Профессиональные справочные системы
для специалистов строительной отрасли

ПНСТ 535-2021



ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Умное производство

МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВИРТУАЛИЗАЦИИ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ НА ТЕПЛОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Общие требования

Smart manufacturing. Methods of mathematical modeling and virtualization of product tests on thermal influences during designing. General requirements



ОКС 35.020

Срок действия с 2021-07-01
до 2024-07-01



Предисловие

     

1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский институт сертификации" (АО "ВНИИС") и Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" (ООО "НИИ "АСОНИКА")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 194 "Кибер-физические системы"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 февраля 2021 г. N 19-пнст

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: 121205 Москва, Инновационный центр Сколково, улица Нобеля, д.1, e-mail: info@tc194.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии: 123112 Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты" и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение


Целью стандартов комплекса "Умное производство" является применение моделирования изделий на ранних этапах проектирования, снижение затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок.

Стандарты комплекса "Умное производство" представляют собой совокупность отдельно издаваемых стандартов. Стандарты данного комплекса относятся к одной из следующих тематических групп: "Общие положения, основные понятия, термины и определения", "Технические и эксплуатационные характеристики", "Безопасность", "Виды и методы испытаний", "Конструктивные элементы". Стандарты любой тематической группы могут относиться как ко всем изделиям, так и к отдельным группам объектов стандартизации.

Настоящий стандарт относится к тематической группе "Виды и методы испытаний" и определяет требования к методам математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на тепловые воздействия при проектировании.

Применение моделирования изделий на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца позволит избежать отказов изделий или их значительно сократить на этапе испытаний опытного образца, сократив тем самым количество испытаний опытного образца, возможные итерации по доработке схем и конструкций, затраты на разработку изделий при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы, делая изделия конкурентоспособными на отечественном и международном рынке, получая на выходе электронную модель изделия на принципах CALS-технологий [1-3].

Использование только натурных испытаний изделий на тепловые воздействия без применения моделирования малоинформативно и неэффективно, так как на этапе проектирования не отслеживается большинство возможных отказов изделий; при испытаниях не проверяются критические режимы (либо технически невозможно, либо дорого из-за возможных отказов испытуемых изделий); из-за недоработок проектирования изделий, вскрытых путем испытаний, возможно множество итераций: доработка проекта - испытания опытного образца - доработка проекта и т.д., что значительно увеличивает сроки и стоимость разработки; при натурных испытаниях невозможно установить датчики во всех точках конструкции изделий и контролировать их поведение, выбор контрольных точек при испытаниях субъективен и опирается в основном на опыт и интуицию.

     1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает методы моделирования и виртуализации испытаний изделий на тепловые воздействия на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца.

1.2 На изделие оказывают влияние стационарные и нестационарные тепловые воздействия. Тепловые воздействия могут приводить к отказам изделий. Настоящий стандарт определяет методы, позволяющие моделировать и проводить виртуальные испытания изделий при тепловых воздействиях с целью обеспечения их стойкости.

1.3 Требования настоящего стандарта не распространяются на рассмотрение всех проблем проектирования и обеспечения надежности изделий.

     2 Нормативные ссылки


В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 16962 Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний

ГОСТ 16962.1 Изделия электротехнические. Методы испытаний на устойчивость к климатическим внешним воздействующим факторам

ГОСТ 21964 Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики

ГОСТ 30630.0.0 Методы испытаний на стойкость к внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Общие требования

ГОСТ 30630.2.1 Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на устойчивость к воздействию температуры

ГОСТ Р 57188 Численное моделирование физических процессов. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

     3 Термины, определения и сокращения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 57188, ГОСТ 30630.2.1.

3.2 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ВК - вынужденная конвекция;

ЕК - естественная конвекция;

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина;

ККЛТ - конвективно-кондуктивно-лучистая теплопередача;

МАП - модель аэродинамических процессов;

МТП - модель тепловых процессов;

ТУ - технические условия.

     4 Общие положения

4.1 Целью настоящего стандарта является оказание методической помощи предприятиям промышленности и организациям в применении моделирования и виртуализации испытаний изделий на тепловые воздействия на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца.

Для достижения поставленной цели в стандарте решены следующие задачи [1-3]:

- разработаны требования к методам, позволяющим моделировать и проводить виртуальные испытания изделий при тепловых воздействиях с целью обеспечения их стойкости по ГОСТ 21964;

- разработаны требования к программному обеспечению для математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на тепловые воздействия при проектировании на основе применения ПЭВМ.

4.2 Методы математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на тепловые воздействия предназначены для использования подразделениями предприятий, на которые возложены соответствующие задачи, для замены испытаний изделий компьютерным моделированием на тепловые воздействия еще до изготовления, что позволит значительно сэкономить денежные средства и сократить сроки создания изделий при одновременном повышении качества и надежности за счет сокращения количества испытаний.

4.3 Рекомендации и методы, приведенные в настоящем стандарте, должны использоваться специалистами - разработчиками изделий в процессе проектирования с целью выбора и предварительной оценки эффективности конструкторских решений в части обеспечения требований стойкости к воздействию тепловых факторов, а также с целью оптимизации программ испытаний опытных и серийных образцов изделий.

     5 Требования к методу математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на стационарное тепловое воздействие

5.1 Целью испытаний является определение пригодности изделий к эксплуатации или хранению при воздействии постоянной температуры и постоянной мощности по ГОСТ 16962, ГОСТ 30630.0.0, ГОСТ 16962.1.

5.2 Должны быть предусмотрены следующие виды теплообмена: кондукция, излучение, естественная и вынужденная конвекция.

5.3 Оцениваемыми характеристиками должны быть постоянные температуры в узлах модели.

5.4 Метод испытаний должен позволять составлять эквивалентную электрическую схему, моделирующую явления теплопередачи (теплообмена) или аэродинамики в рассматриваемом объекте, и проводить расчет этой схемы методами, разработанными для сложных электрических цепей. Изделие должно разбиваться на условно изотермические объемы. В виде таких изотермических объемов нужно представить элемент конструкции изделия, в котором необходимо определить температуру, воздушный объем внутри изделия, окружающую среду, совокупность элементов изделия, все изделие, часть элемента и т.д. Разбиение должно зависеть от конструкции рассчитываемого объекта, от требуемой точности расчета температур, от принятых допущений при рассмотрении процессов теплопередачи в изделии и т.д.

Выделенным условно изотермичным объемам нужно ставить в соответствие узлы электрической схемы. Чем большее количество таких изотермичных объемов, тем точнее будет моделироваться истинное значение температур в изделии, но, с другой стороны, будет увеличена размерность получаемой электрической схемы.

Среди этих условно изотермичных объемов нужно выделить объемы, находящиеся в тепловом взаимодействии, к которым относятся:

- граничащие объемы единого твердого тела (теплопроводность);

- объемы, взаимодействующие через воздушные прослойки (свободная конвекция в ограниченном пространстве);

- объемы, находящиеся в лучистом теплообмене (излучение);

- объем твердого тела и объем окружающего его воздуха (конвекция);

- контактирующие объемы двух твердых тел (контактная теплопроводность) и т.п.

Узлы электрической схемы, соответствующие взаимодействующим объемам, должны соединяться между собой электрическими сопротивлениями, которые моделируют тепловые сопротивления.

Если в выделенном объеме рассеивается тепловая энергия, то в соответствующий узел электрической схемы должен включаться источник тока.

Если для выделенного объема известна его температура, то в соответствующий узел электрической схемы должен включаться источник э.д.с, задающий эту температуру.

Так должны получаться электрические схемы, моделирующие тепловые процессы в конструкциях рассматриваемых изделий.

Получаемые электрические схемы (МТП и МАП) должны представляться в топологическом виде (в виде графа). При этом электрические сопротивления, моделирующие процессы теплообмена, называются тепловыми сопротивлениями, источники тока - источниками тепловых мощностей, источники э.д.с. - источниками заданных температур, электрические сопротивления, моделирующие аэродинамические процессы, - аэродинамическими сопротивлениями.

Таким образом, модель тепловых (аэродинамических) процессов представляет собой топологический ненаправленный граф, узлы которого соответствуют выделенным объемам в конструкции изделия, а ветви графа отражают тепловые (воздушные) потоки между этими объемами.

Переменными узлов графа являются температуры объемов (тепловые модели) - элементов или воздуха и напоры в точках (аэродинамические модели), а переменными ветвей - величины тепловых потоков в конструкции и расходов воздуха в каналах РЭС.

Параметры ветвей - суть тепловые и аэродинамические сопротивления. Иными словами, МТП или МАП есть идеализированная схема путей распространения в конструкции тепловых и воздушных потоков. В зависимости от степени идеализации процессов теплообмена структура модели может меняться.

5.5 Моделирование и виртуальные испытания изделий должны проводиться исключительно с помощью программного обеспечения, предназначенного для моделирования изделий на стационарное тепловое воздействие.

5.6 Требования математической модели изделия

Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа при решении стационарной задачи в декартовой системе координат в применении к твердым изотропным телам имеет вид

,                                                      (1)


где - коэффициент теплопроводности материала изотропного твердого тела;

Доступ к полной версии документа ограничен
Этот документ доступен в системах «Техэксперт» и «Кодекс».