Simulando satélites para superar desafíos de vibraciones y choques
Realización de análisis de vibraciones y choques de una matriz de puertas programables en campo con el software de predicción de confiabilidad electrónica Ansys Sherlock
Como aprendimos en la película de 1995 “Apolo 13”, en el espacio “el fracaso no es una opción”. Esto se aplica a la posible pérdida de vidas de astronautas (que afortunadamente se evitó durante la misión Apolo 13), así como a algo tan simple como la rotura de un cable eléctrico en un chip semiconductor debido a tensiones térmicas o mecánicas. Un fallo de este tipo en una placa de circuito impreso (PCB) podría provocar la pérdida prematura de un satélite no tripulado extremadamente caro, lo que echaría por tierra años de investigación y desarrollo, junto con la misión para la que fue diseñado el satélite. Por lo tanto, es imperativo probar por completo cada diseño de chip antes del lanzamiento.
NewSpace Systems, un fabricante multinacional de componentes y subsistemas para naves espaciales de confianza con sede en Sudáfrica, se topó recientemente con un problema de este tipo en el diseño 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 explosión del cohete. También deben funcionar con una fiabilidad del 100% durante la vida útil del satélite, normalmente varias décadas, durante las cuales la carga cíclica repetida puede provocar una falla por fatiga.
Las pruebas físicas iniciales de vibración de este nuevo FPGA revelaron grietas en dos cables eléctricos (mostrados en las áreas delineadas en rojo en la Figura 1). Esto requirió un rediseño de la placa. Pero construir y probar prototipos físicos es un proceso lento y costoso. Por eso, con la ayuda de Qfinsoft , un socio de canal de Ansys Select, NewSpace utilizó el software de predicción de confiabilidad electrónica Sherlock de Ansys para simular la causa de las fallas y probar diferentes estrategias de mitigación. Una vez que se configuró el modelo Sherlock, probar los diseños tomó horas en lugar de semanas.
Figura 1. Después de la prueba de vibración, NewSpace Systems notó que algunos de los cables de las matrices de puertas programables en campo (FPGAs) estaban agrietados.
Simulación de la solución
El software Sherlock es una solución de simulación de ingeniería basada en la física que proporciona predicciones rápidas de la vida útil del hardware electrónico a nivel de componentes, placas y sistemas en las primeras etapas de diseño. Si bien el software Sherlock puede realizar algunos análisis básicos por sí mismo (por ejemplo, fatiga de soldadura), las simulaciones de carga mecánica completas requieren un solucionador de análisis de elementos finitos (FEA) externo. Para este propósito, el software Sherlock interactúa sin problemas con el software de análisis estructural Ansys Mechanical , ejecutando el FEA en segundo plano. Luego, el software Sherlock interpreta los resultados.
Realización de modelos FEA
Como la vibración era la principal preocupación en las fallas de los cables, NewSpace comenzó por ejecutar un análisis modal para identificar las frecuencias de vibración naturales de la PCB en la que se montó el FPGA. Las frecuencias de vibración naturales están 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 fijación.
Tomemos los puntos de montaje como un ejemplo de cómo los componentes pueden afectar la vibración de una PCB. Los puntos de montaje suelen tener espacio libre en el diseño de la placa, donde se perforan agujeros a través de ella (consulte los círculos negros grandes en la Figura 2a). Pero faltan detalles exactos sobre cómo se monta la PCB. En el software Sherlock, NewSpace podría definir el tipo de montaje que planeaba utilizar en cada ubicación (Figura 2b). El tipo de montaje afecta la forma en que la carga (por ejemplo, impacto o vibración) se transfiere al material de la placa.
Figura 2a. Los puntos de montaje suelen tener espacio libre en el diseño donde se perforan los orificios en la placa (los círculos negros grandes).
Figura 2b. En el software de predicción de confiabilidad de componentes electrónicos Ansys Sherlock, puede definir el tipo de montaje que planea utilizar en esa ubicación.
Para el RV, NewSpace consideró la vibración en los tres ejes (x, y, z). Los gráficos de contorno de desplazamiento mostraron cómo 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 calculó la falla total de un componente en la vibración del eje z. Ese componente era, como se esperaba, el FPGA.
El software Sherlock predijo que el FPGA tenía un 100 % de posibilidades de fallar, con múltiples conductores que superaban el límite de tensión. NewSpace identificó una correlación casi idéntica entre la alta tensión 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 simulación.
Figura 3a. El evento de carga de vibración aleatoria (RV) relacionado con el lanzamiento del cohete
Figura 3b. Perfil estadístico de densidad espectral de potencia de vibración (PSD) asociado
Figura 4. Los gráficos de contorno de desplazamiento muestran cómo el desplazamiento del RV estuvo dominado por la primera frecuencia natural. (Compare las formas en la figura, donde el rojo indica un desplazamiento mayor).
Figura 5. Existe una correlación casi idéntica entre la alta tensión del plomo y los cables agrietados identificados en las pruebas experimentales.
Combinando soluciones para reducir los fallos
Para evitar que los cables del FPGA fallaran, NewSpace probó una combinación 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 vibración perjudicial. En segundo lugar, se endureció el chasis mediante un proceso llamado “enclavamiento” para aumentar su modo resonante y reducir la deflexión del chasis bajo vibración. (Vea las elipses amarillas en la Figura 6b). El enclavamiento se refiere al uso de resina o adhesivo para pegar los componentes entre sí o a la placa. El adhesivo ancla el chip a la superficie de la placa y quita parte de la carga de los cables.
Figuras 6a y 6b. Para intentar evitar la falla de los cables del FPGA, NewSpace pensó en agregar soportes a las esquinas del FPGA
La combinación de soluciones de montaje y estacado se optimizó realizando el análisis de RV del software Mechanical en el chasis y la PCB y evaluando tanto la deflexión total del chasis como la vida útil por fatiga de los cables. Como se esperaba, NewSpace observó una mejora en el rendimiento de los cables bajo vibración. La predicción de vida útil del software Sherlock indicó que, lamentablemente, algunos cables seguirían fallando, pero estas fallas serían menos numerosas que antes y ocurrirían solo después de 2,3 años, significativamente más tiempo de lo que indicaba la simulación anterior. Después de ejecutar algunas simulaciones más, NewSpace pudo producir un FPGA con una confiabilidad del 100 % durante la vida útil del satélite, que era el objetivo original.
