Фгбоу впо «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
Методические указания
к выполнению лабораторных работ № 1-4
по дисциплине «Математическое моделирование при
проектировании электронных средств» для направления подготовки 211000.68 "Конструирование и технология электронных средств" (магистерская программа "Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения")
очной формы обучения
Воронеж 2013
Составитель канд. техн. наук Н.Э.Самойленко
УДК 621.372:518.5
Методические указания к лабораторным работам № 1-4 по дисциплине «Математическое моделирование при проектировании электронных средств» для направления подготовки 211000.68 "Конструирование и технология электронных средств" (магистерская программа "Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения") очной формы обучения/ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Н. Э. Самойленко. Воронеж, 2013. 14 с.
Методические указания содержат лабораторные задания, методические указания по их выполнению, а также вспомогательный теоретический материал, используемый при выполнении заданий.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Met_mat 14.doc
Ил.: 6. Библиогр.: 2 назв.
Рецензент докт. техн. наук, проф. О. Ю. Макаров
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. В. Муратов
Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Целью данного цикла лабораторных работ является приобретение практических навыков и умений выполнения задач по экспериментально-статистическому исследованию, аналитическому и имитационному моделированию конструкций РЭС, а также освоение методологии многовариантного автоматизированного проектирования конструкций РЭС, способов верификации и коррекции проектных решений с применением программного обеспечения современных САПР.
Лабораторный цикл (лабораторные работы №1 - 4) в объеме 16 часов включает 4 четырехчасовых занятия.
Первое занятие посвящено изучению назначения, области применения, основных этапов, особенностей применения, преимуществ и недостатков численных методов анализа полей в конструкциях РЭС. Цель исследования – на основе сформированной 3D модели конструкции сформулировать математическую постановку задачи анализа полей по теме магистерской диссертации,, произвести расчёт в соответствии с методом конечных элементов средствами САПР.
На втором лабораторном занятии исследуется методика построения математических моделей методом пассивного эксперимента. Цель исследования – изучить преимущества и недостатки методов планирования пассивного эксперимента, провести обработку экспериментальных данных по данному методу на основе применения математических пакетов и программного комплекса лабораторного практикума.
В третьей лабораторной работе проводится изучение методов имитационного моделирования. Цель работы – изучить особенности применения методов имитационного моделирования на основе теории систем массового обслуживания.
Четвертая работа посвящена практическому освоению методов анализа надёжности конструкции РЭС. Цель работы – освоить методику окончательного расчёта надежности, провести анализ надёжности конструкции с применением программного комплекса лабораторного практикума.
Лабораторная работа №1
Метод конечных элементов в задачах анализа полей
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целями работы являются:
освоение методов построения задач анализа полей в конструкциях РЭС в виде дифференциальной краевой задачи (ДКЗ);
ознакомление с особенностями применения численных методов анаиза полей в конструкциях РЭС.
2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Сформулировать постановку полевой задачи по теме магистерской диссертации, обосновать основные этапы метода конечных элементов (тип конечных элементов, построение базисных функций, общий вид аналитического решения ДКЗ), произвести расчёт в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) средствами САПР, оценить погрешность метода.
Указания по выполнению
Детальное описание основных методов анализа полей в конструкциях РЭС и основных этапов метода конечных элементов приведено в [2]: типы конечных элементов, методика построения базисных функций, объединение конечных элементов в ансамбль, разложение решения ДКЗ по базисным функциям, алгоритм нахождения коэффициентов.
Математическую постановку задачи анализа полей студент формирует в ходе консультаций с научным руководителем. Для проведения расчётов могут быть использованы математические пакеты, средства САПР, а также оригинальные программные продукты. Защита лабораторной работы проводится в форме научной дискуссии.
Лабораторная работа № 2
Планирование пассивного эксперимента
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является ознакомление с методикой планирования пассивного эксперимента, освоение принципов адекватного выбора условий проведения эксперимента с учетом корреляционных зависимостей параметров проектирования объекта, а также овладение навыками синтеза экспериментально-статистических моделей в условиях, когда невозможно проведение активного эксперимента..
2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Математическую постановку задач планирования эксперимента студент формирует в ходе консультаций с научным руководителем. Если в рамках магистерской диссертации исследование такого рода не планируется, то исходные данные для расчёта выдаются преподавателем согласно варианта.
Для проведения расчётов могут быть использованы математические пакеты, средства САПР, а также оригинальные программные продукты. Защита лабораторной работы проводится в форме научной дискуссии.
Указания по выполнению
Лабораторное задание выполняется в режиме консультаций с преподавателем и руководителем магистерской диссертации (или руководителем дипломного проекта бакалавра /специалиста). Студент должен выполнить все основные этапы планирования пассивного эксперимента: определить условия проведения эксперимента, провести расчёт коэффициентов регрессионной модели и оценить её адексватность объекту проектирования.
Детальное описание основных методов планирования эксперимента и основных этапов метода пассивного эксперимента приведено в [2]: определение условий проведения эксперимента: интервала съёма данных, общего времени наблюдения и числа экспериментов на основе оценки времени корреляции и времени эквивалентного запаздывания.
Лабораторная работа № 3
Имитационное моделирование методом систем
массового обслуживания
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы состоит в освоении методов имитационного моделирования с применением событийного метода моделирования систем массового обслуживания (СМО), а также особенностей его применения.
2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Математическую постановку задач имитационного моделирования студент формирует в ходе консультаций с научным руководителем. Если в рамках магистерской диссертации исследование такого рода не планируется, то исходные данные для расчёта выдаются преподавателем согласно варианта.
Для проведения расчётов могут быть использованы математические пакеты, средства САПР, а также оригинальные программные продукты. Защита лабораторной работы проводится в форме научной дискуссии.
Указания по выполнению
После того как сформирована задач имитационного моделирования , её необходимо представить в виде СМО, то есть определить типы потоков заявок на обслуживание, выбрать адекватные значения интенсивностей потоков заявок и интенсивностей обслуживания, задать время моделирование и оценить эффективность СМО по выбранным показателям.
Детальное описание основных методов поисковой оптимизации для решения многокритериальной задачи приведено в [2].
Лабораторная работа №4
Анализ надёжности конструкции РЭС
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы состоит в практическом освоении методов анализа надёжности конструкций РЭС.
2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Провести окончательный анализ надёжности конструкций РЭС на базе применения программного комплекса лабораторного практикума.
Указания по выполнению
Для проведения расчётов могут быть использованы математические пакеты, средства САПР, а также оригинальные программные продукты. Детальное описание методики анализа и моделей надёжности приведены в обучающем модуле программного комплекса лабораторного практикума. В случае, если требования технического задания не выполнены, необходимо произвести многовариантный анализ надёжности конструкции РЭС, при этом в архиве проектов сохраненяются все предыдущие варианты расчёта.
Основной целью программного комплекса является обеспечение автоматизированной поддержки в учебных работах в разделах, касающихся расчетам надежности РЭС. Данный ПК обладает в этом плане большим преимуществом перед остальными аналогами, т.к. полностью открывает механизм расчетов. Программа обладает следующим функционалом. Добавление элементной базы в расчетный список может осуществляться двумя способами: используя заложенную базу элементов, или вручную при отсутствии нужного элемента в базе. В последнем случае элемент можно добавить в базу данных для последующего применения. Расчет интенсивности отказов проводится для каждого элемента, что дает возможность вносить коррективы в устройство РЭС с целью повышения его надежности. На выходе программы получается отчет, включающий в себя: перечень элементов, для каждого из которых рассчитана интенсивность случайных отказов, общая интенсивность отказов РЭС, среднее время наработки на отказ, а также, вероятность безотказной работы. Также в отчете присутствует модель расчета каждого из элементов, с раскрытием значений каждого из коэффициентов.
Все расчетные модели, присутствующие в ПК соответствуют государственным стандартам, таким как ГОСТ27.301-95 «Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения», ГОСТ РВ 20.39.304-98 «Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам». Учитывая все вышесказанное данная программа может применяться и в радиопромышленности.
Для открытия программы необходимо запустить файл «Reliability.exe». Появится главное окно программы показанное на рис. 1.
Рис. 1 – Главное окно программы
Далее необходимо внести элементы в список для расчета. Это можно сделать как используя БД, нажав на кнопку «Добавить из БД» (рис. 2), так и вручную (рис. 3).
Кнопкой «Добавить в БД» элемент, заполненный в левом списке добавляется в базу. В окне базы элементов необходимо выбрать группу элементов, и найти нужный в списке. Присутствует поиск.
В разделе добавление элементов вручную необходимо выбрать нужную группу элементов и заполнить поля в соответствии с заданными условиями. В случае если элемент добавляется из БД, необходимо выделить его в списке «Перечень элементов» и, используя ту же форму что и для добавления элемента вручную, заполнить поля, характеризующие условия работы элемента (рис. 4).
Рис. 2 – Окно базы элементов
После (или во время) добавления всех элементов необходимо указать параметры условий работы, влияющие на коэффициенты: группа аппаратуры (приема), температура окружающей среды, а также время работы аппаратуры для расчета вероятности безотказной работы (рис. 5).
В списке справа кратко отображаются общие результаты расчетов. Для подробного описания необходимо нажать на кнопку «Отчет» (рис. 6). Нажатие на кнопку «Ок» происходит сохранение отчета в текстовом формате
Рис. 3 – Добавление элемента вручную
Рис. 4 – Заполнение полей условия работы
Рис. 5 – Параметры работы и результаты
Рисунок 6 - Отчет
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Советов Б.Я. Моделирование систем/ Б. Я. Советов.- М.: Высшая школа, 2007.
2. Самойленко Н.Э. Математические модели и методы автоматизированного проектирования/ Н. Э. Самойленко.- Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2012.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Общие указания 1
Лабораторная работа №1. Метод конечных элементов
в задачах анализа полей 2
1. Цель работы 2
2. Лабораторное задание и методические указания
по его выполнению 2
Лабораторная работа №2. Планирование пассивного
эксперимента 3
1. Цель работы 3
2. Лабораторное задание и методические указания 3
по его выполнению Лабораторная работа №3. Имитационное
моделирование методом систем массового
обслуживания 4
1. Цель работы 4
2. Лабораторное задание и методические указания
по его выполнению 4
Лабораторная работа №4. Анализ надёжности
конструкции РЭС 5
1. Цель работы 5
2. Лабораторное задание и методические указания
по его выполнению 5 Библиографический список 11