{"id":1665,"date":"2024-08-07T08:30:00","date_gmt":"2024-08-07T08:30:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.grupossc.com\/blog\/?p=1665"},"modified":"2024-08-05T22:39:55","modified_gmt":"2024-08-05T22:39:55","slug":"simulando-satelites-para-superar-desafios-de-vibraciones-y-choques","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/grupossc.com\/blog\/2024\/08\/07\/simulando-satelites-para-superar-desafios-de-vibraciones-y-choques\/","title":{"rendered":"Simulando sat\u00e9lites para superar desaf\u00edos de vibraciones y choques"},"content":{"rendered":"\n
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Realizaci\u00f3n de an\u00e1lisis de vibraciones y choques de una matriz de puertas programables en campo con el software de predicci\u00f3n de confiabilidad electr\u00f3nica Ansys Sherlock<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Como aprendimos en la pel\u00edcula de 1995 \u201cApolo 13\u201d, en el espacio \u201cel fracaso no es una opci\u00f3n\u201d. Esto se aplica a la posible p\u00e9rdida de vidas de astronautas (que afortunadamente se evit\u00f3 durante la misi\u00f3n Apolo 13), as\u00ed como a algo tan simple como la rotura de un cable el\u00e9ctrico en un chip semiconductor debido a tensiones t\u00e9rmicas o mec\u00e1nicas. Un fallo de este tipo en una placa de circuito impreso (PCB) podr\u00eda provocar la p\u00e9rdida prematura de un sat\u00e9lite no tripulado extremadamente caro, lo que echar\u00eda por tierra a\u00f1os de investigaci\u00f3n y desarrollo, junto con la misi\u00f3n para la que fue dise\u00f1ado el sat\u00e9lite. Por lo tanto, es imperativo probar por completo cada dise\u00f1o de chip antes del lanzamiento.<\/p>\n\n\n\n

NewSpace Systems, un fabricante multinacional de componentes y subsistemas para naves espaciales de confianza con sede en Sud\u00e1frica, se top\u00f3 recientemente con un problema de este tipo en el dise\u00f1o de un conjunto de puertas programables en campo (FPGA). Los FPGA son circuitos integrados que son el cerebro de los circuitos de control modernos. Para los fines de NewSpace, deben sobrevivir al lanzamiento del cohete al espacio, incluidas las intensas vibraciones y cargas de impacto causadas por la explosi\u00f3n del cohete. Tambi\u00e9n deben funcionar con una fiabilidad del 100% durante la vida \u00fatil del sat\u00e9lite, normalmente varias d\u00e9cadas, durante las cuales la carga c\u00edclica repetida puede provocar una falla por fatiga.<\/p>\n\n\n\n

Las pruebas f\u00edsicas iniciales de vibraci\u00f3n de este nuevo FPGA revelaron grietas en dos cables el\u00e9ctricos (mostrados en las \u00e1reas delineadas en rojo en la Figura 1). Esto requiri\u00f3 un redise\u00f1o de la placa. Pero construir y probar prototipos f\u00edsicos es un proceso lento y costoso. Por eso, con la ayuda de Qfinsoft , un socio de canal de Ansys Select, NewSpace utiliz\u00f3 el software de predicci\u00f3n de confiabilidad electr\u00f3nica Sherlock de Ansys para simular la causa de las fallas y probar diferentes estrategias de mitigaci\u00f3n. Una vez que se configur\u00f3 el modelo Sherlock, probar los dise\u00f1os tom\u00f3 horas en lugar de semanas.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 1. Despu\u00e9s de la prueba de vibraci\u00f3n, NewSpace Systems not\u00f3 que algunos de los cables de las matrices de puertas programables en campo (FPGAs) estaban agrietados.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Simulaci\u00f3n de la soluci\u00f3n<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

El software Sherlock es una soluci\u00f3n de simulaci\u00f3n de ingenier\u00eda basada en la f\u00edsica que proporciona predicciones r\u00e1pidas de la vida \u00fatil del hardware electr\u00f3nico a nivel de componentes, placas y sistemas en las primeras etapas de dise\u00f1o. Si bien el software Sherlock puede realizar algunos an\u00e1lisis b\u00e1sicos por s\u00ed mismo (por ejemplo, fatiga de soldadura), las simulaciones de carga mec\u00e1nica completas requieren un solucionador de an\u00e1lisis de elementos finitos (FEA) externo. Para este prop\u00f3sito, el software Sherlock interact\u00faa sin problemas con el software de an\u00e1lisis estructural Ansys Mechanical , ejecutando el FEA en segundo plano. Luego, el software Sherlock interpreta los resultados.<\/p>\n\n\n\n

Realizaci\u00f3n de modelos FEA<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Como la vibraci\u00f3n era la principal preocupaci\u00f3n en las fallas de los cables, NewSpace comenz\u00f3 por ejecutar un an\u00e1lisis modal para identificar las frecuencias de vibraci\u00f3n naturales de la PCB en la que se mont\u00f3 el FPGA. Las frecuencias de vibraci\u00f3n naturales est\u00e1n influenciadas por las capas de la placa, las ubicaciones de los componentes, los tipos de cables, los puntos de montaje de la placa y las regiones adhesivas de encapsulado y fijaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Tomemos los puntos de montaje como un ejemplo de c\u00f3mo los componentes pueden afectar la vibraci\u00f3n de una PCB. Los puntos de montaje suelen tener espacio libre en el dise\u00f1o de la placa, donde se perforan agujeros a trav\u00e9s de ella (consulte los c\u00edrculos negros grandes en la Figura 2a). Pero faltan detalles exactos sobre c\u00f3mo se monta la PCB. En el software Sherlock, NewSpace podr\u00eda definir el tipo de montaje que planeaba utilizar en cada ubicaci\u00f3n (Figura 2b). El tipo de montaje afecta la forma en que la carga (por ejemplo, impacto o vibraci\u00f3n) se transfiere al material de la placa.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 2a. Los puntos de montaje suelen tener espacio libre en el dise\u00f1o donde se perforan los orificios en la placa (los c\u00edrculos negros grandes).<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Figura 2b. En el software de predicci\u00f3n de confiabilidad de componentes electr\u00f3nicos Ansys Sherlock, puede definir el tipo de montaje que planea utilizar en esa ubicaci\u00f3n.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Para el RV, NewSpace consider\u00f3 la vibraci\u00f3n en los tres ejes (x, y, z). Los gr\u00e1ficos de contorno de desplazamiento mostraron c\u00f3mo el desplazamiento del RV estaba dominado por la primera frecuencia natural. (Compare las formas en la Figura 4, donde el rojo indica un desplazamiento mayor). Si bien el rendimiento general de la placa fue bueno, el software Sherlock calcul\u00f3 la falla total de un componente en la vibraci\u00f3n del eje z. Ese componente era, como se esperaba, el FPGA.<\/p>\n\n\n\n

El software Sherlock predijo que el FPGA ten\u00eda un 100 % de posibilidades de fallar, con m\u00faltiples conductores que superaban el l\u00edmite de tensi\u00f3n. NewSpace identific\u00f3 una correlaci\u00f3n casi id\u00e9ntica entre la alta tensi\u00f3n de los conductores y los conductores agrietados identificados tanto en las pruebas experimentales (ver fotos insertadas en la Figura 5) como en los resultados de la simulaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 3a. El evento de carga de vibraci\u00f3n aleatoria (RV) relacionado con el lanzamiento del cohete<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Figura 3b. Perfil estad\u00edstico de densidad espectral de potencia de vibraci\u00f3n (PSD) asociado<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Figura 4. Los gr\u00e1ficos de contorno de desplazamiento muestran c\u00f3mo el desplazamiento del RV estuvo dominado por la primera frecuencia natural. (Compare las formas en la figura, donde el rojo indica un desplazamiento mayor).<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Figura 5. Existe una correlaci\u00f3n casi id\u00e9ntica entre la alta tensi\u00f3n del plomo y los cables agrietados identificados en las pruebas experimentales.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Combinando soluciones para reducir los fallos<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Para evitar que los cables del FPGA fallaran, NewSpace prob\u00f3 una combinaci\u00f3n de dos soluciones. La primera fue agregar puntos de montaje adicionales a la PCB de los componentes para aumentar la frecuencia de su modo resonante de modo que quedara fuera del espectro de vibraci\u00f3n perjudicial. En segundo lugar, se endureci\u00f3 el chasis mediante un proceso llamado \u00abenclavamiento\u00bb para aumentar su modo resonante y reducir la deflexi\u00f3n del chasis bajo vibraci\u00f3n. (Vea las elipses amarillas en la Figura 6b). El enclavamiento se refiere al uso de resina o adhesivo para pegar los componentes entre s\u00ed o a la placa. El adhesivo ancla el chip a la superficie de la placa y quita parte de la carga de los cables.<\/p>\n\n\n\n

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Figuras 6a y 6b. Para intentar evitar la falla de los cables del FPGA, NewSpace pens\u00f3 en agregar soportes a las esquinas del FPGA<\/em><\/p>\n\n\n\n

La combinaci\u00f3n de soluciones de montaje y estacado se optimiz\u00f3 realizando el an\u00e1lisis de RV del software Mechanical en el chasis y la PCB y evaluando tanto la deflexi\u00f3n total del chasis como la vida \u00fatil por fatiga de los cables. Como se esperaba, NewSpace observ\u00f3 una mejora en el rendimiento de los cables bajo vibraci\u00f3n. La predicci\u00f3n de vida \u00fatil del software Sherlock indic\u00f3 que, lamentablemente, algunos cables seguir\u00edan fallando, pero estas fallas ser\u00edan menos numerosas que antes y ocurrir\u00edan solo despu\u00e9s de 2,3 a\u00f1os, significativamente m\u00e1s tiempo de lo que indicaba la simulaci\u00f3n anterior. Despu\u00e9s de ejecutar algunas simulaciones m\u00e1s, NewSpace pudo producir un FPGA con una confiabilidad del 100 % durante la vida \u00fatil del sat\u00e9lite, que era el objetivo original.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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