ivanstudent

Путь к Файлу: /Конструирование электронных устройств / 125 / 85-104.DOC

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   304.0 КБ
СКАЧАТЬ

ГЛАВА 9. МЕХАНИЧЕСКИе ВОЗДЕЙСТВИя

И ИХ ВЛИЯНИЕ НА  НАДЕЖНОСТЬ РЭС

 

9.1. Влияние механических  воздействий на РЭС

 

В процессе производства, эксплуатации и хранения РЭС испытывают  различные  механические  воздействия (МВ). В результате воздействия механических нагрузок могут иметь место повреждения  РЭС: потеря герметичности  вследствие нарушения швов и  металлостеклянных  спаев; обрыв  монтажных связей; расслоение печатных  плат;  поломка  керамических  и  ситалловых подложек гибридных интегральных схем (ГИС); выход из строя разъемных и неразъемных  электрических контактов; модуляция размеров волноводных трактов, конденсаторов переменной емкости, электровакуумных  приборов; изменение паразитных связей; выход из строя механических  узлов  (зубчатых  пар,  крепежа и  т.д.);  изменение  параметров  полупроводниковых  приборов; нарушения, связанные с усталостью  материалов  и  механическими  резонансами.    

До 50  % всех отказов РЭС вызываются  механическими  воздействиями                                                                                                                

 

9.2. Виды механических воздействий и их

       основные  параметры

 

Различают следующие основные виды МВ [25, 26]:

1) вибрации;

2) акустический  шум;

3) удары;

4) линейные  (или  центробежные)  ускорения;

5) давление;

6) комбинированные  воздействия.

 

Под  вибрацией РЭС будем понимать механические колебательные  процессы  в  конструкции, которые снижают надежность работы  аппаратуры.

Различают  вибрации  периодические  и  случайные,  с  постоянными  и  переменными  параметрами.  В  реальных  условиях  эксплуатации  наиболее  часто  встречаются  случайные возбуждающие вибрации с переменными  параметрами. Однако  анализ  их  воздействия  на  РЭС  довольно  сложен. 

 

Как правило, в инженерных расчетах ограничиваются рассмотрением  колебаний радиоэлектронного аппарата или его составных частей под воздействием наиболее простого (с  точки  зрения  анализа) вида  -  периодической  гармонической  вибрации.

При   периодической   гармонической  вибрации  смещение  ξ  неко-

торой  вибрирующей  точки  описывается  формулой:

                                        ξ (t)=A sin wt,

где  A   -  амплитуда  вибрации;

 w = 2πf -  круговая  частота  колебаний;

f - частота  колебаний;

T = 1/f -  период  колебаний;

t - текущее  время.

 

Виброскорость                                         V(t) =dξ/dt= Aw cos wt.

Амплитуда  виброскорости                     V=Aw=2πfA.

Виброускорение                                       W(t) =  - d2ξ/dt2 = -w2 A sin  wt.

Амплитуда  виброускорения                   W = w2 A=2πf2A.

Величину  виброускорения,   выраженную в  единицах  ускорения  свободного  падения  g, называют  коэффициентом  виброперегрузки (перегрузкой):                                   nв =W/g.

 

Одной из причин возбуждения вибраций конструкции может быть  акустический  шум  (в  диапазоне  частот  от  нескольких сотен  герц  до десятков  килогерц). Интенсивность  акустических колебаний оценивают  уровнем  силы  звука  (в  децибелах):

I=10 lg N/N0 ,

где    N - удельная  мощность  исследуемых  акустических  колебаний,   

N0 - стандартный  уровень, так  называемый  пороговый  уровень  слышимости,  составляющий  10-16 Вт/см2.

 

При  оценке  по  звуковому  давлению  уровень  силы  звука  определяют  по  формуле:

                                                   I=20 lg P/P0 ,

где      Р -  измеряемое  звуковое  давление,  Па;

  P= 2·10-5  Па -  звуковое  давление  на  пороге  слышимости  в  области  средних  частот (800 - 2000 Гц).

 

Полагают, что РЭС,  способное  выдержать  вибрацию  объекта  установки,  может  выдержать  и  его  акустический  шум,  если  исключены  легкие  незащищенные  конструктивные  элементы  и  вибрирующие  перегородки. Защита  от  воздействия  акустического  шума  осуществляется  теми  же  методами  и  средствами, что  и  защита  от  вибраций.

Ударом принято называть мгновенное  изменение  скорости  движения  тела  на  конечную  величину  за  короткий промежуток времени. Ударные  воздействия  возникают  непериодически  и  характеризуются формой, амплитудой  и  длительностью импульса возбуждающего ускорения, сообщаемого изделию. В простейших  случаях импульсы именуются соответственно форме их графического изображения:  прямоугольные, треугольные, полусинусоидальные, косинусоидальные  (рис. 9.1).

 

85-104

 

Рис. 9.1. Ударные импульсы

а - прямоугольный; б - треугольный;

в - полусинусоидальный; г - косинусоидальный

 

В общем случае формы ударных импульсов ускорения зависят от  конкретных  условий  установки  РЭС. При  анализе  воздействия  на  РЭС импульсов сложной  формы  их  обычно  приводят  к эквивалентному полусинусоидальному  или  прямоугольному  импульсу.

Часто  амплитуда  ударного  импульса  задается  с  помощью  коэффициента  ударной  перегрузки (перегрузкой) в единицах  g:

nуд=Wуд /g ,

 где  Wуд -  амплитуда  импульса  ударного  ускорения, м/с2

 

Линейными  или  центробежными  ускорениями  (в  зависимости  от  того, движется объект  по  прямолинейной  или  криволинейной  траектории) называют медленно меняющиеся  воздействия, близкие по своему  характеру  к статическим нагрузкам. Эти  воздействия  оценивают обычно коэффициентом  линейной перегрузки (перегрузкой) в единицах  g:

nл=Wл /g,

где  Wл - величина   линейного (центробежного)  ускорения, м/с2.

Давление  на  конструкцию  возникает, когда, например, внутри  герметичного  корпуса аппаратуры  имеет  место  разрежение  или, напротив, повышение  давления  газовой  среды.

Нормальное статическое давление атмосферы, под  которым  находится  конструкция  РЭС, составляет  101,3 кПа (760 мм. рт. ст.). При  работе  РЭС  в  верхних  слоях  атмосферы  или  под  водой  герметичная  конструкция  аппаратуры  будет  испытывать  статическое  механическое воздействие, связанное  с  разностью  давлений  снаружи  и  внутри  корпуса. Заданной  величине  разности  давлений  DP соответствует  распределенная сила F/S, перпендикулярная  к  поверхности  корпуса, а по ней можно определить уровень деформации, который  будет  испытывать  корпус РЭС.

Уровни пониженного атмосферного давления, задаваемые на бортовых  РЭС, лежат  в  пределах  от  0  до  101  кПа.

При погружении  РЭС  под  воду  на  глубину  1 м  давление  на  корпус, дополнительное к атмосферному, составит  DP = 9,81 кПа. Кроме того, на  погруженную аппаратуру  будет  действовать  выталкивающая  сила, приложенная  к  центру  масс  РЭС  и  равная:

Fв=V·rв ·g,

где  V -  объем  корпуса  аппаратуры;

rв -  плотность  воды;

 g - ускорение  свободного  падения, равное  9,8  м/с2.

 

Комбинированные, или комплексные воздействия представляют собой  одновременное действие МВ с большим или меньшим  преобладанием  какого-либо их  вида.

По своему результату комбинированное МВ может оказаться более жесткой нагрузкой для аппаратуры, чем поочередное действие каждого единичного фактора. Одним из примеров комбинированного МВ является  виброудар, представляющий собой ударный импульс с высокочастотным  вибрационным  заполнением.

Тем не менее, опыт эксплуатации РЭС показывает, что вибрации причиняют аппаратуре больший  ущерб, чем  все  остальные  виды  МВ. Поэтому,  прежде всего, следует стремиться обеспечить противовибрационную  защиту  РЭС. Линейные  ускорения сами по  себе  менее опасны  для РЭА, чем  вибрации и  удары. Однако их воздействие может существенно усложнить защиту от вибраций  и  ударов: деформируясь  под  действием  линейных  перегрузок, амортизаторы  могут  “лечь”  на  упоры, потеряв, таким  образом, свои  упругие  свойства.

Таким образом, при разработке конструкции РЭС необходимо  обеспечить:

1) вибропрочность, т.е.  отсутствие  разрушений  и  соударений  под  действием  вибрации;

2) виброустойчивость, т.е  нормальное  функционирование  РЭС  в  условиях  помех  и  шумов, вызываемых  вибрацией;

3) по  возможности, отсутствие  резонансов  элементов  конструкции  в  заданном  диапазоне  частот  возбуждающих  вибраций;

4) прочность  и  устойчивость  к  действию  ударов, акустического  шума, линейных  ускорений  и  давления, имеющих  место  на  объекте  установки.

Параметры  МВ  на  РЭС  различного  назначения  приведены  в  таблице.

 

Таблица 9.1

Параметры  механических  воздействий  на  РЭС

 

 

 

Условия

работы

 

 

 

Вибрация

Удар

Перегрузка  при линейном  ускорении

Акустическое

воздействие

Частота, Гц

Амплитуда, мм

Перег-рузка, g

Перег-рузка,g

Дли-тельность,с

 Частота,               Гц

 мощь-ность, дБ

Стационарные

помещения:

 Влияние  соседнего  

 оборудования                 

Сейсмические 

колебания при

атомном взрыве

Взрыв  снаряда

Переносные  РЭС

Транспортные

средства:

Гусеничные

Автомобильные

Железнодорожные

Водный  транспорт:

Корпус

Мачты

Двигатель

 

Взрыв торпеды в подводной части корабля 

Авиационные: 

      С  поршневым

          двигателем

     С  реактивным

          двигателем

Ракеты:

Большие

Малые 

 

Выстрел  снаряда:

  Из  танковой

 пушки

  Из 155-мм гаубицы

 

 

 

10-55

 

 

1,4-4,6

 

10-2000

 

 

20-2000

0-15       

2-3

 

1-15

0 -15

До 150

 

 

 

 

 

5-150         

 

5-500

 

 

10-3000                         

50-5000

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

150-250

 

 

 

 

0,05

10-40

До 40

 

1,5-3

До 40

0,1                                                        

 

 

 

 

 

0,15                  

                      25-0,15

 

 

 

 

 

 

 

                          

 

 

 

До 2

 

 

 

200-400

До 10

 

 

До 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            До 40

До 30        

 

 

2000-6000

9000        

 

 

 

До 5

 

 

 

 

До 50

 

 

200-400

До 50

 

 

200-400

 

 

 

1200 -

2000

 

 

15-30      

 

 

 

 

До 50                       

До 100       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,01-0,1

 

 

 

 

 

0,06         

 

 

0,07-0,02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

До 6

 

 

 

До 6 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

До 5   

 

 

5-15         

30-50       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

150 -9600

 

 

 

 

 

 

9600

 

150-

9600

150-   

9600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 до165

 

 

 

 

 

 

 

 до165 

 

 

 до165

 до165

 

 

 

 

    85-104                                              

                                                                                                                                               

9.3. Колебания  механической  системы

 

Все  элементы,  образующие  РЭС, объединяются  в  единое  целое  посредством  несущих  конструкций (конструктивов)  различных  уровней: подложка  ГИС,  плата  печатного  узла, блочный  каркас  с  направляющими  для  плат, приборный  блок и  т.д. Любые виды МВ воспринимаются  прежде  всего  конструктивами  РЭС. Таким образом, требуется  анализ откликов конструктивов на внешние МВ и  степени  передачи  МВ  на  чувствительные  к  ним  элементы  РЭС.

 

Величина отклика  конструктива  определяется  такими  его  характеристиками, как масса, жесткость, уровни  деформации, внутреннее  трение  или  демпфирование, прочность [25].

Масса  любого  тела  является  мерой  его  инертности, играющей  важную  роль  при  изучении  механических  колебательных  процессов.

Жесткость (упругость)  конструктива  определяет  его  упругие  свойства  и  выражается  отношением  приложенной  силы  к  вызванной  ею  деформации (т.е. к величине  растяжения-сжатия, изгиба, сдвига  или  кручения).

85-104Под  прочностью  понимается  величина  механической  нагрузки, которую  конструктив  выдерживает  без  остаточной  деформации  или  без  разрушения.

Внутреннее трение  характеризует потери механической энергии в  материале  конструктива  при  его  колебаниях.

Эффект рассеяния механической энергии  имеет место при  движении  элементов  конструктива  в  жидкой  или газообразной среде  (вязкое  трение), либо с сухим трением. На  этой  основе строятся  гасители  механических  колебаний - демпферы.

 

В общем случае модель механической системы содержит:

- элемент  массы – m, 

- элемент упругости (жесткости) конструктива – k,

- элемент  рассеяния  энергии  (демпфирования) – r (рис.9.2).

 

Если  на  элемент  конструкции  с  массой  m, установленный  на  несущем  основании, в  момент  времени  t  будет  действовать  сила  F(t), то  элемент  m  сместится  на  расстояние  ξ  от  положения  равновесия. В  рассматриваемой  системе  сила  F(t)  в  каждый  момент  времени  будет  встречать  противодействие  из-за  инерции  массы, упругости  конструктива  и  трения  (демпфирования).     

 

 

 

85-104

 

Рис. 9.2. Модель  механической  колебательной  системы

 

При анализе механических систем обычно используют принцип  Д'Аламбера, согласно которому сумма внешних сил, действующих на систему, находящуюся  в  равновесии, равна  сумме  реакций  ее  элементов.

Реакция  Fм  из-за инерции массы пропорциональна массе элемента и приобретенному им к моменту времени t  ускорению w:

 

                                              Fм= mw = m85-104,                                      (9.1)

где  ξ  - смещение  элемента  m  от  положения  равновесия.

 

Практика анализа конструкций аппаратуры показывает, что наибольшее  влияние  на  демпфирование  колебаний  оказывает  Fmp реакция  вязкого трения. Такая реакция зависит от скорости  движения  элемента  конструкции  в  жидкой  или  газообразной  среде, и  при  малых  скоростях  пропорциональна  первой  степени  скорости:

     Fтр =r×v = r85-104,                                          (9.2)

где  r  -коэффициент  трения.

 

Реакция  Fy  из-за  упругости  конструктива  k  пропорциональна  смещению:                                               Fу = k×x .                                             (9.3)

 

Тогда, согласно  принципу  Д'Аламбера  имеем:

 

                                                    Fм +Fтр +Fу =F(t) ,   

 

или  после  подстановки  выражений:

                                                 m85-104+r85-104+kx = F(t).                                   (9.4)

Данное линейное  дифференциальное  уравнение  описывает  колебания  простейшей механической колебательной системы. При этом движение  массы  будет  полностью  определено, если  известна  одна  из  величин: перемещение, скорость  или  ускорение. Такую  механическую  систему  называют  системой  с  одной  степенью  свободы (см. рис. 9.2).

 

Рассмотрим  поведение  системы  при  воздействии  периодической  гармонической  вибрации:

                                               

F(t)=Fm sin(wt+j),

 

где  w  и   j - частота  и  фаза  возбуждающего  колебания.

 

Разделив  коэффициенты  уравнения (9.4)  на  m, имеем:

 

        85-104                                   (9.5)

 

Обозначим  85-104.

Тогда                                   w0=85-104                                                      (9.6)

определяет частоту собственных колебаний, т.е. частоту колебаний элемента  m  при  отсутствии  возбуждающей  силы и  демпфирования  в  системе.

 

Другое  отношение  r/m = 2δ, или  δ = r/(2m), -  представляет  собой  коэффициент  демпфирования  механической  системы.

 

Решение уравнения (9.5) рассматривается в курсе высшей математики  и  записывается в виде двух слагаемых. Первое  из  них  является общим  решением  однородного  уравнения  (с нулевой  правой  частью)  и  описывает  собственные  колебания  системы  с частотой  ωd, а  второе  -  частным  решением  уравнения (9.5)  и, следовательно, описывает  вынужденные  колебания   механической  системы:

 

                    x=Aсвe-δtsin(ωdt+φd)+Aвsin(ωt+φ).                         (9.7)

 

Частота ωd =85-104 представляет собой собственную (резонансную) частоту  системы  с  демпфированием.

 

Нетрудно  видеть, что  можно  получить  такой  коэффициент  демпфирования δ, при  котором  частота  ωd  обращается  в  нуль. Физически  это  означает, что  свободное  движение  массы  приобретает  неколебательный (апериодический)  характер. Эту  величину  трения  называют  критической:

 

             dкр = w0 .                                           (9.8)

 

При t®¥ первое слагаемое выражения (9.7) будет стремиться к нулю из-за  сомножителя  e-δt, характеризующего  затухание  в  системе.

 

Амплитуда  Ав  вынужденных  колебаний  элемента  m  является  функцией  частоты  возбуждающих  колебаний  и  определяется  выражением:

 

              AB (w)=85-104                          (9.9)

 

Обозначим  Fm/k=Aво (амплитуда  колебаний  несущего  основания  механической  системы);   ω/ω0 = γ (относительная  частота); δ/δкр=δ/ω0=β (относительный  коэффициент  затухания  или  относительное  демпфирование).

 

Отношение  η=Авво  носит  название  коэффициента  динамичности (или  коэффициента  динамического  усиления, или  коэффициента амортизации колебаний, или коэффициента передачи) механической системы.

Его величина определяется  из  выражения (9.9) и представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ)  механической системы при возбуждении  ее  силой  F(t):

                   h = 85-104                                (9.10)

 

Зависимость  (9.10)  представлена  графически  на  рис. 9.3.

 

При  резонансе, когда  частота  вынужденных  колебаний  ω = ωd ≈ ω0 относительная  частота  γ ≈ 1. В  этом  случае  коэффициент  динамичности:

 

η = ηрез = Q,

 

где  Q - добротность  механической  системы.

 

Как  следует  из  (9.10),    η рез= Q = 85-104.

 

 

85-104

 

Рис. 9.3. Зависимость коэффициента динамичности  η  от γ

(отношения  возбуждающей частоты к собственной частоте системы при различном демпфировании)

 

Все приведенные  выше зависимости  с  качественной  точки  зрения  носят общий  характер  и  характеризуют  любую  механическую  колебательную  систему  -  от  проволочного  вывода  кристалла  интегральной  схемы  до  шкафа  РЭС, установленного  на  амортизаторы. Основные  сложности  при  расчетах  собственных  частот  и  коэффициентов  динамичности  колебаний  элементов  РЭС  типа  стержней, плат  и  т.п.  связаны  с  определением  коэффициентов  жесткости  k  и  демпфирования  β, которые  в  большинстве  случаев  носят  распределенный  характер. Поэтому  на  практике  конструктор  стремится  свести  реальную  конструкцию  к  одной  из  известных  расчетных  моделей (эквивалентных  схем), для  которых  получены  необходимые  зависимости. Ряд  частных  случаев  практических  расчетов  механических  колебаний  РЭС  будет рассмотрен  ниже.

 

ГЛАВА 10. ЗАЩИТА РЭС ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ  ВОЗДЕЙСТВИЙ

 

10.1. Методы  защиты

 

В зависимости  от  условий  эксплуатации  и  особенностей  конструкции  защите  от  МВ  могут  подвергаться  как  радиоэлектронные  комплексы, так  и  отдельные  их  блоки, узлы (субблоки, ячейки)  и  элементы.

При проектировании  РЭС  прежде  всего  следует  выяснить, нужны  ли  вообще  защитные  мероприятия. С этой целью сравнивают величины  допустимых  МВ  для  применяемых  элементов (микросхем, транзисторов, конденсаторов  и  т.д.), оговоренные  в  их  технических  условиях (ТУ), с  величинами  МВ  на  объекте  установки  РЭС. При  этом  величины  воздействующих  механических факторов следует скорректировать с учетом  возможного  резонансного  усиления  колебаний по пути их распространения от места  установки блока до конкретного  рассматриваемого  элемента. В случае, если  уровни  воздействующих  механических  факторов   превышают  допустимые, предусматривают  защитные  мероприятия  с  оценкой  их  эффективности.

Основные способы  защиты  РЭС  от  наиболее  распространенных  видов МВ - вибраций  и  ударов  -  можно условно  подразделить  на  три  разновидности  [25]:

· повышение  жесткости  конструктивов;

· демпфирование;

· использование  амортизаторов  ( виброизоляторов).

Такая  классификация способов виброзащиты  позволяет четко уяснить  физическую сущность  каждой  разновидности  и  оценить  их  эффективность  с  помощью  амплитудо-частотных  характеристик.

Так, виброзащита за счет повышения жесткости конструктивных  элементов блоков, которую можно обеспечить применением ребер жесткости, отбортовок, оптимизацией  геометрических  размеров  и  другими  способами, может  быть  пояснена  с  помощью  АЧХ  на  рис.10.1а.

Из  нее  следует, что  если  известен  диапазон  частот  воздействующих (возбуждающих)  вибраций  от  fн  до  fв, то  элементы  конструкции  будут  находиться  в  относительно  благоприятных  условиях  функционирования, если  вывести  значения  их  собственных  частот  f0  из  диапазона  частот  воздействий, обеспечив  выполнение  соотношения  f0>2fв.

В  качестве  критерия  эффективности  виброзащиты  обычно  служит  значение коэффициента  динамичности  защищаемого  объекта  в  диапазоне  частот  воздействующих  вибраций.

Используя  этот  критерий, можно  констатировать, что  рассматриваемый  способ  виброзащиты  обеспечивает  значение  коэффициента  динамичности  η=1.

Практика  проектирования  печатных  узлов показывает, что  без  применения  демпфирующих  покрытий  значения  их  собственных  частот  находятся  обычно  в  пределах  500-800 Гц. Выше  этих  пределов  должны  быть  значения  собственных  частот  стенок  корпусов  аппаратуры, в  которых  монтируются  платы. В  наибольшей  степени  этим  требованиям  отвечают  литые  шасси  и  корпуса  с  ребрами  жесткости.

 

85-104     85-104

                                       а)                                             б)

85-104f

                   в)

Рис. 10.1. Амплитудно-частотные характеристики механических  

  систем с различными способами виброзащиты

 

Использование  демпфирующих покрытий и слоистых  демпфирующих  конструкций  пояснено  АЧХ, представленной  на  рис.10.1,б. Из  приведенных характеристик следует, что этот способ виброзащиты эффективен в широком  диапазоне  частот  воздействующих  вибраций, который  может  захватывать  и  область  частот  собственных  колебаний. В  этом  случае  η<1, но  при  резонансном  возбуждении  вибраций  конструктивных  элементов  эффективность  виброзащиты  наибольшая, что  следует  из  сравнения  кривых  1  и  2.

Эффективность  использования  амортизаторов  (виброизоляторов)  пояснена  АЧХ, изображенной на рис.10.1,в. Данный способ виброзащиты -  наиболее  эффективный  из  всех  рассмотренных, так  как  только  он  обеспечивает  значения  η<1.

 

Кроме  рассмотренных  выше  наиболее  употребительных  способов  виброзащиты, в  практике  конструирования  РЭС  используют  и  другие:

· рациональную  ориентацию  конструктивных  элементов  относительно  направления  вектора  воздействующих  вибраций;

· размещение  наиболее  чувствительных  элементов  блока в  местах  конструкции, характеризующихся  малыми  значениями  коэффициента  динамичности;

· применение  виброустойчивых  и  вибропрочных  электрорадиоэлементов (ЭРЭ)  и  полупроводниковых  приборов;

· применение  элементов  компенсации  виброшумов;

· применение гибких  печатных  плат  и  др.

 

В  специальных  случаях  применяют  так  называемые  активные  системы виброзащиты на основе  динамических  гасителей  колебаний  [25].

 

10.2.  Расчеты собственных частот колебаний

                 элементов  РЭС

 

Наиболее распространенным способом приближенного расчета собственных  частот  является  замена  реальной  конструкции  РЭС  эквивалентными  схемами  балки  или  пластины, способы  расчета  которых  подробно  исследованы  и  описаны  в  литературе.

Так, к примеру, конструкция  консольного  крепления  крупногабаритного  конденсатора  может  быть  сведена  к  эквивалентной  схеме  балки, один  конец  которой  жестко  закреплен (защемлен), другой  свободен, причем  балка  несет  сосредоточенную  нагрузку; плата  устройства, несущая  в  основном  однородные  по  массе  малогабаритные  элементы, может  быть  представлена  при  расчете  в  виде пластины  с  равномерно  распределенной  нагрузкой  и  закреплением  в  четырех  точках  по  углам  и т.п.

Элементы  конструкций  типа  плат, панелей, у  которых  длина  и  ширина  различаются  незначительно, сводятся  обычно  к  расчетной  схеме  пластины.

Для  всех  случаев  закрепления  краев  прямоугольной  пластины  собственная  частота  fоэ  может  быть  определена  по  формуле  [25, 26, 27]:

 

                foэ=85-104                                                            (10.1)

где  α  -  частотная  постоянная;

а  -  длина  пластины;

D  ≈  E h3/12  -  жесткость  пластины  на  изгиб;

h  -  толщина  пластины;

E  -  модуль  упругости  материала  платы;

M  =M/S  -  масса  на  единицу  площади, кг/м;

M  -  масса  пластины;

S  =  a×b  -  площадь  пластины.

Постоянная  α  зависит  от  вида  закрепления  краев  пластины, соотношения  ее  сторон  и  формы  колебаний.

 Так, для  случая  закрепления  платы  в  четырех  точках  по  углам:

 

                                        85-104,                                       (10.2)

   где  k   = b / a  -  отношение  меньшей  стороны  (ширины)  платы  b  к  длине  ее  большей  стороны  a;

n, m  =  0, 1, 2…  -  целые  положительные  числа, характеризующие  форму  колебаний.

 

Графически  форма  резонансных  колебаний  отображается  с  помощью  узловых  линий, которые  соединяют  точки  поверхности  платы, остающиеся  при  колебаниях  неподвижными. Узловые  линии  образуют  так  называемые  фигуры  Хладни  (рис. 10.2).

На  практике  обычно  ограничиваются  расчетом  низшей  собственной  частоты  (основного  тона), соответствующей  m = 0, n = 1.

Случай  m  =  n  = 0  соответствует  неподвижной  плате.

 

     85-104 85-104 85-104 85-104 85-104

 

Рис. 10.2. Фигуры Хладни

 

В  качестве  примера  приведем  формулы  для  расчета  частотных  постоянных  основного  тона  собственных  колебаний  плат  с  другими  способами  закрепления:

· пластина, опертая  по  всему  контуру  (например, закрепленная  по  скользящей  площадке  в  направляющих):

 

                85-104;                                    (10.3)

 

· пластина, защемленная  по  всему  контуру  (например, закрепленная  на  шасси    винтами  с  малыми  расстояниями  между  ними):

 

      85-104.                                  (10.4)

 

Если  пластина  равномерно  нагружена  навесными  элементами  или  покрытием, то  в  формулу  (10.1)  следует  ввести  коэффициент  kэ  на  массу  Мэ  элементов  (покрытия):

              85-104,                                     (10.5)                                                                                           

 

при  этом  формула  (10.1)  принимает  вид:

            f = 85-104.                                      (10.6)

 

Если  пластина  несет  сосредоточенную  нагрузку  (например, тяжелый  трансформатор, конденсатор  большой  емкости и т.п.), то  такая  нагрузка  может  быть  приведена  к  равномерно  распределенной  по  известным  формулам  [26].

Если  длина  конструктива  значительно  превышает  его  ширину, конструкцию  называют  балкой. Балки  могут  иметь  различную  форму  поперечного  сечения: прямоугольную  (плата), круглую  (проволочный  вывод  элемента)  и др.

Расчет балочных схем проводят по формулам, аналогичным (10.1), при  этом  жесткость  на  изгиб  D  и, следовательно, частота  fоэ  существенно  зависят  от  формы  сечения. Заметим, что  резонансные  колебания  балок, как  и  пластин, могут  возникать  на  целом  ряде  частот, соответствующих  различным  формам  колебаний (рис.10.3). Как  правило, при  расчетах  ограничиваются  определением  частоты  основного  тона, т.е.  низшей (первой)  формы  собственных  колебаний.

85-104  85-104  85-104

1.                а)                          б)                в)

85-104  85-104  85-104

2.                г)                          д)                е)

 

Рис. 10.3. Формы колебаний, соответствующие трем низшим частотам собственных колебаний балок (1 - консольная балка;           2 - балка с заделанными концами; а, г – первая форма колебаний;        б, д – вторая форма; в, е – третья форма колебаний)

Погрешность  описанных  методов  расчета  собственных  частот  составляет  30  -  40 %.

 

10.3. Повышение  жесткости  конструктивов

 

Прочность  и  жесткость  элементов  конструкции  в  значительной  степени  зависят  от  используемых  материалов, их  обработки, а  также  от  геометрических  размеров  самих  элементов, их  формы  и  способов  крепления.

В  ряде  случаев  необходимо  увеличивать  прочность  и  жесткость  при  сохранении  или  даже  уменьшении  массы  и  габаритов  разрабатываемой  конструкции  по  сравнению  с  прототипами. Это  особенно  актуально  с  точки  зрения  снижения  массы  бортовых  РЭС, сохранения  природных  ресурсов (за  счет  снижения  материалоемкости), возрастания  доли  несущих  конструкций  в  общей  массе  конструкций  РЭС  (30  -  40%  для  РЭС  четвертого  поколения). В  частности, стоимость  вывода  на  орбиту  1 кг  груза  ракетой  “ Сатурн  -  5”  составляет  около  10.000 $, снижение  массы  груза  на  1 кг  позволяет  уменьшить  количество  топлива  на  42 кг.

 

Обеспечить требуемые прочность и жесткость  при  минимальной  массе  можно  с  помощью  следующих  конструктивных  мер  [25, 26]:

· выбором  материалов  с  наибольшей  прочностью  и  жесткостью;

· обеспечение  равнопрочности  элементов  конструкции  путем  удаления  малонагруженного  материала (рис. 10.4);

· заменой  работы  элементов  конструкции  на  изгиб  работой  на  растяжение  -  сжатие (рис. 10.5);

· дополнительным  креплением  узлов  и  ЭРЭ  с  помощью  держателей, клея, мастики, заливкой  пенопластом;

· выбором  конструкции  с  максимальной  жесткостью  на  изгиб.

 

85-104

 

 

Рис.10.4. Облегчение детали в результате удаления малонагруженного материала (а - высверливанием отверстий, б - выбором рациональной формы детали)

 

 

85-104

 

Рис. 10.5. Обеспечение прочности несущей конструкции (1 – панель, 2 - шасси, 3 – тяга;  а – работа шасси на изгиб, б – работа тяги на растяжение)

 

При  выборе  материалов  используют  такую  характеристику  их качества, как  удельная  жесткость:

Еуд = 85-104,                                         

где  E  -  модуль  упругости  материала;

ρ  -  его  плотность.

 

Анализируя  формулу  (10.1), нетрудно  заметить, что отношение  D/M²  прямо  пропорционально  удельной  жесткости  Eуд, т.е.  удельная  жесткость  материала непосредственно определяет  собственную  частоту  конструктива.

Среди  материалов  для  деталей, рассчитываемых  на  жесткость,            максимальную  удельную  жесткость  имеет  пресс-материал  АГ  -  4С                    (19,1  МДж/кг)  и  гетинакс II  (14,7  МДж/кг); удельная жесткость минимальна у фторопласта-4 (0,2 МДж/кг)  и  пенопласта  ПС-1-350 (0,43  МДж/кг).

У  сталей, алюминиевых  и  магниевых  сплавов  Eуд  =  22  -  25  Дж/кг. К наиболее  перспективным  материалам  относятся  бериллий, алюминиево-бериллиевые  и  магниево-литиевые сплавы. Ввиду  высокой  стоимости  бериллий  и  его  сплавы  находят  ограниченное  применение  (в  основном  в  авиационной  и  космической  технике). Достоинствами  бериллия  являются  высокая  прочность  (упругие  элементы  из  бериллия  выдерживают                      20  млрд. толчков, из  обычного  материала  -  850  тыс.), термостойкость (до  7000 - 8000С ), теплопроводность. К  недостаткам  относятся  токсичность  и  хрупкость. Последнее  затрудняет  его  прокатку, ковку, резание; детали  обычно  получают  методом  порошковой  металлургии. Несколько  дешевле  и  лучше  поддаются  обработке  алюминиево-бериллиевые и  магниево-литиевые  сплавы.

Прочностные  характеристики  материалов  приводятся  в  справочной  литературе  [1, 25].

Для  увеличения  жесткости  конструктивных  элементов  широко  применяется  введение  ребер  жесткости, отбортовок  и  выдавок. Оценки  выигрыша  в  жесткости  показали, что  жесткость  оребренных  конструктивных  элементов может  возрастать  в  несколько  десятков  раз  по  сравнению  с  элементами  прямоугольного  сечения  без  ребер.

Некоторые  конструктивные  элементы  РЭС  изготавливаются  из  тонколистового  проката. Для  придания  таким  деталям  необходимой  степени  жесткости  служат  отбортовки  и  выдавки  различной  конфигурации. Наибольшую  жесткость  без  увеличения массы  позволяют  получить  “вафельные”  выдавки.

 

10.4. Использование  вибропоглощающих  

         материалов

 

В широком диапазоне возбуждающих частот (например, для ракетной  аппаратуры - от 10 до 3000 Гц) невозможно избежать резонансов элементов  конструкции типа печатных или гибридно-интегральных узлов. Обеспечить виброзащиту удается снижением ηрез за счет введения демпфирования в конструкцию РЭС  [1, 25, 28]. В ряде случаев оно используется совместно  с  амортизацией.

 

Наиболее перспективным и распространенным способом демпфирования конструкций РЭС является одно- или двусторонняя заливка печатного узла или  введение  высокоэффективных  вибропоглощающих  (демпфирующих)  материалов  в  структуру  несущих  оснований. Эти  способы  основаны  на  способности  полимеров  рассеивать  большое  количество  энергии  колебаний  при  растяжении, изгибе  или  сдвиге  за  счет  вязко  -  упругих  свойств.

Так, применение в конструкциях демпфирующего компаунда КТ-102  позволяет снизить коэффициент динамичности конструкции более  чем  на  порядок (с 40 единиц при использовании традиционных эпоксидных  клеев  до  3 - с  использованием  КТ-102).

Демпфированные  несущие  основания  чаще  всего   бывают  двух  типов:  со  свободным (наружным)   и  армированным (внутренним)  вибропоглощающими  слоями  (рис. 10.6). При  одном  и  том  же  эффекте  демпфирования  толщина  внешней  заливки  должна  быть  в  5-10  раз  больше, чем  при  введении  вибропоглащающих  материалов  в  структуру  несущей  конструкции.

 

 

 

85-104

 

Рис. 10.6. Демпфированные конструктивные элементы (1 – несущий конструктивный элемент, 2 – вибропоглощающий слой; а – со свободным вибропоглощающим слоем, б – с армированным вибропоглощающим слоем)

 

Показателем  демпфирующих  свойств  материалов  и  конструкций  служит  коэффициент  механических  потерь (КМП) b¢.

Ассортимент  вибропоглощающих  материалов  включает  клеи (например, КТ-102, полиизобутелен, b¢ = 1,0), заливочные  пеноматериалы  (пенополиуретан  ППУ-202-2, b¢ = 0,13), мастичные и листовые материалы.

Мастики  (адем-НШ, антивибрит-5М, b¢ = 0,25) представляют собой неотвержденные  материалы. При  формировании  покрытия  в  них  протекают  химические  и  физико-химические  процессы, определяющие  конечные  свойства  материала. К  достоинствам  мастик  следует  отнести  легкость  нанесения  покрытия  на  поверхность  любой  сложной  конфигурации.

Листовые  материалы  соединяются  с  конструкцией  клеем  и  характеризуются  высокой  идентичностью  свойств, поскольку  не  претерпевают  химических  превращений. Особую  группу представляют собой слоистые материалы, характерным представителем которых является випонит                   (b¢ = 1,25). Он состоит из двух слоев листового алюминия, соединенных между собой вибропоглощающей полимерной прослойкой. Композитный материал полиакрил-ВС (b¢ = 0,65) содержит чередующиеся слои алюминиевой фольги и полимерного связующего. Слои алюминия, включенные в структуру випонита  и полиакрила-ВС, защищают полимерное связующее от непосредственного контакта с окружающей средой и обеспечивают повышение водо-, масло- и бензостойкости, улучшение санитарно-гигиенических и противопожарных показателей материалов.

 

Все рассмотренные вибропоглощающие материалы имеют максимальную эффективность при комнатной температуре и предназначены для эксплуатации в интервале температур от минус 10оС до +50оС.

КМП конструкции узла с демпфирующим слоем определяется выражением:

                                    b¢кд = b¢и + (b¢2 - b¢1) ×А ,                               (10.7)

где  b¢и – КПМ исходной конструкции до введения демпфирующего слоя с учетом потерь энергии в местах её крепления;

b¢1 – КПМ основного материала несущей конструкции (для наиболее широко применяемого стеклотекстолита b¢1 » 0,02);

b¢2 – КПМ материала демпфирующего слоя.

 

Параметр  А определяет, какая доля энергии колебаний платы рассеивается в вибропоглощающем материале. Его величина зависит от свойств материала, геометрических размеров узла, соотношения толщины основного материала h1 = hИ  и демпфирующего слоя h2 .

Несмотря на простоту выражения (10.7), воспользоваться им на практике бывает трудно чаще всего из-за отсутствия информации или неопределённости значения b¢и. Для получения достоверных данных об эффективности виброгашения конструкции следует прибегать к эксперименту (по резонансной кривой либо по записи затухающих колебаний конструкции). При проведении оценочных расчетов для низшей частоты собственных колебаний узла можно воспользоваться данными таблицы.

Зная КПМ конструкции, можно определить её коэффициент динамичности при резонансе (добротность механической колебательной системы):  

                   hрез = Q = 1 / b¢ .

Таблица 10.1

 

К расчету КПМ демпфированного печатного или

гибридно-интегрального узла

 

Вариант конструкции

h2 /h1

A

b¢и

Заливка узла пеноматериалом

5...10

0,2…0,4

0,04…0,08

Введение вибропоглощающего слоя в конструкцию платы

0,05…0.1

0,7…0,9

 

К недостаткам рассмотренных способов виброзащиты относятся: худшая ремонтопригодность при заливке; худший теплоотвод от залитых элементов; сильная зависимость демпфирующих свойств от температуры; возможность возникновения больших внутренних напряжений в компаунде при изменении температуры; изменение свойств полимеров при воздействии влаги и радиации.

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика