Обеспечение вибропрочности конструкций.

При решении задач повышения прочности элементов конструкции в условиях воздействия механических факторов следует задавать геометрические параметры элементов с учетом коэффициента запаса усталостной прочности n_r.

В процессе эксплуатации детали работают в условиях асимметричного цикла нагружения и коэффициент запаса усталостной прочности может быть определен из выражения

где

- коэффициенты концентрации напряжения и масштабного фактора;

b - коэффициент качества поверхности;

- угловой коэффициент, определяющий наклон диаграммы предельных амплитуд; характеризует чувствительность материала к асимметрии цикла.

При эксплуатации аппаратуры на подвижных объектах работа состоит из отдельных этапов различных по времени и уровню механических воздействий. В этом случае вводят понятие повреждаемости конструкции, которая накапливается по мере повторения этапов нагружения. Степенью повреждаемости S называют отношение числа h_I циклов при заданной амплитуде напряжений s_ai к числу циклов N_i, которое может выдержать деталь без разрушения.

За определенный период эксплуатации степень повреждаемости может определяться суммой

В этом случае коэффициент запаса определяется по формуле:

где N_d - базовое число циклов;

l - число периодов эксплуатации;

- расчетное значение степени повреждаемости;

s_-1Д – предел выносливости детали.

Если в спектре напряжений амплитуды близки друг к другу, то S_r » 1; если наблюдаются значительные всплески (удары), то S_r = (0,1…0,2).

Из решения уравнения (****) собственная частота колебаний пластины

где i, f – число волн синусоиды в направлении оси х,у;

a,b – размеры сторон пластины.

Ранее отмечалось, что для увеличения вибростойкости аппаратуры необходимо смещать спектр собственных частот колебаний в более высокочастотную область. Основным путем реализации указанного приема является повышение жесткости элементов конструкции РЭА. Из анализа формулы для w₀ следует, что влиять на спектр собственных частот колебаний возможно изменением: геометрических размеров плат, способов их крепления, материала, конфигурации и массы конструкции.

Основы теории надежности. Методы оценки показателей надежности рэа. Основные определения теории надежности.

Основными показателями теории надежности являются понятия «надежность» и «отказ».

Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения может включать безотказность работы, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или сочетания этих свойств.

Многие понятия и определения теории надежности базируются на таких понятиях, как работоспособность и безотказность.

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или наработки.

Под работоспособным состоянием (работоспособность) понимают состояние изделия, при котором оно способно выполнять предписанные ему функции, имея значения выходных параметров в пределах норм, оговоренных в технической документации.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризирующих способность изделия выполнять требуемые функции, в течении и после хранения и транспортирования. С точки зрения восстановления различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые изделия. Восстанавливаемые изделия в случае возникновения отказа подвергаются ремонту и далее могут использоваться по назначению. Невосстанавливаемые изделия не подлежат, либо не поддаются ремонту по техническим или экономическим соображениям.

В теории надежности различают надежность устройств и надежность входящих в него элементов. Устройства обычно являются изделиями восстанавливаемыми, а элементы – изделия невосстанавливаемые.

Под отказом понимают полную или частичную потерю изделием работоспособности вследствие ухода одного или нескольких параметров изделия за пределы установленных норм. По своей физической природе отказ - событие случайное. Случайной величиной, описывающей отказ, является наработка до отказа.

Под наработкой в общем случае понимают продолжительность работы изделия, выраженную в часах, циклах переключения или др. единицах в зависимости от вида и функционального назначения изделия. Если изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включается только периоды работы изделия.

Под наработкой до отказа понимают наработку изделия от момента вступления в работу до возникновения первого отказа.

В теории и практике надежности РЭА используется следующая схема классификации отказов РЭА и ее элементов:

Классификационный признак	Вид отказа
Характер возникновения отказа	Внезапный (мгновенный) Постоянный (параметрический)
Время существования отказа	Постоянный. Временный. Перемежающийся (временные отказы, следующие один за другим)
Характер появления отказа	Явный. Неявный.
Зависимость отказов между собой.	Зависимый. Независимый.
Причина возникновения отказа	Конструктивный. Производственный. Эксплуатационный. Детрадиционный.

Внезапный отказ – отказ, характеризующийся скачкообразым изменением значения одного или нескольких параметров изделия (не может быть предсказан контролем или диагностированием)

Постепенный отказ – отказ возникающий в результате постепенного (обычно непрерывного и монотонного) изменения значения одного или нескольких параметров изделия.

Сбой (временный отказ) – самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ – многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Явный отказ – обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами диагностирования при подготовке объекта к применению и в процессе его эксплуатации.

Скрытый отказ (неявный) – не обнаруживаемый визуально или штатными методами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.

Независимый отказ – не обусловлен другими отказами.

Зависимый отказ – обусловлен другими отказами.

Конструктивный отказ – возникает по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных норм и правил проектирования.

Производственный отказ – связан с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта.

Эксплуатационный отказ – возникает по причине нарушения установленных правил и условий эксплуатации.

Детрадиционныый отказ – обусловлен естественным процессом старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Причины отказов:

1) ошибки проектирования РЭА дают 40-50% всех отказов (недостатки электрических схем – 30%, механической конструкции – 10%, неправильный выбор элементов – 10%, неправильный выбор режимов работы элементов – 10%);

2) ошибки производства РЭА дают 30-40% всех отказов (плохая механическая сборка – 15%, дефекты монтажа – 25%, другие технологические операции -10%);

3) на долю ошибок оператора приходится 20-30% всех отказов РЭА.

Модели законов распределения времени до отказа.

По своей физической сущности отказы элементов и устройств являются событиями случайными. Поэтому для количественного описания отказов и вообще показателей надежности применяют приемы теории вероятности.

Из анализа отказов следует, что случайной величиной, описывающей отказы, является время до отказа, т.е. наработка до отказа.

На практике установлено, что время до отказа или время безотказной работы может описываться следующими моделями законов распределения: 1) экспоненциальной; 2) моделью Вейбулла; 3) нормальной; 4) логарифмической нормальной.

Для экспоненциальной модели плотность распределения времени до отказа описывается выражением:

, (1)

где - параметр модели (распределения).

На практике часто употребляют термин “экспоненциальных зон надежности”, имея в виду, что время до отказа распределено по экспоненциальной модели.

Для модели Вейбулла плотность распределения времени до отказа описывается выражением:

(2)

Параметр - называется параметром формулы.

При имеет место чисто экспоненциальный закон распределения (частный случай модели Вейбулла). При распределение Вейбулла приближается к нормальному распределению.

При нормальной модели плотность распределения времени до отказа описывается выражением:

(3)

где - параметры модели распределения

здесь - среднее время безотказной работы;

- среднеквадратичное отклонение времени безотказной работы.

В случае нормальной модели говорят об усеченном распределении, т.к. область отрицательных значений времени до отказа отбрасывают (отсекают), как не имеющую физического смысла.

Для логарифмически нормальной модели характерно то, что по нормальному закону распределено не время до отказа, а логарифм этого времени.

Проводя испытания элементов и устройств на надежность и фиксируя время до отказа каждого изделия, получим ряд значений случайной величины – времени до отказа. По общепринятым приемам математической статистики для времени до отказа строим гистограмму распределения и по ней воспроизводим вид функции .

Величины определяются по формуле:

; (4)

где N – общее число деталей;

– число изделий, отказавших на интервале времени ;

- ширина i-го временного интервала.

С увеличением количества испытанных изделий N и уменьшением ширины интервалов гистограмма будет приближаться к плоскости распределения .