8 Обеспечение механической прочности конструкций рэс

8.1 Механические воздействия, их влияние на работоспособность эс

В процессе эксплуатации и транспортирования РЭС подвергаются механическим воздействиям (МВ). Источниками МВ являются: окружающая среда, силовые установки объекта, двигатели машин с неуравновешенными вращающимися роторами и др. К основным механическим воздействиям относятся: линейные ускорения, вибрации, удары и акустические шумы.

Линейные ускорения характерны для всех объектов, движущихся с переменной скоростью (например, при разгоне и торможении). Их наличие обусловлено силами инерции, которые могут во много раз превышать силы тяготения. Также если объект движется по криволинейной траектории, например по дуге окружности, элементы конструкции РЭС будут испытывать центробежное ускорение.

Линейные ускорения, за исключением кратковременных, не могут быть устранены или ослаблены - это является их отличительной особенностью. Работоспособность конструкций в этом случае может быть обеспечена только за счет повышения жесткости и прочности элементов, что обычно ведет к увеличению массы изделия.

Под вибрацией ЭС понимают механические колебания конструкции в целом или её элементов. Вибрация может быть периодической или случайной. В свою очередь периодическая вибрация подразделяется на гармоническую и полигармоническую, а случайная – на стационарную, нестационарную, узкополосную и широкополосную.

Гармоническая вибрация в реальных условиях встречается редко, но широко используется при моделировании МВ.

При описании гармонической вибрации обычно пренебрегают начальной фазой колебаний:

z(t) = Z sinωt,

где z(t) - виброперемещение основания, м; Z - амплитуда виброперемещения, м; ω – круговая частота, 1/c.

Последовательно дифференцируя это выражение, определим виброскорость

v(t) = ż (t) = ω Z cos ωt,

и виброускорение

a(t) = z¨(t) = - ω² Z sin ωt.

Амплитуды виброперемещения Z, виброскорости ωZ, виброускорения ω²Z и круговая частота колебаний ω являются основными характеристиками гармонической вибрации. Кроме них гармоническую вибрацию часто характеризуют вибрационной перегрузкой

n = |a| / g = ω² Z / g ≈ 4 Z f², (8.1)

где f – частота вибраций, Гц.

Пример. Найти амплитуду колебаний резистора, если на него действует гармоническая вибрация с частотой f = 0,25 кГц и виброперегрузкой n = 10.

Решение: из (8.1) имеем Z =

Кроме вибрации, конструкции ЭС часто подвергаются ударным воздействиям. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса. Импульс имеет произвольную форму, но при расчетах и испытаниях используются типовые формы, показанные на рисунке 8.1.

Рис. 8.1 - Типовые формы ударных импульсов

При периодическом приложении ударных импульсов блок ЭС на упругих опорах приходит в колебательное движение. Поэтому возникает необходимость его защиты не только от ударов, но и от вибраций.

Акустические воздействия характерны для ракетных и бортовых РЭС, иногда для наземной военной аппаратуры. Главное отличие данного вида воздействия от вибрации состоит в распределенном приложении сил, зависящих не только от уровня звукового давления, но и от эффективной площади изделия (вибрация и удары, как правило, воздействуют на изделие только через точки его крепления). Способы защиты от них особые и решаются индивидуальным порядком. В данном курсе не рассматриваются.

В результате механических воздействий в элементах конструкций РЭС могут происходить обратимые и необратимые изменения.

Обратимые изменения характерны для ЭРЭ и приводят к нарушению устойчивости и ухудшению качества функционирования аппаратуры. Это связано с деформациями в конструкциях ЭРЭ, приводящих к изменению их параметров (конденсаторы, кварцевые резонаторы, полупроводниковые приборы, кабели и др.); с нарушением разъёмных и неразъёмных контактов, а также с изменением параметров практически всех видов полей.

Необратимые изменения (разрушения) свойственны конструктивным элементам РЭС. Они происходят при превышении в этих элементах допустимых значений ускорений, перемещений и напряжений. Известно, что в первую очередь к разрушению склонны элементы, которые были предварительно нагружены при монтаже.

При вибрационных воздействиях в выводах ЭРЭ возникают знакопеременные механические напряжения, приводящие к усталостным разрушениям.

Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряжений.

По статистическим данным на МВ приходится от 30% до 50% отказов бортовых РЭС, причем, из них 80% приходится на усталость (установлено в результате испытаний). Приведенные цифры показывают актуальность обеспечения механической прочности конструкций РЭС.

Конструкции РЭС, работающие в условиях механических воздействий, должны отвечать требованиям прочности и устойчивости. Определения для этих свойств даны в ГОСТ 16962-71:

Вибро- и ударопрочность - способность конструкций выполнять функции и сохранять значения параметров в пределах норм, установленных стандартами, после воздействия механических факторов.

Вибро- и удароустойчивость - способность конструкции выполнять заданные функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных стандартами, во время воздействия механических факторов.

Наиболее жёсткие условиями эксплуатации свойственны бортовым ЭС. Например, на них могут воздействовать вибрации с частотами от 20 до 2000 Гц, с уровнями ускорений до 50g. В указанной полосе частот часто не удается избавиться от резонансов элементов конструкции, при которых сильно возрастают ускорения, перемещения и напряжения в них, а затем к их разрушениям.

Разработчики РЭС очень часто ограничиваются только стендовыми испытаниями конструкций на прочность и устойчивость, не прибегая к математическому моделированию. Недостатки такого подхода:

• сами по себе испытания малоинформативны из-за невозможности установить датчики во многих точках изделия;

• испытания не позволяют провести исследования конструкции в критических режимах из-за её разрушения;

• результаты испытаний нельзя распространить на другие образцы из-за случайных значений разбросов параметров.

Эти проблемы вполне успешно решаются путем математического моделирования на ЭВМ или путем его интеграции с экспериментом.