Контрольная по фопрэс

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Институт информационных технологий

Специальность МИКПРЭС

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По курсу ФОПРЭС

Вариант № 22

Студент-заочник 3  курса

Группы № 980221

ФИО Турченик

Виктор Васильевич

Адрес г.Волковыск

ул. Петрашевцы 18

Тел. 8 029 5816402

Минск, 2012

Содержание

1. Методы расчета конструкций с использованием ЭВМ (метод конечных элементов).

2. Характеристики интегральных микросхем И2Л-типа при их  облучении

                  3. Экранирование проводов. Кабели.

     4. Задачи.

5. Литература

1.      Методы расчета конструкций с использованием ЭВМ (метод конечных элементов).

Немного истории.

Развитие метода конечных элементов обусловлено взаимосвязью трех факторов: наличием высокопроизводительной вычислительной техники; разработкой математических моделей исследуемых явлений, адекватных реальным процессам с достаточной степенью точности; особенностями самого метода.

Первые программные комплексы, в которых реализован метод конечных элементов, были разработаны в 60-х годах. К ним относятся STRUDL-II, SAP-IV, NONSAP, ASKA, NASTRAN, SESAM-69 и другие. Появлению этих универсальных программных систем в силу особенностей метода конечных элементов предшествовало создание высокопроизводительных электронно-вычислительных машин, таких, например, как IBM-370. Начиная с конца 70-х годов в СССР появилось несколько десятков программных комплексов для разных ЭВМ, в которых был реализован МКЭ. К их числу относятся МИРАЖ , МОРЕ, КАСКАД-2, ПРОЧНОСТЬ-75, МКЭ/20 , МАРС, ПАРСЕК, ЛИРА , СПРИНТ, FEA  и ряд других программ .

В США и ряде других стран дальнейшее развитие МКЭ и необходимость в проведении расчетов конструкций на прочность также способствовали дальнейшему развитию уже созданных программных комплексов и разработке новых. Были разработаны сотни программных комплексов, предназначенных для приближенного решения самых разнообразных задач не только из области механики деформируемого твердого тела, но и из таких областей как гидродинамика, акустика, электротехника и т.д. Наибольшее распространение из них получили: ABAQUS, ADINA, ASKA/DYNAN, ANSYS, MARC, MSC/NASTRAN, EUFEMI, COSMOS, HERCULE, MODULEF, SAP-7, LS-DYNA.

Отметим, что разработка программных комплексов является дорогостоящим делом. Поэтому, как правило, организации и фирмы – собственники разработанных программ, рассматривают их как коммерческий научно-технический продукт. Регулярно печатаемые обзоры существующих комплексов программ и их характеристик, сведения о программах в отраслевых фондах алгоритмов и программ позволяют пользователям программной продукции целенаправленно выбирать необходимые для их деятельности программы расчета.

Основные понятия и определения. Общая схема метода.

Метод конечных элементов (МКЭ) - основной метод современной строительной механики, лежащий в основе подавляющего большинства современных программных комплексов, предназначенных для выполнения  расчетов строительных конструкций на ЭВМ. МКЭ также используется для решения других разнообразных задач как в области прочностных расчетов, так и во многих других сферах, например задачах гидродинамики, электромагнетизма, теплопроводности и многих других.

Метод конечных элементов позволяет практически полностью автоматизировать расчет стержневых систем, хотя, как правило, требует выполнения значительно большего числа вычислительных операций по сравнению с классическими методами строительной механики. Однако, в современных условиях большой объем вычислений не является серьезной проблемой, и, в связи с этим, при внедрении ЭВМ в инженерную практику МКЭ получил широчайшее распространение[1]. Поэтому, знание основ метода конечных элементов и современных программных средств, позволяющих на его основе решать разнообразные задачи, в наше время для инженера является абсолютно необходимым.

Рис. 1

В МКЭ стержневая система мысленно разбивается на отдельные части - конечные элементы, соединяющиеся между собой в узлах (рис.1). Узлы могут быть жесткими и шарнирными. Совокупность соединенных между собой и прикрепленных к основанию конечных элементов образует расчетную схему метода, называемую конечно-элементной схемой или конечно-элементной моделью или просто системой элементов. Элементы и узлы конечно-элементной схемы нумеруются.

Внешняя нагрузка считается приложенной только в узлах конечно-элементной схемы. В общем случае переход от заданной нагрузки к узловой осуществляется следующим образом. На основании принципа суперпозиций рассматриваемое состояние стержневой системы может быть представлено как сумма двух состояний (рис.2). В первом состоянии (задача1) вводятся связи, препятствующие всем возможным смещениям узлов системы, аналогично тому, как образуется основная система в методе перемещений. При этом, однако, продольными деформациями стержней не пренебрегают. От действия заданных нагрузок во введенных связях возникают реакции. Во втором состоянии (задача 2) узлы конечно-элементной схемы не закреплены от смещений, но к ним прикладываются усилия равные по модулю реакциям в связях, определенным в первом состоянии, но противоположные им по направлению (рис.2). Расчет системы в первом состоянии не представляет труда. В частности, если конечно-элементная схема создается таким образом, чтобы элементы представляли собой отдельные стержни (элементы 1, 2 и 3 на рис.2), то для каждого из таких элементов имеется табличное решение (таблица 11.1), позволяющее определить реакции в связях и построить эпюры внутренних усилий по их длине. Для расчета же системы во втором состоянии, т.е. для решения задачи 2, и применяется метод конечных элементов. Окончательное решение задачи будет представлять собой сумму решений этих двух задач.

Рис. 2

Рис. 3

В задаче 2 усилия, действующие на любой элемент приложены исключительно в узлах. В этом случае перемещения узлов любого элемента, взятого в отдельности (рис.3), однозначно определяют усилия и перемещения в любой точке этого элемента. Как известно, для стержневых систем решение такой задачи может быть найдено точно.

Каждый, взятый отдельно от системы, конечный элемент должен быть достаточно простым, чтобы имелась возможность легко определить перемещения и усилия в любом сечении стержней элемента по заданным перемещениям его узлов. Связь между перемещениями узлов элемента и усилиями в них задается при помощи матрицы жесткости элемента. Количество перемещений узлов элемента, которые однозначно определяют состояние данного элемента называют числом степеней свободы элемента. Оно определяется по формуле:

где -число шарнирных узлов в элементе, а - число жестких узлов в элементе. Действительно, если узел представляет собой шарнир, то его положение на плоскости можно охарактеризовать двумя линейными перемещениями, например в вертикальном и горизонтальном направлениях. В случае жесткого узла необходимо еще дополнительно к линейным смещениям задать его поворот.

Рис. 4

На рис.4 первый элемент имеет характеризуется четырьмя степенями свободы, т.к. он содержит два шарнирных узла. При отсутствии нагрузки, кроме приложенной в самих узлах, положение на плоскости любой точки этого элемента определяется четырьмя параметрами - двумя вертикальными и двумя горизонтальными перемещениями узлов элемента. У второго элемента на рис.4 - пять степеней свободы - к четырем линейным смещениям добавляется поворот в одном из узлов. У третьего элемента - шесть степеней свободы, которым соответствуют четыре линейных и два угловых перемещения.

Аналогично, для всей конечно-элементной схемы вводятся матрица жесткости системы или глобальная матрица жесткости, устанавливающая связь между перемещениями узлов системы и усилиями в них, а также число степеней свободы системы или глобальное число степеней свободы - количество перемещений узлов системы, которые достаточно знать, чтобы однозначно определить состояние всей системы. Оно также определяется по формуле (1), в которой -число шарнирных узлов, а - число жестких узлов во всей конечно-элементной схеме.

Рис. 5

Например, при расчете методом конечных элементов висячей системы, приведенной на рис.х.10, может использоваться конечно-элементная схема, изображенная на рис.5. Она содержит в себе 28 шарнирных узлов, следовательно характеризуется 56 степенями свободы.

Рис. 6

В конечно-элементной схеме балки (рис.6) используется один жесткий и три шарнирных узла. Следовательно, в соответствии с (1) эта схема характеризуется 32+13=9 степенями свободы.

Для всех элементов, из которых состоит конечно-элементная схема, должны быть построены матрицы жесткости элементов. В программных комплексах, реализующих алгоритм метода конечных элементов, хранятся готовые матрицы жесткости для элементов различных типов.

На практике, при расчете плоских стержневых систем используют готовые матрицы жесткости для элементов только трех типов: простых стержней с двумя жесткими узлами, двумя шарнирными узлами, одним жестким и одним шарнирным узлом (рис.4). В этом случае при разбивке стержневой системы на элементы узлы вводятся в местах соединения и изломов стержней, в опорах, шарнирах и на свободных концах консольных стержней. В принципе узел может быть введен и в любых других точках, например, в точках приложения сосредоточенных сил.

Итак, расчет стержневой системы методом конечных элементов в форме метода перемещений состоит из следующих этапов:

Создание конечно-элементной схемы (разбивка системы на элементы и их нумерация).

Сведение заданной внешней нагрузки к узловой.

Формирование матриц жесткости всех элементов системы в локальных системах координат и их преобразование в глобальную систему координат.

Формирование глобальной матрицы жесткости, системы уравнений метода конечных элементов и ее решение.

Определение усилий в элементах от действия узловой нагрузки.

Определение окончательных значений усилий в элементах путем сложения решений задач 1 и 2.

2.      Характеристики интегральных микросхем И2Л-типа при их  облучении

Поиск новых путей создания биполярных БИС привел в 1971 г. к созданию нового направления в схемотехнике и технологии биполярных ИМС – интегральной инжекционной логики (И2Л). схемы И2Л-типа характеризуются высокой степенью интеграции, высокими электрическими параметрами, способностью нормально функционировать при изменении потребляемой мощности в пределах до нескольких порядков.

Рис. 7. Схема базового логического элемента серии ИМС И2Л-типа.

Для построения ИМС И2Л используется базовая структура (Рис. 7), представляющая собой физически совмещенные горизонтальный p-n-p-(Ти)- и вертикальный n-p-n(Т)-транзисторы. Эмиттерная область p-n-p-транзистора, называемая инжектором, подключается к положительному источнику питания. Общая область n-типа служит базой p-n-p-транзистора и эмиттером n-p-n-транзистора. Коллектор p-n-p- и база n-p-n-транзистора также представляют собой единую область полупроводника p-типа. От одного инжектора может питаться несколько схем, т.е. горизонтальный p-n-p-транзистор Ти может быть многоколлекторным. Вертикальный n-p-n-транзистор обычно имеет несколько коллекторов, которые являются логическими выходами элемента.

  Требования к усилительным свойствам этого транзистора минимальные. Обычно схема функционирует, если коэффициент передачи базового тока ΒnN >1, что выполняется даже в микрорежиме, при токах 5-10 мкА. Наличие общей n-области как для n-p-n-, так и для p-n-p-транзисторов не требует их изоляции, что существенно уменьшает геометрические размеры отдельных элементов. Однако для предотвращения перекрестных наводок между соседними транзисторами используются защитные кольца n+-типа. Для создания полупроводниковых структур БИС И2Л может быть использована обычная эпитаксиально-планарная технология. Более сложные и совершенные технологические методы создания биполярных структур (изопланарный процесс, ионное легирование) позволяют значительно уменьшить площадь транзисторов, повысить их коэффициент усиления, увеличить быстродействие. Дальнейшее совершенствование структур с инжекционным питанием идет по нескольким направлениям: применение диодов Шоттки, создание структур с низкоомным эмиттером и ограничение размеров активной (инжектирующей) части эмиттерного перехода до размеров коллектора, применение металлического коллектора.

  Воздействие проникающей радиации приводит к изменению практически всех основных параметров логических элементов И2Л-типа. При облучении проникающей радиацией наблюдается увеличение средней потребляемой мощности, растет среднее время задержки распространения сигнала, падает уровень логической единицы и растет уровень логического нуля, уменьшается коэффициент разветвления по выходу.

  Основной причиной указанных изменений параметров ИМС И2Л является деградация усилительных свойств вертикального n-p-n-транзистора и снижение эффективности инжектора как источника тока. Степень и скорость деградации параметров, как и для обычных транзисторов, зависят от рабочего тока: с его уменьшением чувствительность параметров биполярных транзисторов И2Л структуры возрастает.

3 .Экранирование проводов. Кабели.

Провод – одна неизолированная или одна и более изолированных жил, поверх которых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации могут быть неметаллическая оболочка, обмотка или оплетка из волокнистых материалов или проволоки. Провода могут быть голыми или изолированными. Голые провода не имеют никаких защитных или изолированных покрытий. Жилы изолированных проводов покрыты изоляцией из резины или пластмассы. Провода подразделяются на защищенные или незащищенные. Защищенными называют изолированные провода, которые поверх электрической изоляции имеют оболочку, предназначенную для защиты от внешних воздействий. Незащищенные провода ее не имеют.

Провода бывают медные и алюминиевые. Алюминий очень активен химически. Его если соединяют, то только с алюминием, и обычно, механическим способом (через гайки, болты). Если алюминий соединить с медью, то соединение быстро разрушается. Алюминиевый провод можно соединить с медным через клемму. Если нет ограничения по весу и по цене, лучше применять медные провода. Главный недостаток меди – на воздухе она окисляется. Место соединения может проводить ток все хуже, на этом месте появляется падение напряжения, соединение начинает греться, для предотвращения этого соединение надо облудить