3. Математические модели конструкций эва. Ранги (уровни) иерархии (вхождения и подчинения)

Структурная модель. Конструкция изделия электронной вычислительной аппаратуры (ЭВА) обладает комплексным построением и многоуровневой иерархией, т. е. структурой, отражающей функциональное членение и вхождение элементов в следующий более высокий уровень иерархии. Схема конструктивной иерархии показана на рис. 2.1. Схема обычно делится на уровни или ранги. Будем использовать понятие уровня иерархии от нулевого до шестого уровня.

Нулевой уровеньвключает: микросхемы (МС), микросборки, электрорадиоэлементы и др. элементы для которых характерна конструктивная и техническая неделимость. Современные схемотехнические компоненты разрабатываются в виде элементов единых размерно-параметрических рядов в отношении номиналов, допусков, мощностей рассеяния и геометрических размеров корпусов микросхем и радиоэлементов, что обеспечивает высокий уровень их унификации и стандартизации. Иногда элементы этого уровня называют модулями.

Первый уровень.Типовые конструкции этого уровня иерархии- ячейки (Я) конструктивно объединяют на одной или нескольких печатных платах компоненты согласно схеме Э3. На плате может быть от десятков до сотен микросхем.

Второй уровень.Сюда относится кассета (К), в которой на рамочной несущей конструкции объединяют две (или более) ячейки, представляющие собой субблоки. Кассету, как правило, используют для обеспечения функциональной законченности реализованной в ней схемы.

Третий уровень.Типовую конструкцию этого уровня (блок, панель, шасси), обозначения соответственно Б, П, Ш), выполняют в виде сварного, литого или сборного каркаса, в котором осуществляетcя механическое крепление и электрическое соединение ячеек или кассет. К данному уровню относят каркасы по ГОСТ 26.204 83.

Четвертый и пятый уровни. Сборочные единицы этих уровней иерархии – рама (Р) и стойка (С) – представляют собой сварной или сборный каркас из профилей и листового материала для конструктивного объединения панелей, блоков или непосредственно типовых конструкций первого уровня (субблоков, ячеек).

Шестой уровеньпредставляет собой комплекс (например, многоблочная ЭВМ) или изделие, которое комплектуется разрабатываемой аппаратурой.

По другой терминологии структурное деление изделия радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) задается иерархией на основе рангов.Тогда нулевой ранг – микросхемы, электрорадиокомпоненты и микросборки. Первый ранг – ячейки, платы, модули, ТЭЗ-ы. Второй ранг включает в себя конструктивные единицы, предназначенные для механического и электрического объединения элементов первого ранга (панель, субблок, блок). Третий ранг может быть реализован в виде отсека изделия, в который устанавливается аппаратура (встроенная конструкция) или стойки (шкафы), внутренний объем которых заполняется конструктивными единицами второго ранга. На рис. 2.2 приведена схема конструкции ЭВМ какn-уровневой древовидной системы, выполняемая на основе структурных типовых единиц.

Большое количество разнообразных требований, предъявляемых к конструкции, приводит к необходимости исследования нескольких вариантов ее исполнения. Иерархический принцип построения конструкции позволяет вести проектирование типовых конструкций по каждому уровню иерархии независимо, оптимизируя типовые конструкции текущего ранга по своим частным критериям качества на том основании, что при переходе к более высокому уровню влияние отклонений, допущенных на предыдущих уровнях от оптимального решения, резко снижается. Параметры типовых конструкций текущего уровня зависят от результатов, полученных на предыдущих уровнях. Отсюда задачу конструирования ЭВМ в целом необходимо решать с учетом взаимных связей всех типовых конструкций различных уровней.

Задача определения схемного содержания типовой конструкции (задача покрытия) и оформление ее в виде сборочной единицы в значительной степени самостоятельны, но между ними существует определенная связь. Например, полученный при схемной компоновке оптимальный состав модуля может оказаться технически нереализуемым из-за невозможности выполнения трассировки на заданном геометрическом поле, по которому определялись характеристики варианта при компоновке. Изменение геометрического поля потребует возврата к задаче схемной компоновки для оценки оптимального варианта. Следовательно, поиск оптимального варианта типовой конструкции текущего уровня – это итерационный процесс.

Геометрические модели. Геометрическое конструирование выполняется на основе геометрических моделей и включает формообразование и размерообразование деталей, узлов и изделия в целом. Структура и описание геометрической модели (рис. 2.3).

Полезно сделать следующее обобщение: в соответствии с размерностью реального пространства ввести понятия одномерного (1D), двумерного (2D), двух с половиной мерного (2,5D) и трехмерного (3D) конструирования. Кроме того, согласно этому принципу можно выбирать компоновочную схему. Подкомпоновочной схемой понимают взаимное упорядоченное расположение элементов в одном, двух или трех главных направлениях (рис. 2.4).

Одномерное конструирование применяется при разработке изделий, построение которых выполняется вдоль оси (линии, трассы, направления). К этому классу изделий относятся: радиоэлектронные линейки, гребенки, коаксиальные фильтры и т. п.

При двумерном конструировании создаются плоские конструктивы: выполнение размещения элементов на плате, укладки на плоскости, конструирование панелей и деталей из листа, трассировка печатных проводников и др.

Конструирование 2,5 D– это конструирование деталей типа тел вращения и осесимметричных конструкций.

Методом трехмерного конструирования формируются пространственные объекты, в которых размещение и ориентация деталей и узлов производится в объеме. К этим объектам относятся: шкафы, стойки, отсеки изделий, блоки и пространственные механизмы.

Систематизация изделий по видам конструирования в соответствии с размерностью пространства позволяет более четко строить методологию выполнения работы по конструированию соответствующих видов изделий и разрабатывать инвариантные алгоритмы и программы для САПР. Примеры конструирования деталей на основе размерности пространства даны на рис. 2.5.

Разработка геометрической модели (ГМ). Исходный аспект создания модели – структурное геометрическое конструирование: в основу построения ГМ положен принцип создания базовых наборов геометрических элементов (плоских и объемных), их выбор, исходя из требований конструкции, преобразование и размещение по трехмерному графу описания связей и отношений выбранных геометрических элементов.

В общем виде, ГМ должна иметь следующие составляющие:

• библиотечные базовые наборы геометрических элементов (графические примитивы и базовые образы);

• мировую систему координат (МСК) и координатную систему изделия, иначе прикладную систему координат (ПСК);

• трехмерный граф структуры изделия, дающий размерную и позиционную взаимосвязь элементов модели;

• твердотельные элементы, несущие информацию о форме объемов и их стыковке;

• плоские фигуры, задающие контуры и поперечные сечения, а также их размеры.

В состав модели может быть включена, если задана, конструктивная обстановка, привязанная к системе координат. Структурная схема модели дана на рис. 2.6.

Дадим краткую характеристику составляющим модели. Базовые наборы включают в себя примитивы и типовые геометрические элементы, задаваемые списками или таблицами в любой современной графической системе. Кроме того, базовые наборы могут быть дополнены оригинальными элементами (конструктивными базовыми образами) для разработки изделия в заданной отрасли конструирования.

В графических пакетах САПР введены ортогональные МСК и ПСК, которые задаются в соответствии с установленными правилами пакета. Для осесимметричных и сферических построений изделия могут быть введены полярная и сферическая координатные системы (рис. 2.7).

Трехмерный граф может задаваться векторной структурой (рис. 2.8), где вершины графа приязочные, базовые и другие отмеченные точки конструктивных и геометрических элементов. Дуги графа – координатные и линейные размеры. В такую модель могут быть введены криволинейные элементы, соответствующие обозначению дуг (радиусных кривых), окружностей и кривых линий. Следовательно, векторная структура, как полная модель конструкции, задается линейными векторами (геометрия Минковского), криволинейными элементами (геометрические дуги) и петлями (окружности).

Используя геометрическую модель приведенного вида, можно решать структурные задачи на концептуальном этапе разработки конструктивной схемы, компоновки, формообразования и размерообразования деталей.

Базовый образ (БО) представляют собой двумерную фигуру – контур (абрис) объемных тел. В качестве БО могут быть взяты символы, геометрические фигуры и конструктивные элементы, которые принимаются за исходные объекты при формировании геометрической модели. Набор БО может быть составлен по каждой конкретной области конструирования.

Твердотельная модель конструкции.Для имитации физических свойств материальной основы конструкции используются твердотельные модели проектируемого изделия. Эти модели могут содержать всю необходимую информацию, отвечающую требованиям проектирования, так как обладают полным описанием материальных свойств объекта, в которое геометрия вошла как составляющая. Вследствие этого в любой момент можно получить информацию о физико-геометрических характеристиках, взаимопересечении твердотельных объемов, выполнить слияние и выделение элементов деталей на основе теоретико-множественных операций. Кроме того, можно обеспечить выполнение электрических, тепловых и других требований.

Следовательно, твердотельная модель состоит из объемов, условно заполненных материальными точками, и “пустых” объемов. Например, в системе Pro/ENGINEERдля добавления необходимого конструктивного элемента достаточно выполнить одну из объектно-ориентированных конструкторских операций (фичерсов) - выбрать опцию “имя объекта” из меню и указать место его расположения на детали, в то время как в графических представлениях нужно было выполнить операцию “формирование и удаление цилиндра из блока”. При этом конструктивные элементы не являются предзаданными – они могут приобретать любые очертания, определяя собой будущую геометрию, а также содержат “знания” о своем окружении, т. е. информацию о том, как они соотносятся друг с другом.