ГОСТ Р 60.0.7.2-2020. Национальный стандарт Российской Федерации. Роботы и робототехнические устройства. Технология математического моделирования и виртуализации испытаний базовых элементов робототехнических комплексов на внешние воздействующие факторы на всех этапах жизненного цикла

Приложение Б

(справочное)

 

ПРИМЕР РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ АСОНИКА

 

На рисунках Б.1 - Б.13 и в таблицах Б.1 - Б.4 представлены некоторые результаты моделирования БЭ РТК, полученные с помощью системы АСОНИКА.

В АСОНИКА-УМ (управление моделированием) в категории "Изделия концерна" создана стойка БЭ РТК (рисунок Б.1). К изделию прикреплена техническая документация, 3D-модель и виртуальный макет с результатами моделирования физических процессов. В стойку БЭ РТК входит блок БЭ РТК, содержащий модули. К модулям прикреплены техническая документация и виртуальный макет с результатами моделирования физических процессов.

 

 

Рисунок Б.1 - Состав основного дерева БЭ РТК в АСОНИКА-УМ

(фрагмент)

 

На рисунках Б.2 - Б.3 представлены МТП блока БЭ РТК при вынужденной конвекции - математическая и топологическая, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т. В таблице Б.1 представлены результаты моделирования тепловых процессов блока БЭ РТК при вынужденной конвекции, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т.

 

ШС10-Е  СОЗВЕЗДИЕ ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ

ТИПК=01

ТИПР=01

ФПЧ=00

ТЕСТ=10

19 - КОЛИЧЕСТВО УЗЛОВ МОДЕЛИ

"1112223331111111122222222333333334444444455555555666666667777777788888888

   4  0101     6.0

   5  0101     6.0

   8  0101     6.0

   9  0101     6.0

  10  0101     6.0

  11  0101     6.0

   6  0101     9.4

   7  0101     9.4

  12  0101     1.4

  13  0101     1.4

  14  0101     1.5

  15  0101     1.5

  16  0101    12.1

  19  0101     7.0

  17  0101    73.0

  18  0101     1.0

   1  0111    50.0

   1  2 16   320.0  1930.0     0.8     1.

   1  2 26   320.0  1930.0   320.0    1.0    760.0

   4  5 16   200.0   220.0     0.8    1.0

   5  6 16   200.0   220.0     0.8    1.0

   6  7 16   200.0   220.0     0.8    1.0

   7  8 16   200.0   220.0     0.8    1.0

   8  9 16   200.0   220.0     0.8    1.0

   9 10 16   200.0   220.0     0.8    1.0

  10 11 16   200.0   220.0     0.8    1.0

  11 12 16   200.0   220.0     0.8    1.0

  12 13 16   200.0   220.0     0.8    1.0

  13 14 16   200.0   220.0     0.8    1.0

 

Рисунок Б.2 - МТП блока БЭ РТК при вынужденной конвекции

 

 

 

 

Рисунок Б.3 - Топологическая МТП блока БЭ РТК

при вынужденной конвекции

 

Таблица Б.1

 

Результаты расчета блока БЭ РТК при скорости 0,53 м/с

(два вентилятора PAPST-8414NH)

 

N узла	Наименование узла	Температура, °C
1	Окружающая среда	50
2	Корпус	54,4
3	Воздух на выходе	53,5
4	ШС1-левый	62,6
5	ШС1-правый	65,7
6	ШС2-л	69,7
7	ШС2-пр	69,8
8	ШС1-л	66,4
9	ШС1-пр	65,3
10	ШС1-л	64,7
11	ШС1-пр	63,3
12	ШС10-л	58,2
13	ШС10-пр	57,2
14	ШС30-л	58,3
15	ШС30-пр	63
16	ТМ-П	79,2
17	Корпус ШС71	96,7
18	ШС71-ПУ	75,4
19	ШС71 рад	126,6

 

На рисунке Б.4 показаны поля перемещений в конструкции блока БЭ РТК на резонансной частоте 180 Гц. Аналогично допускается вывести поля ускорений и напряжений. На рисунке Б.5 представлены графики ускорений в контрольных точках блока БЭ РТК. Рисунки Б.4 и Б.5 отображают результаты моделирования механических процессов, полученные в АСОНИКА-М.

 

 

Рисунок Б.4 - Поле перемещений блока БЭ РТК (частота 180 Гц)

 

 

 

 

Рисунок Б.5 - Графики ускорений в контрольных точках блока

БЭ РТК

 

На рисунке Б.6 представлена зависимость ускорения блока БЭ РТК от времени при воздействии механического удара многократного действия по оси X. Допускается вывести аналогичные зависимости при воздействии гармонической вибрации и одиночного удара по каждой из осей. Рисунок Б.6 отображает результаты моделирования системы виброизоляции, полученные в АСОНИКА-В.

В таблице Б.2 показан пример параметров ЭРИ в БД АСОНИКА-БД.

На рисунке Б.7 представлена модель электрических процессов модуля питания. На рисунке Б.8 представлен один из графиков электрических параметров одного из элементов с учетом переходного процесса. Это пример результатов расчета электрических процессов в модуле питания.

 

 

Рисунок Б.6 - Зависимость ускорения блока БЭ РТК от времени

при воздействии механического удара многократного действия

по оси X

 

Полная условная запись: 1002ИР1 бК0.347.331-02ТУ.

 

Таблица Б.2

 

Пример параметров ЭРИ

 

Рисунок	Параметр	Значение
Вид в пространстве:     Примечание - Прямоугольные в отверстия, прямоугольный лежит (равномерно в два ряда)	Размер посадочного места по оси X psx, мм	17,08
	Масса элемента, г	2,5
	Размер корпуса по оси X lx, мм	12,2
	Размер корпуса по оси Y wy, мм	15,6
	Размер корпуса по оси Z hz, мм	3,2
	Удельная теплоемкость корпуса, Дж/(кг·К)	138
	Количество выводов	24
	Размер сечения выводов по оси X pwx, мм	0,2
	Размер сечения выводов по оси Y pwy, мм	0,62
	Радиус гибки выводов pR, мм	0,155
	Длина 1-го участка выводов pL1, мм	1,067
	Шаг выводов pstep, мм	1,25
	Плотность материала выводов, кг/м3	10 500
	Коэффициент теплопроводности материала выводов, Вт/(К·м)	427
	Удельная теплоемкость материала выводов, Дж/(кг·К)	234
	Цилиндрическая жесткость	2
	Коэффициент черноты поверхности, отн. ед.	0,8
Вид сбоку:	Максимальная допустимая температура корпуса, °C	125
	Минимальная допустимая температура корпуса, °C	-60
	Минимальная допустимая частота гармонической вибрации, Гц	2
	Максимальная допустимая частота гармонической вибрации, Гц	2500
	Максимальное допустимое ускорение гармонической вибрации, g	40
	Максимальное допустимое ускорение одиночного удара, g	1000
	Максимальное допустимое ускорение многократного удара, g	150
Вид сверху:	Максимальное допустимое линейное ускорение, g	500

 

 

Рисунок Б.7 - Модель электрических процессов модуля питания

 

 

 

 

Рисунок Б.8 - График электрических параметров одного

из элементов с учетом переходного процесса

 

На рисунках Б.9 - Б.11 приведены результаты моделирования ПУ на воздействие гармонической вибрации. Допускается также вывести аналогичные результаты моделирования ПУ на воздействие одиночного и многократного удара: зависимость ускорения одиночного и однократного удара от времени в контрольной точке (в центре платы), поля максимальных ускорений при воздействии одиночного и многократного удара на плоскости и в объеме, а также карты механических режимов ЭРИ при воздействии одиночного и многократного ударов. Аналогичные результаты возможно получить и на воздействие акустического шума. Карта механических режимов ЭРИ при воздействии гармонической вибрации представлена в таблице Б.3. Эти результаты моделирования ПУ на механические воздействия получены с помощью АСОНИКА-ТМ.

 

 

Рисунок Б.9 - Зависимость амплитуды ускорения гармонической

вибрации от частоты в контрольной точке (в центре платы)

 

 

 

 

Рисунок Б.10 - Поле виброускорений при воздействии

гармонической вибрации на резонансной частоте 186 Гц

(на плоскости)

 

 

 

 

Рисунок Б.11 - Поле виброускорений при воздействии

гармонической вибрации на резонансной частоте 186 Гц

(в объеме)

 

Таблица Б.3

 

Карта механических режимов работы ЭРИ при гармонической

вибрации для ПУ БЭ РТК (фрагмент)

 

КАРТА МЕХАНИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭРИ
(при гармонической вибрации)
N п/п	Обозначение ЭРИ	Сторона	Ускорение ЭРИ			Коэффициент механической нагрузки, отн. ед.	Перегрузка, g
			Частота, Гц	Максимальное расчетное, g	Максимальное допустимое по ТУ, g
1	C1	1	499.500	8.064	40.000	0.202
2	C10	1	499.500	12.525	40.000	0.313
3	C11	1	452.000	17.256	40.000	0.431
4	C16	1	345.800	24.178	40.000	0.604
5	C17	1	499.500	8.064	40.000	0.202
................................................
264	R89	2	412.000	14.780	40.000	0.370

 

На рисунке Б.12 приведены полученные тепловые характеристики ПУ (воздух внутри блока при естественной конвекции 100,2 °C). Карта тепловых режимов ЭРИ представлена в таблице Б.4. Данные результаты теплового моделирования для ПУ получены с помощью АСОНИКА-ТМ.

 

 

Рисунок Б.12 - Поле температур для ПУ БЭ РТК

 

Таблица Б.4

 

Карта тепловых режимов работы ЭРИ при стационарном тепловом

воздействии для ПУ БЭ РТК (фрагмент)

 

N п/п	Обозначение ЭРИ	Сторона	Температура ЭРИ		Коэффициент тепловой нагрузки, отн. ед.	Перегрев, °C
			Расчетная, °C	Максимальная допустимая по ТУ, °C
1	C1	1	105.046	100.000	1.050	5.046
2	C10	1	104.714	100.000	1.047	4.714
3	C11	1	105.581	100.000	1.056	5.581
4	C16	1	104.855	100.000	1.049	4.855
5	C17	1	105.048	100.000	1.050	5.048
51	D1	1	104.712	100.000	1.047	4.712
52	D10	1	105.466	85.000	1.241	20.466
53	D11	1	106.199	100.000	1.062	6.199
54	D12	1	112.471	85.000	1.323	27.471
55	D13	1	113.016	85.000	1.330	28.016
91	L1	1	104.790	100.000	1.048	4.790
92	L2	1	104.931	100.000	1.049	4.931
93	L3	1	104.925	100.000	1.049	4.925
94	L4	1	105.378	100.000	1.054	5.378
95	L5	1	104.644	100.000	1.046	4.644
96	L6	1	104.982	100.000	1.050	4.982
97	R1	1	105.578	100.000	1.056	5.578
98	R10	1	106.503	100.000	1.065	6.503
99	R100	1	105.530	100.000	1.055	5.530
100	R101	1	105.484	100.000	1.055	5.484
101	R102	1	105.200	100.000	1.052	5.200

 

С помощью подсистемы АСОНИКА-Б был проведен расчет показателей надежности. Некоторые результаты представлены на рисунке Б.13.

 

 

Рисунок Б.13 - Интенсивности отказов компонентов первого

уровня в изделии "Устройство вторичного электропитания

БЭ РТК" (предварительный расчет)

 

Уточненный расчет эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ проводился на основании температур ЭРИ, полученных в результате моделирования тепловых процессов с использованием АСОНИКА-ТМ.

На рисунке Б.14 приведен пример КРР (форма 58) для транзисторов, созданной с помощью АСОНИКА-Р.

 

Форма 58

 

Карта рабочих режимов транзисторов и транзисторных сборок

 

Позиционное обозначение				VT1		VT2		VT3
Наименование изделия				2Т3130Б9 аА0.339.569ТУ		2Т664А9 аА0.339.559ТУ		STN83003
Режим работы				в схеме	по НТД	в схеме	по НТД	в схеме	по НТД
Статический режим	Напряжение, В	коллектор-эмиттер	1	15	40	15	100	5	400
		коллектор-база	2	18.75	50	18	120	5.75	700
		эмиттер-база	3	1.88	5	0.75	5	0.15	12
	ток, А	коллектора	4	0.04	0.1	0.15	1	0.02	1.5
		базы	5			0.04	0.3
Динамический режим	напряжение, В	коллектор-эмиттер	6	15	40
		коллектор-база	7	18.75	50
		эмиттер-база	8	1.88	5
	ток, А	коллектора	9			0.23	1.5
		базы	10
Длительность импульса, мкс			11
Частота следования, Гц			12	169825165	200000000
Сопротивление в цепи базы, В			13
Режим при включении и выключении	напряжение коллектор-эмиттер, В		14	15	40
	максимальный ток коллектора, А		15	0.04	0.1
	длительность фронта (спада), мкс		16
Средняя мощность, Вт			17	0.07	0.2	0.04	0.3	0.02	1.6
Импульсная мощность, Вт			18			0.15	1
Температура окружающей среды (корпуса), °C			19	15	85	15	125	15	150
Коэффициент нагрузки			20	0.35(17)	0.7	0.13(17)	0.7	0.01(17)	0.7
Примечание			21

 

Рисунок Б.14 - Карта рабочих режимов (форма 58)

 

На рисунках Б.15 - Б.21 и в таблице Б.5 представлены некоторые результаты моделирования БЭ РТК, полученные с помощью подсистемы АСОНИКА-К.

В модуле подсистемы АСОНИКА-К-ИС рассчитывается интенсивность отказов микросхем сверхбольшой степени интеграции. На рисунке Б.15 представлены рассчитанные вклады отдельных деградационных процессов в общее значение интенсивности отказов исследуемой микросхемы. Для достижения наиболее оптимальных параметров эксплуатации микросхемы проводят анализ зависимостей показателей надежности относительно отдельных характеристик микросхемы. На рисунке Б.15 приведен пример такой зависимости.

 

 

а) Вклады деградационных процессов в общую надежность

 

 

б) Зависимость надежности от температуры корпуса

 

Рисунок Б.15

 

Для расчета показателей надежности электронного модуля 1-го уровня БЭ РТК применяется модуль подсистемы АСОНИКА-К-СЧ/Д, на рисунке Б.16 показаны вклады отдельных элементов в общую надежность электронного модуля 1-го уровня и выявлены критичные элементы.

 

 

а) Расчет показателей безотказности

 

 

б) Расчет показателей долговечности

 

Рисунок Б.16 - Вклады отдельных ЭРИ в общую надежность

электронного модуля БЭ РТК

 

Для оценки влияния температуры окружающей среды была построена температурная зависимость эксплуатационной интенсивности отказов (рисунок Б.17)

 

 

Рисунок Б.17 - Зависимость эксплуатационной интенсивности

отказов от температуры окружающей среды

 

На рисунке Б.18 показана структурная схема надежности (ССН) БЭ РТК. В системе АСОНИКА-К-СИ ССН допускается представить в виде "последовательного соединения" групп 1-го уровня. ССН БЭ РТК представляют в виде группы "последовательное соединение", в состав которой входят три группы: две группы "скользящее нагруженное резервирование" и группа "последовательное соединение". Критерии отказов резервированных групп: L1 - 6/32, а L2 - 14/128.

 

 

а) В виде блок-схемы

 

 

б) В интерфейсе модуля программы

 

Рисунок Б.18 - Структурная схема надежности БЭ РТК

 

Показатели надежности БЭ РТК для режима эксплуатации рассчитывались на основе интенсивностей отказов и времен восстановления резервированных групп 1-го уровня. Результаты расчета приведены на рисунке Б.19. Полученное в результате значение коэффициента оперативной готовности БЭ РТК составляет 0,9999498 отн. ед. (при заданном времени выполнения задания, равном 4 ч), а среднее время восстановления составляет 0,801 ч (см. рисунок Б.19).

 

 

Рисунок Б.19 - Результаты расчета показателей

надежности БЭ РТК

 

Для расчета показателей достаточности комплекта изделия (коэффициента готовности и др.) применяется модуль подсистемы АСОНИКА-К-ЗИП. В таблице Б.5 показан пример формуляра исходных данных, составленного на основе данных о количествах и типах, их характеристиках надежности и т.д., для оцениваемого изделия. Полученные результаты расчета приведены на рисунке Б.20.

 

Таблица Б.5

 

Формуляры исходных данных для изделия

 

Наименование запасных частей	I0	mi0, шт.	, ч -1	Ci0, руб.		Tio, ч	, ч	ni0, шт.
Блоки питания
СН-152	1	4	10	500	3	150	0	1
ВС-650	2	5	56	15 000	3	150	0	1
ВС-561	3	11	60	15 000	3	150	0	1
ВС-323	4	1	120	13 000	3	150	0	1
ВС-559	5	2	284	12 000	3	150	0	1
ВС-585	6	1	200	20 000	3	150	0	0
ТЭЗ-000-01	7	4	8	12 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-02	8	12	8	10 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-03	9	8	7	12 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-04	10	5	6	10 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-05	11	3	8	10 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-06	12	4	12	20 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-07	13	2	18	15 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-08	14	12	12	23 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-09	15	11	15	22 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-10	16	3	18	20 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-11	17	12	18	22 000	3	300	0	1
ТЭЗ-000-12	18	2	24	23 000	3	300	0	1
Реле РЭС-49	19	140	100	13 000	2	8000	65	112
Субблок ФА-1	20	10	180	25 000	2	8000	65	14
Субблок ФА-2	21	2	180	25 000	2	8000	65	2
Субблок ФР-1	22	18	180	25 000	2	8000	65	25
Субблок ФР-2	23	18	180	25 000	2	8000	65	25
Диод Д311А	24	250	5	1000	1	8000	0	18
Конденсаторы
К50-3А...	25	12	1,8	250	1	8000	0	3
КМБ-Н90...	26	26	1,5	500	1	8000	0	13
Резисторы
ОМЛТ-0,125-820 Ом	27	95	0,7	100	1	8000	0	4
ОМЛТ-0,125-1,1 кОм	28	212	0,7	100	1	8000	0	6
ОМЛТ-0,25-680 Ом	29	37	0,7	100	1	8000	0	3
ОМЛТ-2,0-230 Ом	30	34	0,7	200	1	8000	0	3

 

 

Рисунок Б.20 - Результаты расчета показателей достаточности

комплекта ЗИП-О оцениваемого изделия

 

На рисунке Б.21 показан пример ввода формальной модели поведения для расчета показателей надежности реконфигурируемого БЭ РТК путем проведения имитационного эксперимента (методом Монте-Карло).

 

 

Рисунок Б.21 - Пример ввода формальной модели

реконфигурируемого устройства