Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.А. ТИХОНЕНКОВ, В.А. МИШИН

КОНСТРУИРОВАНИЕ И НАДЕЖНОСТЬ

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Учебное пособие по индивидуальным заданиям

для студентов специальности 19.03 и бакалавров

по направлению 55.15.

Ульяновск 2002

УДК 681.586 (075)

ББК 34.9 я7

Т46

Тихоненков В.А., Мишин В.А.

Т46 Конструирование и надежность измерительно-вычислительных ком-

плексов летательных аппаратов: Учебное пособие по индивидуальным

заданиям. – Ульяновск УлГТУ 2001. – 201 с.

Предлагается ряд индивидуальных заданий по изучению и назна-

чению норм надежности неремонтируемой измерительно-

вычислительной аппаратуры, расчету надежности и методов ее повы-

шения, проведению анализа точности в процессе ее разработки, разра-

ботке ее элементов для работы при воздействии механических нагру-

зок (вибрации и удары), разработке системы защиты от воздействия

механических нагрузок и температурных условий эксплуатации. Для

обеспечения выполнения индивидуальных работ в сборнике приводят-

ся конкретные сведения по аналитической, структурной и схемотех-

нической реализации поставленных задач.

Настоящий сборник разработан в соответствии с учебными пла-

нами и типовыми программами подготовки инженеров электриков по

специальности 19.03 и бакалавров по направлению 55.15.

Работа выполнена на кафедре ИВК.

УДК 681.586 (075)

ББК 34. 9 я7

Рецензенты: Тюкавин А.А. доктор технических наук, профессор;

Гринберг И.П. доктор технических наук, профессор.

Утверждено редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия.

ISBN 5-89146-200 © Тихоненков В.А., Мишин В.А., 2002

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….. 5

1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

НЕРЕМОНТИРУЕМЫХ СИСТЕМ………………………….……………………… 7

1.1. Теоретические распределения наработки до отказа…….…………… 7

1.2. Сохраняемость неремонтируемых систем…………….…………..….. 11

1.3. Долговечность неремонтируемых систем……………………………. 12

1.4. Юридическо-правовые понятия надежности…………………….…... 18

1.5. Задания к выполнению самостоятельной работы………………..…... 19

2. НАЗНАЧЕНИЕ НОРМ НАДЕЖНОСТИ…………………………..….. 21

2.1. Учет технических характеристик проектируемых систем………….. 21

2.2. Учет технического прогресса……………………..……………...…… 22

2.3. Учет изменения условий эксплуатации……………………….…….... 24

2.4. Корректировка норм надежности……………………………………... 25

2.5. Уточнение норм надежности и выбор мероприятий пo

их повышению………………………………………………………………………... 26

2.6. Задания к выполнению самостоятельной работы…………………..... 29

3. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ НЕРЕМОНТИРУЕМЫХ

CИСТЕМ ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ

ЛОГИЧЕСКИМ СХЕМАМ………………………………….……………………… 31

3.1. Логическая схема последовательного соединения блоков…………. 32

3.2. Логическая схема параллельного соединения блоков………………. 34

3.3. Оценка эффективности пассивного нагруженного резервирования.. 42

3.4. Задания к выполнению самостоятельной работы…………………... 43

4. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТНОЙ НАДЕЖНОСТИ………………………….. 49

4.1. Ориентировочная оценка надежности……………………………….. 49

4.2. Оценка надежности с учетом условий работы системы………….…. 51

4.3. Задания к выполнению самостоятельной работы…………….…..…. 54

5. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ РЕМОНТИРУЕМЫХ СИСТЕМ….. 59

5.1. Основные количественные показатели надежности

ремонтируемых систем без учета времени на восстановление……………….….. 61

5.2. Основные количественные показатели надежности

ремонтируемых систем с учетом времени на восстановление..……………….…. 63

5.3. Основные количественные показатели надежности

резервированных ремонтируемых систем…………………………………….…… 69

5.4. Количественные показатели долговечности

ремонтируемых систем……………………………………………………………… 75

5.5. Задания к выполнению самостоятельной работы…………………….. 77

6. НАДЕЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ…………….. 81

6.1.

Исходные понятия и определения надежности ПО………………… 81

6.2. Математические модели надежности ПО……………..……………... 88

6.3. Анализ влияния оперативной помехозащиты на надежность ПО…. 95

6.4. Задания к выполнению самостоятельной работы…………………… 102

7. АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ И

РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ИВК……………………………….……………… 105

7.1. Вероятностный метод…………………………………………………. 106

7.2. Метод наихудшего случая……………………………………………. 110

7.3. Метод статистических испытаний……………….…………………... 111

7.4. Задания к выполнению самостоятельной работы………………….… 113

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛАТ ИВК С УЧЕТОМ

ВОЗДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИЙ НА ЭРЭ……………………………………………. 118

8.1. Анализ колебаний плат при вибрации……………..……………….... 121

8.2. Расчет собственных частот плат………………..………………….…. 127

8.3. Выбор собственной частоты платы из условия

работоспособности ЭРЭ при вибрациях…………………………………………… 132

8.4. Экспериментальное определение динамических

характеристик плат……………………………….………………………………… 133

8.5. Задания к выполнению самостоятельной работы……………….….. 135

9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ

ДЛЯ ЗАЩИТЫ РЭА ОТ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ…………………….. 136

9.1. Амортизация как средство защиты РЭА от

гармонической вибрации………………………..…………………………………... 137

9.2. Методика проектирования СА для защиты РЭА от

гармонических вибраций……………………………………………………….…… 139

9.3. Задания к выполнению самостоятельной работы…………………… 148

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ

ДЛЯ ЗАЩИТЫ РЭА ОТ УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ……….……………….... 153

10.1. Удар как дестабилизирующий фактор РЭА…………………………. 154

10.2. Методика проектирования СА для защиты РЭА

от одиночного удара………………….……………………………………………… 158

10.3. Задания к выполнению самостоятельной работы………………….... 163

11. РАЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОННОГО

БЛОКА С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ……………………..………….. 167

11.1. Расчет теплового режима блока ЭРЭ в герметичном корпусе……... 169

11.2. Расчет теплового режима блока ЭРЭ с циркуляцией

воздуха между платами, нагретой зоной и корпусом….……………………….…. 177

11.3. Задания к выполнению самостоятельной работы………………….... 182

ПРИЛОЖЕНИЯ…….……………………………………………………….….. 186

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………..………… 197

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы конструирования и надежности измерительно-вычислительной

аппаратуры для летательных аппаратов, возникающие в процессе их проекти-

рования непосредственно связаны с обеспечением их безопасной эксплуата-

ции. Так как любой отказ аппаратуры в процессе выполнения задания лета-

тельного аппарата приводит к тяжелым последствиям, вплоть до человече-

ских жертв, то качество данной аппаратуры и надежность ее функциониро-

вания в процессе эксплуатации при воздействии жестких дестабилизирующих

факторов (механические удары и вибрация, температура, влажность, радиа-

ция и д.р.) принимает особо важное значение в процессе ее проектирования.

Поэтому особенностью проектирования любой измерительно-

вычислительной аппаратуры при использовании ее в летательных аппаратах

является: с одной стороны обеспечение ее работоспособности в жестких экс-

плуатационных условиях, а с другой – обеспечение ее безотказной работы в

течение всего времени выполнения задания.

При высокой сложности измерительно-вычислительных комплексов

(ИВК), используемых в летательной аппаратуре, применение удовлетвори-

тельных конструкторских решений с точки зрения качества и надежности в

данных обстоятельствах не представляется возможным и необходимо искать

решения, близкие к оптимальным. Установить последние опытным путем

практически невозможно, поэтому они могут быть получены лишь на осно-

вании теоретического анализа. Поэтому возникает необходимость развития

теоретических подходов при решении конструкторских и технологических

задач, приводящих к математической формализации изучаемых явлений, то

есть создания теоретических основ конструирования ИВК с точки зрения ка-

чества и надежности. Эти основы необходимо знать при создании не только

сложных и сверхсложных систем, но и приборов со средней степенью инте-

грации.

В связи с тем, что оценить основные характеристики создаваемой ИВК,

пользуясь теоретическими подходами, можно уже на стадии ее проектирова-

ния (при использовании методов автоматизированного проектирования), то

это позволяет резко сократить как время ее разработки, так и стоимость за

счет исключения ряда дорогостоящих экспериментов. Кроме того, такой под-

ход позволяет получить близкие к оптимальным конструкторские и техноло-

гические решения, соответствующие заданным критериям качества и надеж-

ности.

Из этого следует, что теоретические подходы при создании ИВК различ-

ной степени сложности и использующие различные принципы преобразова-

ния приобретают на современном этапе развития все большее значение, ибо

позволяют быстрее и с лучшим качеством создавать современную аппаратуру

общего и специального назначения. Поэтому при изучении студентами во-

просов проектирования ИВК возникает круг задач, знание которых является

просто необходимым. К ним можно отнести:

- изучение основных показателей надежности неремонтируемых

ИВК;

- изучение подходов к назначению и уточнению норм надежности

неремонтируемых ИВК;

- изучение вопросов расчета надежности неремонтируемых ИВК и

резервирования с целью повышения их надежности;

- проведение анализа точности при конструировании и разработке

технологии изготовления ИВК;

- проектирование элементов ИВК с учетом механических воздей-

ствий (вибрации и ударов) в процессе эксплуатации;

- проектирование систем защиты элементов ИВК от механических

воздействий в процессе эксплуатации;

- проектирование блоков ИВК в заданных температурных услови-

ях эксплуатации и д.р.

Поэтому приобретение навыка по решению перечисленного круга во-

просов при разработке ИВК становится в ряд наиболее существенных задач

по обучению студентов данной специальности.

Хотя предлагаемый объем индивидуальных заданий не охватывает пол-

ностью круг вопросов, решение которых необходимо при разработке измери-

тельно-вычислительной аппаратуры для летательных аппаратов, однако при

этом студенты приобретают практические навыки по разработке некоторых

из них и знакомятся с методологией и способами решения задач, связанных с

их реализацией.

1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

НЕРЕМОНТИРУЕМЫХ СИСТЕМ

Неремонтируемые системы работают до первого отказа, после чего за-

меняются новыми. Эти системы могут быть самыми разнообразными: от про-

стейших полупроводниковых приборов, до сложных ИВК, объединяющих в

своем составе тысячи и более элементов. Будучи установленные на летатель-

ных аппаратах они не ремонтируются в течение всего периода эксплуатации.

Все количественные показатели надежности неремонтируемых систем

являются общими и выражаются одними и теми же математическими зависи-

мостями, но их конкретные числовые значения зависят от режима работы

этих систем. Поэтому при определении показателей надежности систем все-

гда следует иметь в виду режимы их использования (терминология в соответ-

ствии с ГОСТ 13377-75).

В связи с изложенным, различают два понятия надежности систем:

- показатели сохраняемости;

- показатели долговечности.

Оба эти понятия описываются одними количественными показателями

надежности неремонтируемых систем, которыми являются:

- функция плотности распределения отказов во времени f(t);

- вероятность безотказной работы P(t);

- интенсивность отказов

(t);

- среднее время безотказной работы (средняя наработка на отказ) – Т

ср

Все эти показатели теоретически связаны между собой, а так как все по-

казатели надежности основаны на теории случайных процессов, то в качестве

теоретических распределений наработки до отказа могут быть использованы

любые, применяемые в теории вероятностей, непрерывные распределения.

Законов распределения вероятностей известно очень много (более 50) и в

принципе можно взять любую непрерывную кривую и использовать ее в ка-

честве кривой распределения случайной величины. Для случайных непре-

рывных величин наибольшее распространение получили следующие законы

распределения:

- показательное распределение (экспоненциальное);

- нормальное (усеченное) распределение;

- распределение Вейбула;

- гамма распределение;

- распределение Релея и др.

1.1. Теоретические распределения наработки до отказа.

Все законы распределения обладают своими достоинствами и недостат-

ками и их применение, как правило, определяется как физическими свойст-

вами применяемых в системах изделий, так и особенностями их эксплуата-

ции. Рассмотрим, как будут выглядеть основные показатели надежности для

некоторых из перечисленных законов распределения.

Показательное (экспоненциальное) распределение.

Плотность распределения случайной величины называется экспоненци-

альной, если

f(x) =

⋅

⋅⋅

⋅exp(-

λ⋅

x) ,

где

−

−−

− интенсивность случайного события

= const;

Тогда, если принять х = t – время наработки до первого отказа,

(t)

= const – интенсивность отказов системы в единицу времени, то плотность

распределения наработки до отказа можно записать в виде:

f(t) =

λ⋅

exp(-

λ⋅

t) . (1.1)

Функция распределения случайной величины для экспоненциального за-

кона имеет вид:

( )

∫ ∫

⋅−⋅−⋅−

−=−=⋅==

x x

xxxx

eedxedxxfxF

0 0

1|)(

λλλ

Принимая F(x) = Q(t) – вероятность отказа системы за время t , можно

записать вероятность безотказной работы системы в виде:

∫

⋅−=⋅−+−=⋅=−=

⋅−

ttetQtP

)exp()exp(11)(1)(

λλλ

. (1.2)

Если рассматривать достаточно малый диапазон времени t, на котором

< 0,1 , то

Q(t) = 1 – exp(-

λ⋅

≈

; P(t) = exp(-

λ⋅

t) ≈ 1 -

λ⋅

t .

Средняя наработка на отказ будет равна:

∫ ∫

∞ ∞

∞⋅−⋅−

=⋅−===

0 0

)(

λλ

ср

edtedttPТ

. (1.3)

Дисперсия наработки до отказа будет равна:

∫

∞

=⋅−=

)()(

dttfTt

срt

. (1.4)

Показательное распределение используется чаще других при исследова-

нии надежности изделий. Это объясняется целым рядом причин:

1. Показательное распределение наработки до отказа типично для

сложных объектов, с различными распределениями наработки до отказа.

Кроме того, для некоторых изделий можно устранить повышенную интен-

сивность отказов в начальный период применением технологической трени-

ровки. Если в процессе эксплуатации этих изделий нет периода значительно-

го износа, то интенсивность отказов можно считать постоянной.

2. При

(t) = сonst получаются очень простые формулы для расчета

надежности. Это связано с тем, что вероятность безотказной работы в этом

случае не зависит от суммарной наработки в течение заданной наработки

∆

3. При ограниченных экспериментальных данных трудно обнаружить

значительные отклонения от гипотезы

(t) = сonst, даже если и имеется не-

стационарность

(t). Таким образом, если экспериментальных данных недос-

таточно, чтобы выявить истинный характер нестационарности

(t), то в каче-

стве первого приближения принимают гипотезу

(t) = сonst.

Аналитические выражения основных показателей надежности при дру-

гих законах распределения наработки до отказа имеют более сложные зави-

симости и приведены во многих источниках [2, 5, 6], поэтому приводить эти

зависимости в данной работе, и тем более давать их вывод не целесообразно.

Однако необходимо знать условия их применения, когда экспоненциальный

закон распределения наработки до отказа не может быть применен в силу не-

стационарности

(t). В первом приближении выбор распределения наработки

до отказа может быть представлен следующим образом.

Экспоненциальный закон распределения используется:

- в сложных изделиях, отказы которых обуславливаются большим

числом комплектующих;

- при определении времени наработки на отказ неремонтируемых

изделий;

- для описания времени наработки между отказами в ремонтируемых

изделиях.

Нормальное (усеченное) распределение используется при оценке на-

дежности элементов за счет износа, но только при малых разбросах значений

отказов отдельных элементов.

Гамма распределение является распределением суммы r независимых

величин, каждая из которых имеет интенсивность отказа

= 1/Т

ср

. При r = 1

оно преобразуется в показательное распределение, а при больших значениях

r – в нормальное распределение с параметрами Т

ср

= r

⋅

срi

Распределение Вейбула используется для описания шарикоподшипни-

ков и некоторых электронных ламп, а также при оценке надежности изделий

в период их приработки, старения и износа.

При работе изделия в двух разных режимах эксплуатации, чередование

которых неизвестно, для получения теоретического распределения близкого к

экспериментальному иногда применяют прием суперпозиции распределе-

ний. В этом случае плотность распределения наработки до отказа принимают

равной сумме плотностей распределений вида [6]:

f(t) = c

⋅

(t) + c

⋅

(t) ,

где f

(t) и f

(t) – теоретические плотности распределения соответствующие

режимам эксплуатации;

и с

– коэффициенты веса, учитывающие влияния различных

слагаемых (с

+ с

= 1).

При суперпозиции двух показательных функций плотность распределе-

ния наработки до отказа:

ecectf

⋅

−

⋅

−

⋅⋅+⋅⋅=

)(

λλ

. (1.5)

Вероятность безотказной работы:

ecectР

⋅

−

⋅

−

⋅+⋅=

)(

. (1.6)

Интенсивность отказов:

ecec

⋅−⋅−

⋅

−

⋅

−

⋅+⋅

⋅⋅+⋅⋅

2211

)(

λλ

. (1.7)

Средняя наработка до отказа:

λλ

сс

ср

. (1.8)