Оценка вибропрочности и виброустойчивости конструктивных элементов АРКТ

Механические нагрузки, которые испытывают изделия АРКТ, обусловлены динамическими воздействиями в виде колебаний и ударов.

Механические нагрузки, проявляющиеся в виде колебаний и ударов, воздействуют на АРКТ во время эксплуатации, изготовления, транспортирования и испытаний. При этом различают колебания и удары:

- обусловленные внешними воздействиями. Такими воздействиями могут быть испытательные нагрузки на вибростендах, колебания грунта и воздуха, колебания фундамента во время работы различных видов технологического оборудования; вибрации и толчки транспортных средств вследствии неровностей дорожного полотна; аварии во время эксплуатации (падения, опрокидывания);

- вызванные внутренними источниками, например, работой двигателей ВС, несбалансированностью вращающихся деталей, работой вблизи резонансных частот, связью подвижных деталей с неподвижными, неточностью изготовления, зазорами и т.п.

Различают два понятия: вибропрочность и виброустойчивость

Вибропрочность - способность изделий АРКТ работать в условиях воздействия вибрационных нагрузок.

Виброустойчивость - способность конструкции изделий АРКТ противостоять разрушающему воздействию вибрации и продолжать нормально работать после устранения вибрационных нагрузок.

Колебания элементов конструкции могут вызвать чрезмерные механические напряжения, влекущие за собой либо недопустимые деформации, либо разрушения. Элементы конструкции АРКТ характеризуются своими механическими резонансными частотами, меняющимися в широких пределах в зависимости от массы и жесткости закрепления элементов.

При разработке конструкции АРКТ необходимо обеспечить требуемую механическую жесткость и прочность ее элементов.

Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к величине деформации, вызванной этой силой.

Прочность конструкции – величина нагрузки, которую конструкция может выдержать без остаточной деформации или разрушения.

Повышение прочности конструкции связано с усилением ее конструктивной основы, т.е. применением соответствующих материалов, ребер жесткости, контровки болтовых соединений и т.д. Одним из путей повышения прочности элементов конструкции является применение различных методов заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать конструкцию монолитной при незначительном увеличении веса.

Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной системы – это касается печатных плат, панелей кожухов, экранов, монтажных проводов и других элементов конструкции АРКТ.

Внешние вибрационные нагрузки, воздействующие на АРКТ, вызывают внутренние механические нагрузки конструктивных элементов. Под полем нагрузок понимают механические нагрузки системы, вызванные колебаниями различных частот и амплитуд в процессе испытаний, транспортировки и эксплуатации. При этом нагрузка на конструктивный элемент значительно возрастает, если частота его возбуждений приближается к собственной частоте этого элемента. Поэтому конструктивные элементы следует подвергать испытаниям при плавном изменении частоты возбуждения.

При воздействии механических нагрузок на АРКТ происходит деформация и перемещение элементов конструкции и ЭРЭ. Если существует область пересечения частот спектра действующих механических нагрузок и частот собственных колебаний конструкции блока и его элементов, то это может привести к возникновению явления резонанса и быстрому разрушению конструкции АРКТ.

Возбуждающие колебания описываются гармоническими, периодическими и стохастическими функциями. При этом удароподобное возбуждение может иметь вид функции прямоугольной, полусинусоидальной, треугольной формы. Частота возбуждения (частоты вынужденных колебаний) и собственные частоты колебаний механических систем лежат в области от 0 до 10 Гц.

Таким образом, на этапе предварительной компановки и разработки конструкции блока необходимо обеспечить вибро - и ударопрочность изделия. При этом используют следующие критерии прочности:

1. Выполнение условия непересечения множества частот спектра действующих нагрузок и частот собственных колебаний конструкции блока и его элементов. Однако это условие еще не определяет прочность конструкции, так как, с одной стороны, при его невыполнении уровни виброускорений и виброперемещений могут быть еще недостаточными для возникновения отказа, а с другой стороны, при непересечении частот возникающие в системе перегрузки могут превышать допустимые значения.

2. Условие непревышения действующих на конструктивные элементы перегрузок допустимых уровней. Последние определяются типом ЭРЭ, используемыми материалами и т.д. Действующие ударные и виброускорения рассчитываются по методике, изложенной в (8).

3. Условие непревышения возникающих в системе перемещений допустимых уровней, которые, в свою очередь, определяются конструкцией блока, имеющимися зазорами в системе, например расстояниями между платами, а также допустимыми значениями прогиба листовых материалов. Методика расчета также изложена в (8).

В случае невыполнения приведенных условий необходимо видоизменить конструкцию блока, найти способ защиты его от механических воздействий. При этом нецелесообразно делать элементы конструкции настолько прочными, чтобы они выдерживали максимальные динамические нагрузки, так как это приводит к значительному увеличению массы. В свою очередь, увеличение массы приводит к снижению частоты собственных колебаний элемента конструкции, а вследствии этого к неизбежному возрастанию динамических перегрузок.

Способы обеспечения вибро- и ударопрочности изделия можно разделить на три группы:

1. Смещение спектра частот собственных колебаний в более высокочастотную область.

Увеличить значение частоты собственных колебаний можно, уменьшив массу блока или увеличив жесткость конструкции. Масса блока определяется главным образом элементной базой, которая задает косвенным образом габариты несущих конструкций. Поэтому существенное снижение массы достаточно сложно осуществить.

Наиболее распространены методы повышения жесткости конструкции за счет изменения способов крепления плат, уменьшения площади плат, а также применения ребер жесткости. Методы эффективны, если диапазон частот действующей вибрации не превышает 400-500 Гц. Следует также учитывать, что действующие на блок механические нагрузки могут иметь различные значения по разным направлениям в пространстве.

Поэтому элементы конструкции должны быть расположены так, чтобы в направлении максимальных действующих нагрузок жесткость элементов конструкции была максимальная.

2. Повышение демпфирующих свойств конструкции, т.е. увеличение рассеяния энергии колебаний вследствие трения в элементах конструкции и внутреннего трения в материалах.

Улучшение демпфирующих свойств конструкции достигается включением в конструкцию печатных плат специальных демпфирующих покрытий из вибропоглощающих материалов, внутреннее трение которых в десятки и сотни раз больше, чем у стеклотекстолита. При этом резонансные колебания могут быть снижены в широком диапазоне частот при незначительном увеличении массы и габаритов конструкции.

Конструкция плат с демпфирующими слоями бывают двух типов:

- с внешним демпфирующем слоем;

- с внутренним демпфирующем слоем.

В конструкциях с внешним слоем основным типом деформации является растяжение-сжатие демпфирующего слоя, а в конструкциях с внутренним слоем – сдвиг. Применение демпфирующего слоя в несколько десятых долей миллиметра в конструкциях с внутренним слоем позволяет уменьшить амплитуду резонансных колебаний в несколько раз. В конструкциях с внешним слоем такой же эффект наблюдается, когда толщина демпфирующего слоя в 5-10 раз превышает толщину несущего слоя.

3. Смещение частоты собственных колебаний конструкции в область ниже частоты внутренних колебаний с помощью виброизоляции.

Виброизоляция осуществляется с помощью амортизаторов, а также за счет применения упругих прокладок. Основным способом виброизоляции АРКТ является установка ее на амортизаторы. Амортизаторы подразделяются на низко-, средне -, и высокочастотные. Низкочастотные амортизаторы виброизолируют частоты в диапазоне

5-600 Гц, среднечастотные – в диапазоне 15-600 Гц и высокочастотные - в диапазоне

35-2000 Гц.

На этапе предварительной компоновки конструкции блока в случае необходимости производят выбор типа амортизаторов и схемы их размещения.

Подробнее вопросы расчета и выбора амортизаторов рассмотрены в (8).