грант Российского научного фонда, проект № 22-29-20328

Руководитель проекта: Юрков Н.К., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Коструирование и производство радиоаппаратуры»

Коллектив исполнителей: Рыбаков И.М., Ильин А.С., Кошелев Н.Д.

Непрерывное повышение надежности, постоянная актуализация и создание новых конструкторских и технологических решений проектирования электронной аппаратуры с учетом самых современных тенденций мировой электроники, являются основополагающими факторами позволяющие добиться высокого уровня конкурентоспособности изделий электронной техники и выработать новые методы усовершенствования конструкций электронных блоков. При этом анализ устойчивости ко внешним дестабилизирующим факторам путем математического моделирования вибрационных и температурных процессов являются первыми и главными задачами при проектировании и дальнейшем производстве электронной аппаратуры. Широкий спектр существующих систем автоматизированного проектирования позволяет проводить математическое моделирование электронной аппаратуры, но в большинстве случаев модели, используемые при исследованиях имеют упрощенную структуру, что отрицательным образом влияет на точность получаемых результатов. При этом ни в одной системе автоматизированного проектирования мультифизического анализа, какими являются комплексные вибрационно-тепловые процессы, послойная структура печатных плат не учитывается.
Исходя из этого возможно сформулировать актуальность исследований, которая обусловлена необходимостью разработки новых способов анализа для прогнозирования качества получаемой электроники путем создания и усовершенствования методов математического моделирования путем детализации конструкции электронной аппаратуры, а в частности печатных плат при комплексных вибрационно-тепловых процессах. Детализация конструкции электронной аппаратуры позволит на различных этапах жизненного цикла изделия проводить имитационные испытания цифровой модели устройства без создания экспериментального образца с высокой степенью достоверности получаемых результатов. При этом детализированность получаемой модели можно будет контролировать с целью снижения вычислительной мощности и её адаптации под текущей уровень проектирования. Под комплексными вибрационно-тепловыми процессами понимаются исследование физических, механических, электронных и эксплуатационных свойств современных образцов электронной аппаратуры, при одновременным влиянием как вибрации, так и температуры в различных её комбинациях. Потребность данных исследований обусловлена высоким уровнем миниатюризации и применением быстродействующей цифровой аппаратуры, в которой от температуры нагрева сплошного структуры элемента в связке с печатной платой, припоем и форм-фактором элемента может меняться собственная частота и общий частотный спектр работы, что в стратегических отраслях техники, таких как ракетно-космическая аппаратура может является решающим фактором, влияющим на надежность всего комплекса изделия. При этом особое внимание будет уделено созданию электронной базы данных электрорадиоизделий, которые будут являться электронными копиями реальных электрорадиоизделий и имитировать различные режимы работы при заданных комплексных вибрационно-тепловых воздействиях.
Анализ современного состояния проблем проектирования таких систем показывает, что при проектировании сложных электронных блоков и систем бортовой электроники, использование методов проектирования с учетом отдельных составляющих вибрационных и тепловых воздействий может недостаточно точно описывать вибрационно-тепловую картину при работе и эксплуатации таких систем. Следовательно, создание детализированной конструкции электронной аппаратуры и развитие теоретических основ исследования комплексных вибрационно-тепловых процессов, путем разработки новых подходов математического моделирования электронных блоков и систем бортовой электроники является важно и актуальной задачей, которая позволит создать нейронные сети интеллектуального прогнозирования качества получаемой электроники. При этом основой реализации поставленных задач, будет создание способа передачи послойной модели конструкции печатной платы с адаптивным выбором её детализации и развитие математического аппарата систем имитационного моделирования комплексного вибрационно-теплового воздействия на объекты исследования, путем экспериментальных, аналитических и математических методов анализа, которые лягут в основу программного пакета математического моделирования электронной аппаратуры.

Цель проекта: повышение надежности, модернизация существующих и создание новых образцов высоконадежной электронной аппаратуры путем:
- создания способа получения послойной модели печатной платы с адаптивным выбором её детализации;
- разработки математических методов расчета комплексных вибрационно-тепловых процессов;
- создания теоретических основ комплексной вибро-тепло защиты;
- реализации программного пакета математического моделирования электронной аппаратуры.

Решение данных проблем позволит создать базу новых условий механических воздействий при математическом моделировании, а предлагаемые подходы к их решению, использующие современные достижения в теории вибротеплозащиты и исследование комплексных вибрационно-тепловых воздействий, позволит создать теоретические основы создания нейронных сетей интеллектуального прогнозирования качества получаемой электронной аппаратуры, соответствующие мировому уровню в заявленной отрасли знаний.

Задачи проекта:

1. Создание способа получения послойной модели печатной платы с адаптивным выбором её детализации и возможностью учета вибрационно-тепловой нагруженности от размещенных на ней компонентов.
2. Разработка теоретических основ комплексной вибро-тепло защиты современной бортовой электронной аппаратуры.
3. Создание эффективных математических методов расчета комплексных вибрационно-тепловых воздействий на бортовую электронную аппаратуру.
4. Создание оригинального программного пакета математического моделирования конструкции с учетом комплексного вибрационно-теплового воздействия, позволяющего проектировать новые высоконадежные электронные устройства.
5. Создание нейронной сети интеллектуального прогнозирования качества получаемой электронной аппаратуры.

Ожидаемые результаты проекта:

1. Создание способа получения послойной математической модели печатной платы с адаптивным выбором её детализации.

2. Возможность учета комплексной вибрационно-тепловой нагруженности компонентов печатной платы в зависимости от их размещения.

3. Создание теории распространения, детектирования и анализа комплексных вибрационных возмущений и тепловых излучений для электронной аппаратуры с определением воздействующих условий при статических и динамических режимах работы (линейный и нелинейный законы распространения внешних воздействующих факторов).

4. Разработка эффективных математических методов расчета комплексных вибрационно-тепловых воздействий.

5. Создание программного пакета математического моделирования.

6. Выполнение расчетов с помощью программного пакета математического моделирования для решения ряда практически важных задач.

7. Получение качественно новых условий механических воздействий комплексной вибрационно-тепловой нагруженности для развития теоретических основ создания нейронных сетей интеллектуального прогнозирования качества получаемой электронной аппаратуры.

Достигнутые результаты проекта.

Выполнены экспериментальные исследований по применению широкополосной и распределенной случайной вибрации для определения вибрационных откликов многослойной структуры печатных план с различным расположением на ней элементов, были проведены испытания на виброустойчивость печатных плат согласно ГОСТ Р 55744. Так же проведены испытания на ударную устойчивость печатных плат. Испытание позволяет установить способность печатных плат сохранять параметры в пределах значений в соответствии с техническими требованиями на изделие в условиях воздействия вибрации. Получено описание математической модели расчета распределенных нагрузок при вибрационной нагрузке печатной платы. Рассмотрен плоский поперечный изгиб пластины, которую можно представить в виде печатной платы, при нем все силы лежат в одной полкости и перпендикулярны продольной оси. В таких случаях в поперечных сечениях действуют поперечная сила и изгибающий момент, при этом продольное усилие равно 0. При плоском поперечном изгибе поперечная сила равняется сумме сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения, и изгибающий момент равен сумме моментов всех сил, расположенных по одну сторону рассматриваемого сечения относительно центра тяжести сечения. Создана имитационная модель для расчета механических напряжений и перемещений печатной платы. Созданы четыре твердотельные модели печатных плат: без проводников, с проводниками на одной стороне, с проводниками с двух сторон, с проводниками с двух сторон и полигонами. Каждая из моделей представляет собой твердотельную модель реальной конструкции печатной платы с различной плотностью печатных проводников. Произведено уточнение математической модели определения изгиба печатной платы. В результате проведения имитационного моделирования была выявлена прямая зависимость изгиба печатной платы от плотности печатных проводников на ней. Для учета связей между деталями печатной платы в математической модели было предложено внести в неё уточняющие коэффициенты. Создан алгоритм применения уточненной математической модели для определения изгиба печатной платы, который позволяет с высокой точность определять изгиб печатной платы с различной плотностью печатных проводников.

Представлены результаты экспериментальных исследований многослойной структуры печатных план с различным расположением на ней элементов по законам теории теплопроводности. Проведены экспериментальные исследования на стенде, моделирующем работу печатного узла системы терморегулирования аппарата. Представлены результаты исследований с помощью математической модели влияния проводящих слоев на тепловой режим печатного узла. В работе рассмотрена математическая модель проводящих слоев одномерного температурного поля для определения температур в различных точках пластины. Перенос теплоты в данном случае осуществляется за счет теплопроводности проводящего материала при воздействии внутренних источников теплоты, когда температура системы изменяется от точки к точке. Указанный процесс распределения теплоты такой же, как процесс нагрева печатного проводника (дорожки). Создана математическая модель расчета температур и алгоритм комбинированного метода расчета теплофизических параметров электронных блоков для области с высокой концентрацией источников тепловыделений. Создан алгоритм расчета теплофизических параметров электронных блоков. Алгоритм работы позволяет достичь более точного детектирования и прогнозирования работы электронных изделий и принять верное конструкторское и технологическое решение уже на стадии проектирования электронной аппаратуры.

Получены результаты имитационного моделирования и экспериментальных исследований определения резонансных частот исследуемой конструкции модели печатного узла на установке исследования вибрационных воздействий печатного узла.

Создана методика проведения экспериментального исследования при комплексных вибрационно-тепловых воздействиях на электронную аппаратуру. Реализована методика комплексного вибрационно-теплового воздействия для определения характеристик показателей надежности. Создание комплексной методики вибрационно-теплового расчета параметров электронных блоков заключается в выработке наукоемких решений еще на стадии проектирования самой электронной аппаратуры. Основными блоками методики расчета теплофизических параметров электроники являются: блок синтеза данных, программно-аппаратный блок и функционально-измерительный блок. Разработанная методика отличается улучшенным способом определения вибрационных откликов и тепловых полей на всех участках печатных узлов.

Получены характеристические зависимости распределений вибрационных и тепловых полей, которые легли в основу математических моделей расчета уточняющих коэффициентов для определения величины перемещений печатной платы и зон с высокой степенью теплонагруженности. Данные зависимости были аппроксимированы полиномом второй и третьей степени, который позволяет рассчитать уточняющие коэффициенты для расчета распределенных нагрузок при поперечном изгибе печатной платы и зависимости температуры от мощности тепловыделений с учетом увеличение толщины печатного слоя.

Создан способ построения и анализа послойной математической модели печатной платы с адаптивным выбором её детализации и возможностью расположения на ней цифровых копий электрорадиокомпнентов, её суть заключается в создании модели печатного узла с высокой степенью детализации отдельных компонентов электронной аппаратуры.