3702

УДК 004.942, 519.248

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРАНИЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ

А.С. Костюков, Н.Н. Помигуев, Л.Н. Никитин

Воронежский государственный технический университет stalkerklon@mail.ru

Испытания изделий на надежность являются одним из важнейших этапов производства любой техники. Самым действенным видом испытаний на надежность и безотказность на сегодняшний день являются граничные испытания, которые обеспечивают точный результат полученных данных. В данной статье речь пойдет об одном из способов проведения граничных испытаний с помощью моделирования различных воздействий на устройство при помощи ЭВМ

Ключевые слова: граничные испытания, MathCAD, время появления отказа

В настоящее время происходит бурный рост отечественной радиоэлектронной промышленности, разрабатываются новые устройства, вводятся новые технологические процессы изготовления радиоприборов. В связи с этим многие предприятия сталкиваются с трудностями, которые связаны с надежностью и долговечностью разрабатываемой аппаратуры. Необходимо рассчитывать работоспособность изделия, наработку на отказ, определять наиболее уязвимые узлы разрабатываемого электронного средства. Все это необходимо выполнять на ранних этапах производства и в большинстве случаев предполагает наличие готового прототипа, на котором и будет проводиться исследование. Но данный способ исследования имеет серьезные недостатки, в частности дополнительные затраты на изготовление прототипа и проведение этих исследований практическим путем. Поэтому более целесообразно проводить такие испытания еще на стадии разработки устройства при помощи различных программ, которые способны моделировать внутренние и внешние параметры, воздействующие на устройство. Это позволит существенно сократить результаты и время на разработку, а также ускорит производство разрабатываемой единицы, так как все неисправности и недочеты будут обнаружены еще на стадии проектирования.

Одним из перспективных и действенных способов исследований работоспособности и надежности устройства являются граничные испытания, они позволяют получить достоверную информацию о надежности и времени отказов изделия еще на этапах проектирования, без наличия опытного образца, располагая только начальными теоретическими данными об устройстве. Также данный вид испытаний позволяет выбирать оптимальный рабочий режим устройства, они позволяют сравнивать различные схемы устройств с точки зрения их параметров, с помощью граничных испытаний можно предсказывать место и время появления постепенного отказа по выходному параметру при старении элементов, а также можно сравнить запас надежности элементов и схем разрабатываемого устройства [3].

100

В данном исследовании будут проводиться граничные испытания с помощью ЭВМ в программе MathCAD. Для того, чтобы произвести полные испытания, необходимо произвести расчет следующих параметров.

Сначала необходимо иметь снятые выходные параметры с исследуемого устройства, которые необходимо после записать в MathCAD в виде вектора.

Рис. 1. Начальные данные

Далее необходимо рассчитать коэффициент влияния относительной погрешности элементов цепи устройства, который вычисляется с помощью формулы

где ∆х – абсолютная погрешность выходного параметра, х – номинальное значение выходного параметра, ∆zi – относительная погрешность элемента схемы, zi – номинальное значение элемента схемы [1].

После этого необходимо произвести расчет коэффициента влияния относительно погрешности питающего напряжения, который рассчитывается согласно формуле

На основе полученных коэффициентов можно записать уравнения относительной погрешности выходного параметра разрабатываемого устройства, который будет иметь вид

После этого необходимо рассчитать допуск на старение, для чего используется уравнения погрешности старения выходного параметра каскада:

:

101

Х

= ∆ . (5)

Далее необходимо рассчитать математическое ожидание коэффициента старения выходного параметра электронного средства, которое вычисляется согласно формуле

где M(Ci) – математическое ожидание коэффициента старения i-го элемента [4]. Потом происходит расчет половины поля допуска коэффициента старе-

ния i-го элемента согласно формуле

(С) = ( ), (7)

где (Ci) – половина поля допуска коэффициента старения i-го элемента, – коэффициент гарантированной надежности обеспечения допусков.

Согласно полученным коэффициентам можно рассчитать предельное зна-

где ∆Кпрд – заданный по техническим условиям производственный допуск. После всех проведенных расчетов можно выяснить время появления по-

степенного отказа разрабатываемого устройства, которое находится из уравнения относительной погрешности выходного параметра, вызванной совместным действием старения и изменения напряжения питания:

Все вышеперечисленные действия были выполнены в системе MathCAD и представлены на рис. 2.

Благодаря всем рассчитанным параметрам можно оценить относительные погрешности, влияющие на работу устройства, выявить слабые элементы цепи, оценить старение элементов и выявить время отказа отдельных элементов. Благодаря этим данным можно сделать соответствующие поправки и усовершенст-

102

вования в конструкции устройства еще на этапе его проектирования. А использование MathCAD и ЭВМ существенно сокращает время производимых исследований, что в свою очередь отражается на использовании ресурсов производства и позволяет существенно их экономить.

Рис. 2. Расчет в MathCAD

103

Литература

1.Никитин Л.Н. Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов обучающихся по направлениям 211000.62 «Конструирование и технология электронных средств» и 200100.62 «Приборостроение» / Л.Н. Никитин / Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015. - 34 с.

2.Крестелев А.И. MathCAD в математической физике Ч. 1: учебное пособие / А.И. Крестелев. – Самара: государственный технический университет, 2010. – 58 с.

3.Никитин Л.Н. Испытания, контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры / Л.Н. Никитин / Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический уни-

верситет", 2009. - 252 с.

4.Абомелик Т.П. Методы и средства испытаний электронных средств. Методические указания к лабораторным работам для студентов, обучающихся по направлению 211000.62 и специальности 210201.65 / Т.П. Абомелик / Ульяновск: УлГТУ «Ульяновский государственный технический университет», 2013. – 32 с.

COMPUTER SIMULATION OF BOUNDARY TESTS

N.N. Pomiguev, A.S. Kostyukov, L.N. Nikitin

Voronezh State Technical University

Tests of products for reliability are one of the most important stages in the production of any equipment. The most effective type of tests for reliability and reliability is today the boundary tests, which provide an accurate result of the data. In this article, we will talk about one of the ways of carrying out boundary tests by modeling various effects on a device using a computer

Keywords: boundary tests, MathCAD, failure time

104

УДК 004.942, 519.248

МАТРИЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ В СИСТЕМЕ MATHCAD

А.С. Костюков, Н.Н. Помигуев, Л.Н. Никитин

Воронежский государственный технический университет stalkerklon@mail.ru

Одними из самых действенных методов испытаний различных электронных устройств являются матричные испытания, о которых идет речь в этой статье

Ключевые слова: матричные испытания, MathCAD, матрица испытаний

Внастоящее время происходит бурный рост и развитие технического прогресса, разрабатывается большое количество принципиально новых, не имеющих аналогов электронных устройств. Поэтому очень важными моментами в конструировании и разработке аппаратуры являются испытания на надежность и отладка оборудования в целях ускорения производства и уменьшения материальных затрат.

Матричные испытания являются дальнейшим развитием граничных испытаний и позволяют выполнять те исследования, которые невозможно выполнить при граничных испытаниях. А именно, если в граничных испытаниях можно определить только границы допустимых значений, при выходе значений за которые произойдет отказ радиоаппаратуры, то в матричных испытаниях можно оценить картину отказов в целом и найти все значения в пределах нужных допусков, в которых может произойти отказ РЭА.

Используя вкупе граничные и матричные методы испытаний, можно определить надежность ЭРА еще на этапе разработки и провести необходимые изменения для повышения надежности изделия.

Этот факт позволяет существенно экономить время и ресурсы на этапах проектирования, разработки и производства радиоустройства, что свидетельствует о необходимости дальнейшего развития матричных испытаний для их лучшей оптимизации и повышения доброкачественности в нахождении ситуаций, в которых возможен отказ разрабатываемого изделия.

Сущность исследуемого метода состоит в том, что определенное количество значений какого-либо контрольного параметра разбивают на одинаковые отрезки, так называемые кванты. После чего следует составление моделирующей матрицы испытаний, благодаря которой осуществляется нахождение ситуаций отказов устройства, после определения этих значений можно производить дальнейшие расчеты и исследования, например, определение вероятности работоспособности разрабатываемого устройства [3].

Вданной научно-исследовательской разработке представлена адаптация матричного метода испытаний под информационное моделирование с помощью ЭВМ. В частности, матричные исследования проводятся в программе MathCAD, где начальные значения будут вводиться в виде матрицы испытаний,

105

далее производятся необходимые расчеты, в частности, определение ситуаций отказа разрабатываемого изделия, расчет работоспособности и построение необходимых графиков.

Данная разработка позволит существенно ускорить и оптимизировать процесс проведения матричных испытаний, а также повысить точность полученных результатов. Первоначальные данные для матрицы испытаний снимаются на специализированном лабораторном стенде, где производится исследование работоспособности и нахождение значений ситуаций отказа радиоэлектронного устройства.

Как говорилось выше, сначала необходимо снять данные исследуемых параметров с лабораторного стенда, структурная схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из следующих единиц:

1.Звуковой генератор.

2.Исследуемое радиоустройство (амплитудный диодный детектор).

3.Милливольтметр.

4.Осциллограф.

Милливольтметр служит для снятия значений необходимых параметров, осциллограф необходим для визуального контроля самого сигнала. После снятия всех необходимых параметров, по ним составляется матрица исследований, для этого необходимо разбить полученные значения на соответствующие диапазоны и составить матрицу испытаний, пример такой матрицы представлен на рис. 2.

Рис. 2. Матрица испытаний

После этого выясняется количество ситуаций отказа исследуемого изделия, где ситуация отказа – это когда значение параметра выходит за предъявленный диапазон, который составляет для данного примера 0,13-0,17 В.

После нахождения ситуации отказа можно произвести расчет работоспособности устройства, которое находится как отношение числа не отказавших значений параметров к общему числу всех возможных значений:

106

где R – общее число всех возможных значений, Q – число отказавших значений

[1].

После этого рассчитывается математическое ожидание полученной матрицы с помощью встроенной функции MathCAD mean(x), которое для данного примера оказалось равным 15.167.

Далее необходимо определить коэффициент влияния относительной погрешности элементов схемы:

где ∆х – абсолютная погрешность выходного параметра, х – номинальное значение выходного параметра, ∆zi – относительная погрешность элемента схемы, zi – номинальное значение элемента схемы.

После этого можно определить относительную погрешность выходного параметра:

Теперь можно рассчитать допуск на старение, для чего используется уравнения погрешности старения выходного параметра каскада, которое имеет вид

Далее необходимо рассчитать математическое ожидание коэффициента старения выходного параметра электронного средства который выясняется согласно формуле

где M(Ci) – математическое ожидание коэффициента старения i-го элемента. Потом происходит расчет половины поля допуска коэффициента старе-

ния i-го элемента согласно формуле

107

где (Сi) – половина поля допуска коэффициента старения i-го элемента, – коэффициент гарантированной надежности обеспечения допусков и равен 1.

После этого можно рассчитать математическое ожидание самой матрицы испытаний с помощью функции MathCAD mean(x), а также произвести расчет среднеквадратичного отклонения матрицы с помощью соответствующей функ-

ции stedev(x).

После определения всех необходимых коэффициентов можно рассчитать параметры результирующего закона распределения, а именно систематическую составляющую суммарной погрешности (8) и случайную составляющую погрешность (9).

Мр = М + М(С), (8)

где М – математическое ожидание самой матрицы испытаний, М(С) – математическое ожидание коэффициента старения выходного параметра электронного средства.

108

Таким образом, данная разработка позволяет существенно сократить время расчета необходимых параметров матричных испытаний. Была составлена матрица значений, рассчитана работоспособность устройства, рассчитаны математические ожидания и среднеквадратичные отклонения, а также определены коэффициент влияния относительной погрешности элементов исследуемого устройства и относительная погрешность выходного параметра, коэффициент старения элемента, систематическая составляющая суммарной погрешности и случайная составляющая погрешность, в конце был определен коэффициент гарантированной надежности устройства. Все рассчитанные параметры используются для построения модели проектируемого радиоустройства. Что в свою очередь существенно сокращает время и материалы на проведение испытаний нового изделия, а также ускоряет разработку прототипов и запуск нового изделия в полноценное производство.

Литература

1.Никитин Л.Н. Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся по направлениям 211000.62 «Конструирование и технология электронных средств» и 200100.62 «Приборостроение» / Л.Н. Никитин / Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015. - 34 с.

2.Крестелев А.И. MathCAD в математической физике. Ч. 1: учебное пособие / А.И. Крестелев. – Самара: государственный технический университет, 2010. – 58 с.

3.Никитин Л.Н. Испытания, контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры / Л.Н. Никитин / Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический уни-

верситет", 2009. - 252 с.

4.Абомелик Т.П. Методы и средства испытаний электронных средств Методические указания к лабораторным работам для студентов, обучающихся по направлению 211000.62 и специальности 210201.65 / Т.П. Абомелик / Ульяновск: УлГТУ, 2013. – 32 с.

MATRIX TESTS IN THE MATCHAD SYSTEM

A.S. Kostyukov, N.N. Pomiguev, L.N. Nikitin

Voronezh State Technical University

One of the most effective methods of testing of different electronics is matrix testing, which will be discussed in this article

Keywords: matrix tests, MathCAD, test matrix

109