- •Глава5 защита конструкций рэс от динамических механических воздействий
- •§ 5.1. Влияние динамических механических воздействий на надежность и качество рэс
- •§ 5.2. Защита рэс от механических воздействий с помощью виброизоляции
- •§ 5.3. Обеспечение прочности и жесткости элементов конструкции рэс
- •Вопросы для самоконтроля
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •3 94026 Воронеж, Московский просп., 14
§ 5.3. Обеспечение прочности и жесткости элементов конструкции рэс
Введение амортизаторов между РЭС и объектом установки ослабляет амплитуду внешних механических воздействий, но не уничтожает их полностью. В тех случаях, когда для обеспечения приемлемого ослабления требуются амортизаторы с очень большим свободным ходом или недостаточно эффективны вибропог-лощающие структуры, надежность работы РЭС обеспечивается прочностью и жесткостью элементов конструкции, а также исключением резонансов.
Прочностные параметры материалов конструкций РЭС. 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.
Эксплуатационные возможности материалов, используемых в конструкциях РЭС, характеризуются рядом параметров, наиболее важными из которых являются предел прочности при растяжении , сжатии и изгибе ; предел текучести ; предел выносливости при симметричном цикле ; модуль упругости Е (модуль Юнга); удельные значения этих параметров у, равные их отношению к плотности материала. Пределом прочности при растяжении называют напряжение, равное отношению наибольшего растягивающего усилия к первоначальной площади поперечного сечения образца. Аналогично определяются и . Пределом текучести называют напряжение, при котором образец заметно удлиняется (например, на 0,2%) без увеличения напряжения. При удлинении на 0,2% предел текучести обозначают . Величина зависит от числа циклов нагружения знакопеременной нагрузкой. Установлено, что деталь из стали, выдержавшая 2-10 циклов, может выдержать любое число циклов; для деталей из цветных металлов это число увеличивается до 5 *10 циклов (рис. 5.22). Модуль упругости определяется формулой , где — предел упругости, ГПа; — относительное удлинение ( —относительное удлинение образца, —его длина).
Значения этих параметров для некоторых материалов представлены в табл. 5.5. и 5.6. Из рассмотрения этих таблиц можно сделать следующие выводы: 1) от состояния металлов и сплавов (отожженный, закаленный и т. д.) зависит не только предел прочности, но и удельная прочность при растяжении и изгибе; 2) среди материалов, предназначаемых для работающих на растяжение деталей, максимальную удельную прочность имеют бериллий, титановый сплав ВТЗ-1, алюминиевый сплав В-95, сталь 45, минимальную удельную прочность — алюминиевый сплав АД-1, латунь Л-63 и др. Модуль упругости металлов и сплавов не зависит от состояния материала, поэтому удельная жесткость Еуд также не зависит от состояния материала.
Рис. 5.22. Кривые усталости для стали (кривая 1, левая шкала) и для демпфирующего алюминиевого сплава (кривая 2, правая кала)
Среди неметаллических материалов, предназначенных для работающих на растяжение/сжатие деталей, максимальной удельной прочностью обладают стеклопластик СВАМ и пресс-материал АГ-4С; минимальной удельной прочностью — фторопласт-4, пенопласт ПС-1-350 (последний имеет малую плотность у = 0,35 г/см3); из материалов, выбираемых для работающих на изгиб деталей, максимальную удельную прочность студ имеют стеклопластик СВАМ и пресс-материал АГ-4С; удельная прочность минимальна у фторопласта и фенопласта К-21-22.
Таблица 5.5 Удельные прочность и жесткость металлов и сплавов
Металл или сплав |
Состояние материала |
Предел прочно-сти , МПа |
Модуль упруго- сти, ГПа |
Удельная проч- ность |
Удель- ная жест- кость Е уд |
|
Сталь углеродистая Ст. 10 Ст. 45
Сталь легиро- ванная: 4X13 30ХГСА
Алюминиевый сплав: АД-1 . В-95
Магниевый сплав: МА2-1 МА-8
Медный сплав: латунь Л-63 бронза Бр.Б2 Титановый сплав: ВТ 1-0 ВТЗ-1 Бериллий
Алюминиево-бе- риллиевые спла- вы (40...80% Be) |
Нормализованный Холоднотянутый Нормализованный После закалки и отпуска Отожженный После закалки и отпуска Нормализованный После закалки и отпуска Отожженный Нагартованный Отожженный Закаленный и со- старенный Без термообра- ботки Закаленный Мягкий Твердый Мягкий Твердый
Отожженный
Закаленный и со- старенный Горячевыдавлен- мй через матрицу Горячепрессован- ный, выдавленный а отожженный — |
334 412 600 1176
540 930
490 1080
58 147 275 490 255 275
294 490' 392 735
687
981
1176 480 390...
620 490 |
203 200 193 198
69,6 69,6
40,7 40,2
103 115 113 290 280... 300 132 |
42,5 52,5 76,5 150 69,7 120 62,4 137,5 21,4 54,3 96,5 172 142 154 35 58,2 47,7 89,2 152 218 262 260 210... 335 210 |
12,3 14 18 28,2 16,9 24,3 15,7 26,6 7,7 14,3 21 30,9 27,2 28,7 10,7 15 13,1 20 28,5 36,2 40,9 — — |
25,9 25,5 94 Q 25,3 25,7 .. . 22,7 22,4 12,2 14,0 25,0 0*\ 1 ZJ, 1 158 152 163 56 |
Среди материалов для деталей, рассчитывемых на жесткость, максимальную удельную жесткость имеют пресс-материал АГ-4С и гетинакс II; удельная жесткость минимальна у фторопласта-4, пенопласта ПС-1-350. К наиболее перспективным материалам относятся бериллий, алюминиево-бериллиевые и магниево-литие-вые сплавы. Ввиду высокой стоимости бериллий и его сплавы находят ограниченное применение (в основном в авиационной и космической технике). Достоинствами бериллия являются высокие прочность (рессоры из бериллия выдерживают 20 млрд. толчков, из обычного материала — 850 тыс.), термостойкость (до 700...800 °С), теплопроводность. К недостаткам относятся хрупкость (это затрудняет его прокатку, ковку, резание; детали обычно получают методом порошковой металлургии), токсичность, высокая стоимость. Алюминиево-бериллиевые и магниево-литиевые сплавы несколько дешевле и лучше поддаются обработке, но тоже довольно дороги и дефицитны. В конструкциях РЭС бериллий и его сплавы используют в исключительных случаях.
Обеспечение прочности и жесткости элементов конструкций РЭС затруднено рядом причин, прежде всего сложностью конструкции РЭС, которая является многокомпонентной системой. Каждый компонент может иметь несколько основных резонансных частот (для каждого элемента конструкции, для каждой степени свободы, для каждой гармоники спектра колебаний). 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, возрастания удельной доли несущих конструкций в общей массе конструкций РЭС (30...40% для РЭС первых поколений, до 70% для РЭС четвертого поколения), уменьшения времени на обработку деталей.
Таблица 5.6 Исходные данные для составления расчетных схем прочности конструкции РЭС
Наименование узла, позиция сборочного чертежа |
Вид и направление сил
|
Место (способ) крепления
|
Расчетная модель
|
Источник |
Кронштейн крепления корпуса, поз. 9
|
Статическая сила, действующая в плоскости основания |
К корпусу (прилив), к объекту (болтом)
|
Балка, защемленная на одном конце и нагруженная на другом
|
Масса прибора с учетом кронштейнов и перегрузки
|
Печатная плата в сборе, поз. 5
|
Вибрации, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости платы
|
Сзади (соединителем), спереди (планкой с винтами), сверху и снизу (направляющими |
Пластина, жестко закрепленная по коротким сторонам, с опорой по длинным сторонам
|
Масса печатной платы и ЭРЭ с учетом вибрации частотой 20... 70 Гц, амплитудой 0,5 мм
|
В других случаях сложность обеспечения прочности и жесткости элементов конструкции определяется сложностью расчетного обоснования прочности и жесткости из-за того, что расчетные модели конструкций в виде рам чаще всего являются статически неопределимыми системами. Расчетная модель конструкции РЭС в большинстве случаев содержит значительное число степеней свободы и оказывается сложной для аналитического расчета. Это затрудняет получение модели простой и в то же время достаточно точной. Используемые машинные методы — конечных разностей, конечных элементов и различные вариационные методы — также имеют недостатки. Недостатком метода конечных разностей является большая трудоемкость составления конечно-разностных уравнении при подготовке задачи к решению на ЭВМ. В связи с этим применение этого метода ограничивается только простыми конструкциями (например, не имеющими ступенчатого изменения жесткости). С помощью метода конечных элементов можно решать задачи для конструкции любой сложности, но трудоемкость подготовки исходных данных также велика. Метод возник как результат аппроксимации сплошной среды элементами конечных размеров. Используется он в тех случаях, когда нельзя произвести расчеты другими методами. Имеются трудности и при использовании аналоговых моделей.
Целесообразен следующий порядок работ по обеспечению рочности и жесткости РЭС: 1) составление расчетной схемы бока (узла), выявление действующих сил и элементов конструкции, в которых напряжения и деформации могут достигать недопустимо больших значений; 2) выбор расчетных моделей для критичных узлов; 3)чет собственной частоты узлов инапряжений и сравнение их с допустимыми; 4) аботка мероприятий по обеспечению есткости и прочности узлов.
Рис. 5.23. Зависимость площади стеклотексто-литовой платы толщиной 1,5 мм, закрепленной по углам, от собственных частот
При определении расчетной схемы и расчетных оделей исходная информация представляется в виде таблицы, например табл. 5.6.
Таблица 5.8
Жесткость конструкции (или ее элементов) обеспечивается при собственной ее частоте (или элементов) выше действующей, что исключает работу в резонансном режиме.
Особое значение прочностные расчеты имеют для бортовых РЭС, где нежелательны излишние запасы прочности (вывод на орбиту 1 кг груза ракетой «Сатурн-5» составляет около 10000 долл., снижение массы полезного груза на 1 кг позволяет уменьшить количество топлива на 42 кг). Прочностные расчеты выполняются методами, основанными на теории сопротивления материалов. Обеспечить заданную прочность при минимальной массе можно с помощью следующих конструкторских мер:
выбором наиболее прочных материалов (см. табл. 5.5 и 5.6);
обеспечением равнопрочности элементов конструкции путем даления малонагруженного материала (рис. 5.25); 3) обеспечением равнопрочности сечений элемента конструкции благодаря динаковому сечению детали при работе на растяжение/сжатие рис. 5.26, а) или равнопрочности сечения при изгибе (рис. 5.26,6, ); 4) выбором конструкций с максимальным моментом сопротивления (рис. 5.25—5.28); 5) заменой работы элементов конструкции на изгиб работой на растяжение/сжатие (рис. 5.29); ) дополнительным креплением узлов и компонентов с помощью ержателей, ниток, клея, мастики; заливкой пенопластом и т. д.
Значительные перегрузки могут испытывать объемные проводники микросборок, что требует расчета их параметров. Для монолитных проводников без изоляции допустимая длина (мм) между двумя точками жесткого закрепления при условии отсутствия резонанса может быть определена по формуле
,
где Е—модуль упругости проводника, Н/м2; f-астота колебаний, Гц; -погонная масса проводника, Н-с2/мм2- упр — его плотность, Н/мм3; g—ускорение силы тяжести, мм/с , Jz = ndA/64— момент инерции сечения круглого проводника, м4. С учетом запаса на контактирование длина проводника между контактами l = 0,8/. Расчет на усталостную прочность сводится к определению максимальных напряжений (Н/м) в проводниках max = 0,667mgnl2d-3Проводник сохраняет прочность в условиях усталостной нагрузки.медных проводников при симметричном цикле (равенстве амплитуд относительно начального состояния) 55 МПа. Обычно допустимыми считаются размеры перемычек и выводов при длине l<0... 100 , где d—диаметр проводника.
Рис. 5.26 Обеспечение равнопрочности деталей, работающих на растяжение (а) и на изгиб (б, в): 1—крестообразное сечение; 2—трубчатое сечение
Если консольность превышает допустимую, то необходимо дополнительное крепление в промежуточных точках с помощью клея или покрытие лаком. Для микросборок максимальная длина перемычек из объемного провода без дополнительного крепления составляет 3 мм. Приведенные соотношения справедливы для проводников без изоляции. Наличие изолирующей оболочки снижает собственную путем выбора вида типовой конструкции, марок материалов, способов формообразования, снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления, способов упрочнения поверхности для увеличения предела выносливости.
Рис. 5.27. Конфигурации выдавок
Рис. 5.28. Усиление стенок герметичных кожухов РЭС с помощью ребер (а) и виды днищ (б): /, 2—ребра
Наиболее технологичными являются типовые (базовые) конструкции, в которых материалы выбраны с учетом их прочности, способов формообразования, снижения материалоемкости и трудоемкости. Типовые конструкции с заменой работы пользованием типовых технологических процессов, хорошо оснащенных и отработанных. Для нетиповой конструкции выбор материалов осуществляется с учетом типа производства (способов формообразования), легкости их обработки с заданной точностью и шероховатостью, минимальной толщиной стенок.
Рис. 5.29.Обеспечение прочности несущеи конструкции заменой работы заклепки на изгиб (а) работой тяги на растяжение/сжатие (б): 1—панель; 2—шасси; 3—заклепка; 4 — тяга
Для индивидуального и мелкосерийного производства используются материалы, пригодные для обработки на универсальном металлорежущем оборудовании (станках с ЧПУ), — алюминиевый сплав Д16, титановый сплав ВТ4 и др. Для массового производства используются материалы, пригодные для обработки высокопроизводительным способом штамповки (сталь 08кп, титан ВТ4 и ВТ5, алюминиевые сплавы АМг, АМц); шероховатость обрабатываемых поверхностей Ra = 3,2...1,6 мкм, точность по квалитетам 6—9. Для литья под давлением используются магниевые сплавы (МЛЗ, МЛ5, МЛ6, МА1, МАЗ, МА5), латуни (ЛС59-1Л, ЛН80-ЗЛ), алюминиевые сплавы (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ 11, АЛ28, АЛ32), толщина стенок которых может быть доведена до 0,5 мм.
Для повышения усталостной прочности деталей из металлов и сплавов иногда осуществляют поверхностное упрочнение путем поверхностной закалки токами высокой частоты, термохимической обработки (азотирования, цементации), обкатки поверхности шариком или дробеструйной обработкой для получения уплотняющего слоя. Повышению усталостной прочности способствуют увеличение плавности переходов между ступенчатыми поверхностями, наличие галтелей и фасок, повышение чистоты обработки поверхности. Перспективно для массового производства использование металлических порошков и их смесей с неорганическими материалами для формования элементов конструкции путем прессования с последующим спеканием в защитной атмосфере. Механические свойства изделий из порошков близки по свойствам к литым деталям, по отдельным параметрам они выше. Например, для алюминия ав = 300...400 МПа по сравнению с 180...200 МПа. Насыпная плотность алюминиевых порошков составляет 0,7...0,8 г/см3 (ее постоянство определяет стабильность усадки при спекании). Однако детали, изготовленные из порошков, не могут иметь наружной и внутренней резьбы, должны иметь плавные переходы от тонких сечений к толстым и радиусы скругления не менее 1 мм. Методом литья под давлением и прессованием изготовляют детали из пластмассовых пресс-порошков, часто имеющих наполнители (порошки, волокниты, стекловолокниты), с шероховатостью поверхности Ra= 1,25...0,8 мкм, точностью размеров по 11...13-му квалитетам. Усадка может быть менее 0,1...0,16%. Для полиимидов и стеклопластиков допускается толщина до 0,3 мм при диаметре отверстий до 0,5 мм. К пластмассовым деталям предъявляется ряд ограничений: радиусы скруглений должны быть не менее 0,5... 1,0 мм для внутренних и 1...2мм для наружных поверхностей, не рекомендуются прямоугольная и мелкая резьба (с шагом менее 0,4 мм). Поверхность пластмассовых деталей можно металлизировать. Чаще всего наносится слой меди толщиной от нескольких единиц до нескольких десятков микрометров с последующим электрохимическим нанесением защитного слоя из сплавов олова, никеля, реже — золота. Способы металлизации — химическое осаждение, вакуумное или горячее распыление металлов.