MODELIZACIÓN Y DISEÑO MECÁNICO DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS

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María Rosario Acuña Villanueva
hace 5 años
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1 MODELIZACIÓN Y DISEÑO MECÁNICO DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS Autor: Pallarés Carrasco, José Enrique. Director: Vállega Tejero, Jesús. Entidad colaboradora: CRISA (an AIRBUS Defense and Space company) RESUMEN DEL PROYECTO En el entorno industrial actual se necesita conocer el comportamiento físico de cualquier elemento o conjunto de elementos que formen un sistema o una parte del mismo, en muchas ocasiones los ensayos no se pueden realizar por muy diversos motivos, o porque los ensayos son extraordinariamente caros o porque hay partes inaccesibles a las que no podemos acceder con sensores de medida que nos hace recurrir a herramientas de análisis y simulación. Con estas herramientas se construyen modelos matemáticos que pretenden reflejar fielmente los comportamientos físicos del elemento o grupo de elementos representados. El presente proyecto se centra en un área concreta de la ingeniería que en este caso es la mecánica y en un hardware específico que son los equipos electrónicos que se diseñan para ser integrados en satélites. El proyecto está dividido en dos partes bien diferenciadas, una primera parte que consistirá en la creación de un modelo matemático que se ajuste a la realidad, y la posterior validación del mismo de modo que la diferencia entre la respuesta del modelo y la realidad tenga la aproximación que se precise. Y una segunda parte en la que se realizará un análisis mecánico al modelo ya validado con la finalidad de conocer el comportamiento físico de los elementos que integran el modelo y calcular los márgenes de seguridad. En la primera etapa del proyecto se realizará el modelo matemático del módulo perteneciente a un equipo electrónico integrado en un satélite. Dicho módulo estará compuesto por un PCB y los componentes electrónicos integrados en él, un rigidizador (la estructura del módulo) y los tornillos que unen ambas partes. A partir de los documentos del diseño se creará el modelo de elementos finitos constituido por cada una de las partes del módulo. Para el ajuste del modelo, éste será simulado en unas condiciones que se puedan reproducir en el laboratorio, tomando las medidas necesarias para comparar los

2 resultados del modelo con las medidas reales. Así pues, realizando las modificaciones necesarias en el modelo inicial se llegará al ajuste y a la consecuente validación del modelo matemático establecido. El método empleado para la construcción del modelo matemático es el método de elementos finitos (FEM) siendo el software utilizado para la aplicación del mismo FEMAP con Nx NASTRAN mediante el cual se creará el modelo de elementos finitos y se realizarán las simulaciones pertinentes. Ilustración 1. Modelo FEM (PCB, Rigidizador y tornillos) La segunda parte del proyecto está enfocada al estudio del comportamiento físico de cada elemento que compone el módulo analizado. Para ello el modelo será simulado bajo los niveles especificados por la Agencia Espacial Europea (ESA) obteniendo resultados como son las tensiones, desplazamientos y aceleraciones en cada uno de los elementos del modelo. Éstos resultados serán analizados posteriormente sacando conclusiones como son las tensiones máximas en las diferentes partes del módulo, los desplazamientos máximos en las zonas del PCB dónde se encuentren los componentes electrónicos montados o los márgenes de seguridad teniendo en cuenta las propiedades del material de los diferentes componentes del modelo. A partir de los resultados obtenidos también se llevará a cabo un cálculo de tornillos bastante detallado en el que se requerirá el uso de ecuaciones obtenidas de las normas de la ESA dónde intervienen parámetros como son la precarga del tornillo o el par de apriete. Éste cálculo de tornillos además de comprobar la resistencia de los tornillos servirá para chequear la fiabilidad de los resultados obtenidos por el modelo.

3 Por último en esta etapa se calculará la vida a fatiga de cada uno de los componentes integrados en el PCB a partir de los desplazamientos calculados anteriormente y la posición en la que se orientan éstos a lo largo del mismo. El objetivo de este análisis será la calificación de los diferentes componentes, sirviendo los resultados obtenidos como referencia para el montaje de dichos componentes en otros módulos con semejante disposición. El método utilizado para el análisis de fatiga es el método de Steinberg. Todo esto se desarrollará en mayor profundidad a lo largo del proyecto, llegando a conclusiones coherentes con respecto al comportamiento mecánico de las diferentes partes del módulo y consiguiendo un modelo matemático que representa la realidad mediante su simulación con un alto grado de fiabilidad. MECHANICAL DESIGN AND MODELLING OF ELECTRONIC EQUIPMENTS ABSTRACT There is a need in the current industrial environment of knowing the physical behaviour of any item or group of items that creates a system or a part thereof, in many cases tests can not be performed due to some reasons, either tests are extremely expensive or there are parts that cannot reached with measuring sensors or for any other reason that makes us look for other simulation and analytical tools. Mathematical models are built with these tools yo accurately reflect the physical behavior of the element or group of elements. This project is focused on mechanical engineering, and on specific hardware which are electronic equipments designed to be integrated into satellites. The project is divided into two parts; a first part which is the creation of a mathematical model that fits the reality, so the difference between the response of the model and reality has the approach that is needed. And a second part where a mechanical analysis will be performed to the validated moder in order to meet the physical behavior of the elements theta compose the model.

4 In the first phase of the project, the mathematical model will be performed of the module that belongs to a electronic equipement integrated into a satellite. This module will be composed of a PCB and electronic components integrated therein, a stiffener (the module structure) and screws. The model consisting of each of the parts of the module will be created from design documents will be created. For fitting the model, it will be simulated under conditions that could be reproduced in the laboratory, taking measures to compare the model with the actual measurements. Thus, performing some modifications to the initial model will reach the perfect adjustment and subsequent validation of the mathematical model. The method used to construct the mathematical model is the finite element method (FEM). And the software used is FEMAP with NX NASTRAN whereby the finite element model is created and relevant simulations are performed. Ilustración 2. Modelo FEM (PCB, Rigidizador y tornillos) The second part of the project is focused on the study of the physical behavior of each element that componed the model. This model will be simulated under the levels specified by the European Space Agency (ESA) in order to obtain results such as stresses, displacements and accelerations in each of the elements. These results will be analyzed subsequently while getting conclusions as the maximum stresses in the different parts of the module, the maximum displacements on the areas of the PCB where the electronic components or safety margins are considered the material properties of the different components model. From the results, a calculation of screws will be undertaken where complex parameters will be used such as preload screw or torque, and what these two terms crawl.

5 This calculation of screws will check not only the strength of the screws but also the reliability of the results obtained by the model. All this takes place in more depth throughout the project, reaching a consistent conclusions with respect to mechanical behavior of the different part of the module and obtaining a mathematical model that represents reality through its simulation with a high degree of reliability.

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