1.2. Расчет вибропрочности и виброустойчивости конструкции электронных модулей

Механические нагрузки, которые испытывает аэрокосмическая аппаратура, обус­ловлены динамическими воздействиями в виде колебаний и ударов.

Механические нагрузки, проявляющиеся в виде колебаний и ударов, воздействуют на аэрокосмическую аппаратуру 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 вследствие неровностей дорожного полотна; аварии во время эксплуатации (падения, опрокидывания);

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

Различают два понятия: вибропрочность и виброустойчивость.

Вибропрочность - способность изделий работать в условиях воздействия вибрационных нагрузок.

Виброустойчивость - способность конструкции изделий про­тивостоять разрушающему действию 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 изделий ха­рактеризуются своими механическими резонансными частотами, ме­няющимися в широких пределах в зависимости от массы и жесткости закрепления элементов.

При разработке конструкции 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 изделий связано с усиле­нием их 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 частей конструкции изделий.

Внешние вибрационные нагрузки, воздействующие на аэрокосмическую аппаратуру, 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 возбуждения приближается к собственной частоте этого элемента. Поэтому конструктивные элементы следует подвергать испытаниям при плавном изменении частоты возбуждения.

Возбуждающие колебания описываются гармоническими, периодическими и стохастическими функциями. При этом удароподобное возбуждение может иметь вид функции прямоугольной, полусинусоидальной, треугольной формы. Частоты возбуждения (частоты вынужден­ных колебаний) и собственные частоты колебаний механических сис­тем лежат в области от 0 до 10⁴ Гц. В таблице 1.1 приведены характеристики механических воздействий для различных типов изделий. В таблице 1.2 приведены собственные частоты f₀ и добротность Q некоторых конструктивных элементов и узлов аэрокосмической аппаратуры [5,6]. Зна­ние этих параметров важно для расчетов, измерений и проверки параметров колебаний.

При воздействии механических нагрузок на изделия происхо­дит деформация и перемещение элементов конструкции и ИЭТ. Ана­лиз табл.1.1 и табл.1.2 показывает, что существует пересечение частот спектра действующих механических нагрузок и частот собственных колебаний конструкции блока и его элементов. Это может привести к возникновению явления резонанса и быстрому разруше­нию конструкции устройства [7,8] .

Таким образом, на этапе предварительной компоновки 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, а так же 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 ИЭТ, используемыми материалами и т.д. Действующие ударные и виброускорения рассчитываются по методике, изложенной ниже.

Таблица 1.1

Характеристики внешних воздействий
Типы изделий		Основные характеристики
		Вибрация		Удары
		Диапазон частот fн-fв, Гц	Виброуско-рение а, м/сек2	Длительность τи, мс	Ускоре-ние aи, ,м/сек2	Частота ω, Гц
Стационарные приборы и устройства, работающие в отапливаемых помещениях и на открытом воздухе		10-30	19,6
Передвижные приборы и устройства, установленные на транспорте	Автомобиль­ный Гусеничный	4 -80 3 -30	78,5 19,6	5 -10 5 -10	147 147	40 - 80 40 - 80
	Железнодо­рожный	2 -100	19,6	3 -10	392	40 - 80
Судовые приборы и устройства		4 -150	58-78	5 -10	147	40 - 80
Носимые и портативные приборы и устройства		10-70	10-37	5 -10	98	40 - 80
Самолетная аппаратура, работающая в штатных условиях		5 - 2000	1 -196	15	118
Самолетная аппаратура, работающая в аварийных условиях		10-70	19,6-35	5 -10	735
Ракетные приборы и устройства		0 -500	196	10 -12	981
Космические приборы и устройства		1,5 -2500	5 -60

Таблица 1.2