сохраняются в подсистеме управления моделированием (7).
2.5. Перечень ЭКБ (8), файлы с электрическими характеристиками ЭКБ (9), температурами и ускорениями ЭКБ (10), результаты электромагнитного (15) и усталостного (16) анализа, полученные в подсистеме анализа электромагнитной совместимости и подсистеме анализа усталостной прочности, передаются из подсистемы управления моделированием в подсистему анализа показателей надежности ЭКБ и ЭА. Полученные в результате показатели надежности ЭКБ и ЭА сохраняются в подсистеме управления моделированием (11). Перечень ЭКБ, файлы с электрическими характеристиками ЭКБ (12), температурами и ускорениями ЭКБ (13) передаются из подсистемы управления моделированием в подсистему формирования карт рабочих режимов ЭКБ. Полученные в результате карты рабочих режимов сохраняются в подсистеме управления моделированием (14).
2.6. Реализация описанной интеграции обеспечивает возможность внедрения и развития CALS-технологий на предприятиях. Интеграция программных продуктов позволяет выполнить сквозное автоматизированное проектирование ЭКБ и ЭА на основе комплексного моделирования физических процессов.
2.7. Пример результатов комплексного моделирования физических процессов с применением системы АСОНИКА приведен в Приложении.
3.1. Для реализации методологии комплексного математического моделирования ЭКБ и ЭА необходимо создание единой комплексной модели, в которой учитывались бы основные, влияющие на технические показатели ЭКБ и ЭА, связи между протекающими физическими процессами. Единая комплексная модель формируется из подмоделей, обладающих следующими нижеперечисленными свойствами.
3.2. Подмодель электрических процессов:
3.3. Подмодель тепловых процессов:
3.4. Подмодель механических процессов:
3.5. Взаимодействие с ЭМ осуществляется при помощи методик, предусмотренных в CALS-технологии, через систему электронного документа оборота (PDM).
3.6. ЭМ ЭКБ и ЭА позволяет обращаться с ней, как с материальным оригиналом: оценивать соответствия параметров и выходных характеристик изделия требованиям ТЗ, стандартам и другой нормативной документации, а также принимать обоснованные решения для внесения изменений в проектирование ЭКБ и ЭА с целью оптимизации показателей ее качества и надежности.
3.7. ЭМ ЭКБ и ЭА позволяет улучшать показатели процесса проектирования и изготовления, такие как стоимость, сроки и содержание работ на тех или иных этапах. Одним из эффективных с этой точки зрения решений является замена натурных испытаний физического макета или опытного образца математическим моделированием.
3.8. ЭМ ЭКБ и ЭА формируется при проектировании, и в нее могут быть внесены изменения на этапах изготовления и эксплуатации с учетом реальных условий производства на заводе и эксплуатации на конкретном объекте установки. Подобные разрешения дают проектировщики ЭКБ и ЭА после дополнительного исследования ЭМ.
3.9. Еще на этапе концептуального проектирования использование ЭМ позволяет провести анализ альтернативных подходов и выбрать наиболее верное решение. При конструировании она помогает оценить внешние формы частей, их стыковку и согласованность друг с другом в рамках единой ЭА.
3.10. Автоматизированная система, предлагаемая для использования при комплексном моделировании ЭКБ и ЭА для формирования ЭМ, состоит из ряда проблемных подсистем, позволяющих комплексно моделировать все основные физические процессы для различных уровней иерархии современных наукоемких ЭКБ и ЭА. Комплексное моделирование электрического, теплового, механического и других физических процессов в ЭА (до уровня ЭКБ) с использованием только одного программного средства невозможно. Поэтому для его проведения потребуется несколько моделирующих программ, между которыми необходимо поддерживать связь на уровне входных-выходных данных.
3.11. Рекомендуемая автоматизированная система включает в себя средства моделирования электрических, тепловых, механических и других физических процессов, а также средства оценки надежности и качества ЭКБ и ЭА и обеспечивает дополнение конструкторской документации результатами расчетов и моделями, по которым эти расчеты проведены.
3.12. На базе рекомендуемой автоматизированной системы формируется ЭМ создаваемой ЭКБ и ЭА, в которую помещается вся информация, накопленная на всех стадиях жизненного цикла. ЭМ позволяет инженеру моделировать любые процессы в ЭКБ и ЭА и вносить любые изменения в ее конструкцию и схему так, как если бы это был реальный объект.
3.13. ЭМ включает в себя:
3.14. Для разработки высоконадежных ЭКБ и ЭА важное значение имеет систематизация, накопление, хранение и отображение информации. Для этого применяются системы электронного документооборота (PDM-системы). Накопленная информация используется на всем жизненном цикле изделия и включает в себя:
3.15. Интеграция программных продуктов позволяет осуществить сквозное автоматизированное проектирование ЭКБ и ЭА на основе комплексного моделирования физических процессов.
3.16. Информационная согласованность всей системы обеспечивается на уровне ЭМ ЭКБ и ЭА, 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 управления моделированием. Такие интерфейсы позволяют преобразовать совокупность информационных объектов ЭМ ЭКБ и ЭА, описывающих исходные данные для целевой подсистемы, в файлы проекта этой подсистемы и, наоборот, преобразовать файлы проекта исходной подсистемы в совокупность информационных объектов электронной модели ЭКБ и ЭА и взаимосвязей между ними, регламентированных стандартом ISO 10303 STEP, гарантируя однозначность представления информации в ЭМ ЭКБ и ЭА.
4.1. Для обеспечения взаимодействия работников при проектировании ЭКБ и ЭА требуется организовать виртуальное конструкторское бюро (ВКБ), схема которого представлена на рис. 2.
4.2. Пояснения к рис. 2:
Литература
