«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра: «Конструирование и производство радиоаппаратуры»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
«Описание реальной конструкции РЭС с точки зрения защиты данного РЭС от внешних воздействующих факторов». Влияние механических воздействий на конструкцию РЭС»
дисциплина: «Проектирование радиоэлектронных средств для жестких условий эксплуатации»
Выполнил студент: Богатырев А.А.
Принял: к.т.н., доцент Горячев Н.В.
Пенза, 2019
Содержание
Введение
1. Влияние механических воздействий на конструкцию РЭС
2. Основные понятия об ударе
3. Повышение жесткости конструкций
4. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов
5. Повышение прочности конструкций
6. Вибропрочность и ударопрочность
7. Моделирование РЭС
8. Описание реальной конструкции РЭС с точки зрения защиты данного РЭС от внешних воздействующих факторов
Заключение
Список литературных источников
Введение
Радиоэлектроника и вычислительная техника применяются практически везде, отраслях и производствах, для выполнения однотипных задач - сбора, обработки и выдачи информации, но условия использования в разных областях могут быть неодинаковыми. Поэтому при изготовлении аппаратуры на различных предприятиях, складываются определённые решения в изготовлении конструкций. Типичные конструкции неоднократно испытаны, проверены временем и практикой, и нет сомнений в их высокой надежности. На основе данных конструкций созданы соответствующие стандарты и отступление от них рассматривается как нарушение закона.
Для различных сфер применения аппаратуры, новых условий эксплуатации и требований заказчиков, требуется пересмотреть сложившиеся приёмы конструирования в разработке принципиально новых конструкций.
Защита радиоэлектронных средств от ударных нагрузок сводится к выбору материалов, ударопрочной конструкции и использованию элементов защиты. При разработке ударопрочных радиоэлектронных средств, большое значение имеет их пластичность, причём повышенная пластичность конструкции характеризуются большей ударопрочностью. Не пластичные материалы разрушаются при незначительных деформациях, и их применение в составе ударопрочной аппаратуры нужно ограничивать.
В результате необходимо прибегать к совершенно новым способам защиты электронных средств от ударов и вибраций, возможно внедрение новых конструктивных решений.
1. Влияние механических воздействий на конструкцию РЭС
радиоэлектронный средство конструкция демпфер
В процессе эксплуатации радиоэлектронные средства (РЭС) подвергаются механическим воздействиям (МВ). Источниками МВ являются: окружающая среда, силовые установки объекта, двигатели машин с неуравновешенными вращающимися
z(t) = Z sinщt,
где z(t) - виброперемещение основания, м;
Z - амплитуда виброперемещения, м;
щ -круговая частота, 1/c.
Последовательно дифференцируя это выражение, определим виброскорость
v(t) = ї (t) = щ Z cos щt,
и виброускорение
a(t) = zЁ(t) = - щІ Z sin щt.
Амплитуды виброперемещения Z, виброскорости щZ, виброускорения щІZ и круговая частота колебаний щ являются главными характеристиками гармонической вибрации. Гармоническую вибрацию, часто характеризуют вибрационной перегрузкой
n = |a| / g = щІ Z / g ? 4 Z fІ,
где f - частота вибраций, Гц.
Помимо вибрации, конструкции ЭС подвергаются различным 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 1.
Рисунок 1 - Типовые формы ударных импульсов
Периодические ударные импульсы блок ЭС на упругих опорах переходят в колебательное движение. Поэтому возникает необходимость его защиты от вибраций.
Для бортовых и ракетных РЭС свойственны акустические воздействия, 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 не однотипные и решаются в индивидуальном порядке.
В результате механических воздействий в элементах конструкций РЭС происходят обратимые и необратимые изменения.
Обратимые изменения характерны для электронных радиоэлементов и приводят к ухудшению качества функционирования аппаратуры. Это связано с деформациями в конструкциях электронных радиоэлементов, приводящих к изменению их параметров (конденсаторы, кварцевые резонаторы, полупроводниковые приборы, и др.), нарушению разъёмных и неразъёмных контактов.
Необратимые изменения (разрушения) свойственны конструктивным элементам РЭС. Они происходят при превышении в этих элементах допустимых граничных значений ускорений, перемещений и напряжений. В первую очередь к разрушению склонны элементы, которые были заранее перегружены при монтаже.
К разрушениям, вследствие усталости радиоэлементов приводят вибрационные воздействия в выводах электронных радиоэлементов и возникают знакопеременные механические напряжения.
По статистическим данным на МВ приходится от 30 до 50 процентов отказов бортовых РЭС, причем, из них 80 процентов 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.
2. Основные понятия об ударе
Ударом твердых тел друг о друга называют конечные изменения количества движения твердых тел, которые происходят за малый промежуток времени.
Во время удара происходит конечное изменение скорости v, и следовательно количество движения mv за очень малый промежуток времени, который называется длительностью импульса ф. Импульс силы (ударная сила) определяется величиной силы взаимодействия тел за время их соударения
где F(t) - мгновенное значение силы, действующей при ударе.
Ударный процесс характеризуют: импульс силы, длительность импульса, коэффициент восстановления скорости и форма ударного импульса. Различают следующие ударные импульсы:
простые (скоростной удар, вызываемый изменением ускорения, скорости, смещения);
сложной формы (импульсы, которые могут быть представлены энергетическим спектром удара).
3. Повышение жесткости конструкций
Предположим, что проверить конструкцию на низкочастотной вибрации при помощи эксперимента. Частотный диапазон выдаваемый источником вибрации fн…fв входит в пределы до 200…300 Гц, и более высокочастотных воздействий на конструкцию нет. Далее предположим, что нижняя резонансная частота конструкции f1 входит в интервал fн< f1<fв. От сюда следует, что возникновение резонанса неизбежно на частоте f1, это явление и вызывает отказы (сбои). В данном случае можно прибегнуть к общему решению, это попытаться повысить нижнюю резонансную частоту конструкции так, чтобы выполнялось условие f1>fв. Тогда в диапазоне fн…fв резонансов не будет. Повысить резонансные частоты конструкции можно двумя путями: уменьшение массы деталей, или увеличение жесткости упругих звеньев несущих конструкций.
Формула для резонансной частоты блока на амортизаторах:
показывает, чтобы уменьшить массу вдвое необходимо повысить резонансную частоту, либо увеличить жесткость в 4 раза. Данная зависимость справедлива только для пружинного маятника. Но её можно применить, и для сложных конструкций.
Всегда не будет лишним и уменьшение массы деталей, тем более такую возможность просто необходимо использовать. Но скорее всего вряд ли удастся уменьшить массу всех деталей в таком объеме. Для жесткости конструкции возможности более широкие. Далее разберем формулу:
где hz - толщина пластины.
За счет этого, с помощью увеличения толщины пластины можно повысить нижнюю резонансную частоту. К сожалению обратным эффектом от увеличения толщины пластины будет увеличение расхода материалов и массы изделия.
Увеличение жесткости крепления и уменьшение размеров платы даст ещё большую эффективность. Отрицательным эффектом данного метода является, уменьшение полезной площади для размещения навесных элементов. В результате есть только один путь повышения нижней резонансной частоты, это применение более жесткого крепления. Предельными случаями можно считать: шарнирное (мягкое) и жесткое (самое жесткое) закрепление по контуру. Между ними лежат крепления с помощью различного числа винтов или болтов, расположенных по контуру (рисунок 2).
Рисунок 2 - Изгиб пластины при шарнирном и жестком закреплениях
Если увеличение жесткости крепления по контуру даёт недостаточный эффект, то используют различные виды дополнительного крепления по площади пластины. Применяют дополнительное крепление винтами в различных точках вблизи центра (рис. 3) в зависимости от формы несущих конструкций.
Рисунок 3 - Дополнительное винтовое крепление в центре пластины.
Для увеличения жесткости вводят дополнительную арматуру (рисунок 3). Если рассчитывать арматуру относительно жёсткой пластиной, то вместо одной пластины нужно рассматривать четыре пластины меньшего размера. Этот прием повышает резонансные частоты в 4 раза. Фактически ребра жесткости и арматура имеют конечную жесткость, и эффективность данного метода снижается. В конечном итоге, за счёт дополнительных ребер, арматуры дальнейшее повышение жесткости пластинчатых конструкций даст отрицательный результат.
Рисунок 4 - Увеличение жесткости конструкции с помощью дополнительной аппаратуры: 1- пластина; 2 - дополнительная аппаратура
Считается, что если нижняя резонансная частота конструкции вдвое превышает верхнюю частоту внешних воздействий, f1>2fв, то это является гарантией предотвращения возникновения в конструкции резонансных явлений.
В противном случае, если опасность возникновения резонансных явлений остаётся, то повышение жесткости конструкции может привести к отрицательным результатам. Во избежание данной проблемы нужно, не повышать жесткость конструкции, а повысить её прочность.
4. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов
Если предположить, что блок это жесткое недеформируемое тело, то при фиксации его на амортизаторы получится колебательная система. В итоге она будет иметь шесть степеней свободы. С точки зрения внешних воздействий, обычно рассматривается степень свободы, которая наиболее опасна. Диапазон частот внешних возмущений оказывается выше щ0, если резонансная частота щ0 является низкой и не превышает 100 Гц. И только при условии:
работает защитное действие амортизатора. По сравнению амплитуда колебаний точек крепления амортизаторов к источнику вибрации с амплитудой колебаний блока уменьшается в k раз k=f/f0.
Аппаратура не является абсолютно жесткой, в конечном итоге со временем она сама деформируется при колебаниях на амортизаторах. На защитные свойства амортизаторов эта деформация не влияет, и следовательно имеет положительный эффект. Если более мягкий блок установить на амортизаторы, то резонансная частота f0 уменьшится. Конструкция на амортизаторах изменяет резонансные частоты самой конструкции и резонансные частоты становятся ниже.
Для повышения эффективности амортизаторов было спроектировано достаточно много различных конструкций:
Амортизаторы с дополнительными пружинами (рисунок 4). При увеличении амплитуды колебаний дополнительные пружины вступают в действие, они имеют меньшую длину, чем у основной пружины. В результате получается ступенчатая характеристика жесткости. Дополнительные пружины устанавливаться рядом и внутри основной пружины.
Рисунок 4 - Амортизаторы с дополнительными пружинами
Амортизаторы с коническими пружинами, с ростом растяжения и сжатия плавно изменяют жесткость (рис. 5). Наружные витки таких пружин имеют маленькую жёсткость и большой диаметр. При небольшом сжатии работают только большие витки, а при большем витки меньшего диаметра, они касаются нижней поверхности и начинают сжиматься. В первую очередь растягиваться витки меньшего диаметра, а затем большего. Жесткость плавно уменьшается в результате при растяжении.
Рисунок 5 - Амортизаторы с коническими пружинами
Проволочно-пружинные (сетчатые) амортизаторы (рисунок 6), создающиеся путем прессования упругого элемента из тонкой спирали. В качестве материала спирали используют тонкую проволоку из легированной стали. Во время растяжения, отдельные спирали вытягиваются в одном направлении. Ситуация однотипная такая, как и при деформации материалов с длинными волокнами (резины). В связи с этим материал упругого элемента сеточного амортизатора стали называть металлической резиной.