Тема 5 Основы защиты РЭА от механических воздействий (Конспект лекций ОКТРЭС)

Тема 5. Основы защиты РЭА от механических воздействий5.1. Классификация механических воздействий.В процессе эксплуатации большинства видов РЭС подвергаются механическим воздействиям. Характер и интенсивность воздействий могутбыть достаточно разнообразными в зависимости от источников воздействияи их расположения относительно конструкций РЭС.

Наиболее часто источниками механических воздействий по отношению к РЭС являются : окружающая среда, силовые установки объекта, электромеханические устройства с возвратно-поступательно движущимися массами или неуравновешенными вращающимися роторами и т.д.К механическим воздействиям относятся : линейные ускорения, вибрации, удары.Линейные ускорения характерны для всех объектов, движущихся спеременной скоростью. Влияния линейных ускорений на детали и ЭРЭконструкций РЭС обусловлено силами инерции, которые могут во многораз превышать силы тяжести . Так, если на элемент с массой m в состояниипокоя действует сила тяжестиG = mgто при движении с ускорением a(t) тот же элемент дополнительноподвергается воздействию силы инерцииPи = ma(t).Тогда результирующая сила, действующая на элемент, составитрезультирующее ускорениеP p = Pи + Gap(t) = g + a(t) .При движении объекта по кривой траектории, например, по дуге окружности с радиусом R , элементы конструкции РЭС будут испытыватьцентробежное ускорениеa = mv2/R ,где v линейная скорость движения объекта.

Отношение действующегоускорения к ускорению свободного падения называют перегрузкой.nв=a/gЛинейные перегрузки, за исключением кратковременных, практически не поддаются ослаблению. Поэтому обеспечение работоспособностиконструкций может быть достигнуто повышением жесткости и прочностиэлементов, что, как правило, ведет к увеличению массы конструкций РЭС.2Под вибрацией РЭС понимают механические колебания её элементовили конструкции в целом.Вибрацию принято характеризовать виброперемещением, виброскоростью и виброускорением.Виброперемещение при гармонической вибрации определяется соотношением:Z(t)=Z sin ωt(5.1)где Z - амплитуда виброперемещения, ω - частота вибраций. Виброскорость и виброускорение находят в результате дифференцирования (5.1):v(t)=z* (t)=ωZcosωta(t)=z** (t)=-ω2ZsinωtВиброускорение при гармонической вибрации опережает по фазе виброперемещение на угол π , виброскорость на угол π/2.Амплитуда виброперемещения Z, виброскорости ωZ, виброускоренияω2 Z и угловая частота колебаний служат основными характеристикамигармонической вибрации.Если амплитуду виброперемещения выразить в мм, а ускорение силытяжести в мм/с2, то соотношение для вибрационной перегрузки можно записать в виде:nв=Zf2/250 (5.2)где f - круговая частота вибраций.Кроме вибрации аппаратура может подвергаться ударным воздействиям,возникающим при эксплуатации, транспортировки, монтаже и т.д.

При ударе элементы конструкции испытывают нагрузки в течении малого промежутка времени t , ускорения достигают больших значений и могут привестик повреждениям элементов.Последствием удара являются возникающие в элементах конструкцийзатухающие колебания. Поэтому на практике возникает необходимость взащите конструкций РЭС одновременно от ударов и вибраций. Приближенные среднестатистические значения отдельных видов механическихвоздействий на конструкции, эксплуатируемые на подвижных объектах,приведены в табл.5.1.В результате механических воздействий в элементах конструкцийРЭС могут происходить обратимые и необратимые изменеия.

Обратимыеизменения характерны для ЭРЭ и приводят к нарушению устойчивости иухудшению качества функционирования аппаратуры. В зависимости от физики протекающих в конструкции процессов факторы, вызывающие обратимые изменения можно объединить в следующие группы:23- деформации в активных и пассивных элементах, приводящие к изменению их параметров (конденсаторы, катушки индуктивности, пьезоэлектрические кварцевые резонаторы, ЭВП и др.)- нарушение электрических контактов в разъёмных соединениях, вызывающие изменения омического сопротивления контактов;- изменение параметров электрических, магнитных и электромагнитных полей, которое может привести к нарушению условий электромагнитной совместимости в конструкции.Таблица 5.1Названиегруппы РЭСУровни механических воздействийВибрацииУдарыАкустическийшумЛинейные перегрузкиускорением/с2частотас-1ускорением/с2ускорением/с2длительностьмсчастотамин-1дБ4...803...3078,519,61471475...105...1040...8040...801001003,122...10019,63923...1040...801253,124...1005...1078,558,91471475...105...1040...8040...801401403,12Возимые натранспорте:автомобильном,гусиничном,железнодорожномСудовые,большие суда,малые судаНосимые ипортативныена открытомвоздухеНосимые ипортативныена открытомвоздухеСамолетные10...7037985...1040...808510...305...200010,71...19698117...7365...105...1540...8085150РакетныеКосмические0...5001...2500196,24,9...5998110...12170170Необратимые изменения свойственны конструктивным элементамРЭС, связаны с нарушением условий прочности и проявляются в механических разрушениях элементов.

Разрушениям под влиянием механическихвоздействий наиболее подвержены элементы, предварительно нагруженныепри их монтаже. Такими элементами являются болты, винты, заклёпки впредварительно напряжённом (затянутом) соединении. Если запас прочности такой детали недостаточно велик, то при дополнительных нагрузках врезультате механических воздействий может произойти её разрушение. Нередки случаи разрушения сварных швов, в которых имеют место остаточные термические напряжения, обрыва объёмных проводников, соединяющих радиоэлементы, если при выполнении монтажа проводники получилиизлишнее напряжение.К необратимым изменениям, происходящим в конструктивных элементах РЭС при механических воздействиях, являются усталостные разрушения. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреж34дений в материале детали под действием переменных напряжений.

Механизм этого процесса связан со структурной неоднородностью материала(отдельные зерна неодинаковы по форме и размерам, по-разному ориентированны в пространстве, имеют включения, структурные дефекты). В результате этой неоднородности в отдельных неблагоприятно ориентированных зёрнах (кристаллитах) при переменных напряжениях возникают сдвиги, границы которых со временем расширяются, переходят на другие зёрнаи, охватывая всё более широкую область, развиваются в усталостную трещину. Усталостная прочность материалов зависит от величины и характераизменения напряжения, от числа циклов нагружения.Конструкции РЭС, работающие в условиях механических воздействий, должны отвечать требованиям прочности и устойчивости.Согласно ГОСТ 16962-71 под прочностью (вибро-и ударопрочностью)к воздействию механических факторов подразумевается способность конструкций выполнять функции и сохранять значения параметров в пределахнормы, установленных стандартами, после воздействия механических факторов.Под устойчивостью (вибро-и ударопрочностью) к воздействию механических факторов понимают способность конструкций выполнять заданные функции и сохранять значения параметров в пределах нормы, установленных стандартами, во время воздействия механических факторов.5.2.

Расчёт показателей вибропрочности конструкции РЭС.Условиями обеспечения вибропрочности являются:- отсутствие в конструкции механических резонансов;- допустимые значения виброперегрузок в диапазоне частот внешнихвоздействий не должны превышать величины, определенные техническимзаданием на разработку конструкции РЭС.Первое условие выполняется, если частота свободных колебаний элементов конструкции лежит за пределами диапазона частот внешних воздействий. В виду того, что частота свободных колебанийωо=(k/m)1/2,где k - жесткость элемента конструкции, m - масса, то по соображени-ям снижения массы конструкции приемлемым является решение:ωо>ωв,где ωв - верхняя граница диапазона частот внешних воздействий.Связь между виброперегрузкой nв, частотой ω и амплитудой вибраций Z определяется выражением (5.2).

Если, исходя из допустимых напряжений, возникающих в материале элемента конструкции, положить огра45ничение на амплитуду вибраций, то получим предельное значение виброперегрузки.nв доп ≤ (ω2Zдоп)/g(5.3)Выразив виброперегрузку через виброскорость v, можно найти допустимое значение виброперегрузки при ограничении на виброскоростьnв доп ≤ ωvдоп/g. (5.4)Условие вибропрочности конструкции выполняется, еслиnв доп ≥ nв тз.Проверку неравенств (5.3) и (5.4) целесообразно проводить или нанижней частоте вынужденных колебаний или на резонансной частоте, гдеамплитуда вибраций и виброскорость достигают больших значений. Так,например, при низкочастотных вибрациях (f=5...50 Гц) при nв=4 амплитудавибраций лежит в пределах 40...0.4 мм, изгибные деформации могут вызвать разрушение элемента конструкции.

На частоте вибраций 1000 Гц припрежнем значении виброперегрузки амплитуда вибраций Z=1 мкм. Однаковследствие большого числа циклов колебаний могут возникнуть усталостные явления в материале.5.3. Расчет частоты свободных колебаний функциональных узловФункциональные узлы РЭС представляют собой планарные конструкции. Поэтому основной расчетной моделью узлов является прямоугольнаяпластина при определенном закреплении сторон.Расчет частоты свободных колебаний прямоугольных пластин производится на основе следующих допущений:- изгибные деформации пластины при вибрации по сравнению с еетолщиной малы, упругие деформации подчиняются закону Гука,- пластина имеет постоянную толщину, нейтральный слой пластиныне подвержен деформациям растяжения - сжатия,- материал пластины идеально упругий, однородный и изотропный,- все прямые, нормальные к поверхности нейтрального слоя до деформации, остаются прямыми и нормальными к ней после деформации.Дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебанийпластины имеет вид:m(д2z/ дt2)+D[(д4z/дx4)+2(д4z/дx2дy2) +(д4z/дy4)] =0 (5.5)где z=z(x,y,t) - виброперемещение пластины, определяемое в точке скоординатами x, y; m - масса пластины.D=Eh3/12(1-ε2)56- жесткость пластины на изгиб (цилиндрическая жесткость), E, ε - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала, h толщина пластины.Точное решение уравнения (5.5) получено для свободных колебанийпрямоугольных однородных пластин, две противоположные стороны которых свободно опираются, при любом закреплении двух других сторон.В случае свободного опирания всех сторон, частота свободных колебаний пластины может быть найдена по формулеωо=π2[(i/a)2+(j/b)2](D/ρh)1/2,где i, j - число полуволн синусоиды, укладывающихся вдоль сторонпластины, a, b - размеры сторон, ρ - плотность материала пластины.Реальные конструкции функциональных узлов, проводимые к расчетным моделям пластины, по основным параметрам не соответствуют требованиям однородной пластины, а разновидность внутренних структур конструкций РЭС ведет к многообразию краевых условий пластины.

Поэтомудля расчета частоты свободных колебаний функциональных узлов, как правило, используются соотношения, полученные в результате приближенногорешения уравнения (5.5) по методу Рэлея или по методу Ритца.Согласно методу Рэлея частота свободных колебаний wо определяетсяв результате сопоставления выражений для кинетической и потенциальнойэнергий колебаний системы. Метод позволяет учесть нагружение платыфункционального узла установленными на ней элементами и получить соотношение расчета частоты свободных колебаний пластины, справедливоедля любых краевых условий. Формула Рэлея, позволяющая найти частотусвободных колебаний основного тона нагруженной пластины, имеет вид:ω01=α1/a2[D/(mэ+mо)]1/2, (5.6)где α1 - коэффициент, характеризующий зависимость частоты свободных колебаний пластины от краевых условий, a - большая сторона пластины, mэ, mо - приведенные к площади пластины массы элементов и самой пластины.Значение коэффициента α1 вычисляется через отношение сторон пластиныβ=a/b.Формулы для расчета α1 табулированы.