Учебное пособие 800549
.pdf
щено от коррозии и должно обеспечивать надежность фиксации всей конструкции во всем диапазоне действующих нагрузок и вибраций в процессе эксплуатации.
Для предотвращения царапин на поверхности от магнитного основания на магнит приклеивается защитная резиновая прокладка или ткань [1]. Правильный расчет конструкции магнитного основания позволяет использовать антенну на скорости до 110км/ч. При необходимости можно увеличить мощность магнитов основания.
Рис. 1. Магнитное основание
На рис. 1 изображено магнитное основание с крепление на кузов с помощью трех магнитов, каждый магнит защищен резиновой накладкой, что позволяет его защитить от коррозии (рис. 2). Самыми нагруженными элементами магнитного основания являются места закрепления магнитных ножек [2].
Рис. 2. Магнитные ножки основания, защищенные резиновыми накладками
81
Излучатель крепиться на антенну с помощью разъёмов для коаксиальных кабелей, данный узел тоже является нагруженным местом в конструкции (рис. 3, а).
Штырь может изготавливаться из стального стержня и обязательно должен иметь защитное покрытие. Вид покрытия может быть различным. Применяют как гальванические покрытия, так и опрессовку резиной или пластмассой.
Корпус аттенюатора изготавливается из разных материалов, это может быть пластик, или металл самое главное, чтобы он отвечал эксплуатационным характеристикам.
Для снижения нагрузок с остальных элементов, часто для автомобильных антенн применяются, пружины (рис. 3, б). Они снимают часть колебаний и не позволяют конструкции входить в резонанс. Пружины изготавливаться из специальных пружинных стальных проволок (ГОСТ 9389-75). Так же нужно не забывать, что блок пружинный требует защиты от коррозии для этого можно покрыть сталь гальваническим никелевым покрытием или сразу выбрать проволоку из нержавеющих металлов.
а) б)
Рис. 3. Конструктивные варианты автомобильных антенн:
а) антенна с излучателем на магнитном основании; б) антенна с пружинным блоком
82
Для оценки прочностных свойств конструкций автомобильных антенн могут использоваться математические модели, применяемые для аналитического расчета.
Испытание на прочность или устойчивость к синусоидальной вибрации является одним из самых распространенных механических испытаний для антенн [3,4]. Зависимость перемещения платформы вибростенда с закрепленной на ней антенной конструкцией от времени выражается формулой
S = −S sin2πft , |
(1) |
где S и S a- мгновенное значение и амплитуда перемещения платформы стенда, м,
f = - частота вибрации, Гц,
T - период вибрации, с. t - время, с.
Зависимость ускорения платформы вибростенда при таком движении описывается формулой
a = a sin2πft, |
(2) |
где a и a - мгновенное значение и амплитуда ускорения платформы стенда, м/с2.
На практике перемещение обычно измеряется в мм, а ускорение - в долях ускорения свободного падения. Связь амплитуды ускорения, амплитуды перемещения и частоты в этом случае имеет вид
G = |
|
= 0,004f X , |
(3) |
|
где g ≈10 м/с2 - ускорение свободного падения, G - амплитуда ускорения платформы стенда, g,
X0амплитуда перемещения платформы стенда, мм. Максимальная нагрузка на несущую деталь является
суммой статической нагрузки, равной весу антенны, и амплитуды вибрационной нагрузки
83
P = mg+μ ma , |
(4) |
Амплитуды перемещений точки зависят от амплитуды перемещения платформы вибростенда и частотного отношения
η = |
|
, где |
f |
- собственная частота колебаний системы «несу- |
|
|
|
щая деталь - антенна». Эта зависимость выражается формулами:
относительно точки B |
∆ = μ s |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
относительно точки A |
|
|
|
|
|
|
(5) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
= μ s |
, |
|
|
|
|
|
|
(6) |
|||||
Коэффициенты динамичности |
μ |
|
,μ |
,μ |
|
определяются |
||||||||||||||||
по формулам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
μ = |
|
|
|
|
|
,μ = |
|
|
|
|
|
,μ |
= |
|
|
|
|
|
|
|
, (7) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
( |
) |
|
|
|
( |
) |
|
|
|
( |
) |
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||
где Q - добротность механической системы.
Частота перехода: Частота вибрации, определяемая по
формуле |
, |
|
fп = |
(8) |
где fп- частота перехода,
a - амплитуда ускорения для частоты выше частоты пе-
рехода,
s - амплитуда перемещения для частоты ниже частоты перехода.
Аналитический расчет применим только для относительно простых конструкций так как занимают много времени у конструктора, так же они не применимы совместно с 3D моде-
84
лями конструкций, позволяющих наглядно показать участки с критической нагрузкой. Поэтому использование метода конечных элементов, как наиболее универсального, более практично и позволяет быстрее и легче рассчитать механические нагрузки без наличия опытного образца.
Средства Creo часто используются для определения механических характеристик конструкций РЭС разных уровней иерархии. В работе [5] представлена методика проектирования радиоэлектронных модулей первого уровня (платы), а в [6]модулей третьего уровня (шкафы, пульты, стойки).
Для проектирования антенных конструкций автомобильного базирования предлагается методика позволяющая значительно сократить количество доработок.
Методика представлена в виде алгоритма оптимального проектирования антенных конструкций путем исследования механических характеристик (рис. 4). Сущность предлагаемой методики заключается в том, что заранее производят исследование механических характеристик тестовых образцов конструкции антенн (кронштейнов, скоб, стержней и т.д.), изготовленных из различных материалов с применением разных технологий обработки. Затем создается база данных конструктивных решений, которой руководствуются при проведении моделирования у последующих конструкций. Таким образом, результаты испытаний, проходящие с тестовыми образцами, являются критерием оценки надежности антенн на механические воздействия.
85
Рис. 4. Алгоритм комплексного анализа механических характеристик антенных конструкции
86
Лабораторные испытания тестовых образцов подбираются согласно ГОСТ РВ20.39.304-98. Указанный документ, дает возможность подобрать испытания в зависимости от класса аппаратуры, от назначения и места установки на объект. По полученным данным проведения испытаний на воздействия механических факторов применяется ГОСТ РВ20.57.305-98 КСКК. Методика для проведения климатических испытаний описана в ГОСТ РВ20.57.307-98 КСКК. Указанные методики предусматривают комплекс испытаний внешних воздействующих факторов. Для ускоренного проведения испытаний в ГОСТ предусмотрены определенные методики. Так для ускорения испытаний на климатические воздействия повышается влажность, температура и концентрация вещества в среде которого происходят испытания, все необходимые закономерности указаны в приложении к ГОСТ РВ20.57.307-98 КСКК.
В блоке №1 ставятся условия по техническому заданию, выбираются механические воздействия, которым буде подвержена конструкция в процессе эксплуатации. Для этого устанавливается класс аппаратуры и место установки. Подбирается так же климатическое исполнение.
В блоке №3 собирается необходимая информация о конструкции антенны, материалах для проведения анализа на механическую надежность. Определяются нагрузки испытываемой конструкции как целиком, так и каждого узла отдельно, во внимание берутся материалы изготовляемых деталей. После чего находятся уязвимые места, которые вследствие нужно будет доработать.
Сведения о механических характеристиках и свойствах материала находятся в базе данных (блок №2). База постоянно актуализируется и сведения из нее поступают для дальнейшего проектирования.
Для выбора алгоритма, по которому пойдет процесс проектирования необходимо определить конфигурацию конструкции. Конструкция антенны, может быть простой и тогда достаточно аналитического метода. Если же сложная конструкция, применяется метод CAE анализа.
Для решения задачи аналитически способом применяться математические модели (блок № 5). В этом случае произво-
дят численное решение математических моделей с определени87
ем частоты колебаний антенны, предельных значений вибрации. Такой способ дает наибольшую точность, однако применим только к некоторым, простым конструкциям
Решения полученные аналитическим способом подвергаются проверке в блоке №6. По результатам проверки выбирается дальнейший путь проектирования.
Вслучае невозможности применения аналитического метода используется метод конечных элементов, как наиболее распространенный для инженерного анализа. Процедуры тестовых испытаний по ГОСТ РВ20.39.304-98 содержаться в блоке №8. Для данного метода необходима 3D модель антенной конструкции. Задаются требуемые параметры модели, для всех деталей конструкции. Выполняется одно из видов моделирования.
Вданном программном продукте возможно провести статический, модальный и динамический анализы. Результаты исследований могут отображаться в виде графиков и диаграмм, параметры которых задаются пользователем (блок №12). Модель с помощью программного продукта САЕ анализа, в нашем случае Сreo Parametric, разбивается на элементы. Затем составляется и решается система линейных уравнений, результаты визуализируются (блок № 11).
Результаты обрабатываться (блок №10) и заносятся в базу данных для дальнейшего их использования, для проектирования типовых антенных конструкций (блок № 13). Используя данную библиотеку, можно проверить результаты полученные в процессе проведения инженерного анализа (блок №14).
Если конструкция не прошла по каким-то из критериев, заложенных в техническом задании механической надежности, то конструкция антенны отправляется на доработку (блок №23).
Вблоке принимается выбор из трех направлений оптимизации конструкции:
блок № 24 изменение конструктивных элементов:
блок № 25 замена материалов;
блок № 26 изменение технологии.
После проведения конструкторских работ, цикл испытаний повторяется. Режимы подбираются исходя из конфигурации конструкции антенны и места крепления (блок № 27).
После завершения всех этапов проектирования, и создания модели, удовлетворяющей всем критериям по техническому
88
заданию, документация отправляться на производство (блок № 15) для создание опытного образца антенной конструкции (блок № 16). Теперь образец должен пройти типовые испытания в реальных условиях (блок № 18). Для этого устройство устанавливается на вибростенд, задаются режимы испытаний согласно ГОСТ РВ20.57.305-98 КСКК.
Если опытный образец антенны не проходит испытания, то он отправляется на модернизацию, и весь цикл типовых испытаний повторяется.
После успешного прохождения испытаний на механические воздействия, антенну помещают на климатические испытания (блок № 20). Использовать методику испытания по ГОСТ РВ20.57.307-98 КСКК в соответствии с климатическим исполнением антенны. По завершению следует еще один контроль качества, где проверяют соответствие антенны по требованиям технического задания (блоке № 21).
Последним этапом является сдача готовой документации (блок №22).
Предложенная методика позволяет усовершенствовать проектирование антенн, исключая ошибки в изготовлении опытных образцов и тем самым сокращая время и денежные затраты на проектирование. В случае, если моделирование показывает что нагрузки являются предельными для прочности материалов конструкций, детали отправляется на доработку пока результаты не будут приемлемыми.
Литература
1.Савицкий, Г.А. Расчет антенных сооружений (Физические основы) [Текст] / Савицкий Г.А – М. : Связь, 1978. - 152 с. : ил.
2.Савицкий, Г.А. Антенные устройства [Текст] / Г. А. Савицкий. - М. : Связь, 1961. - 480 с. : ил.
3.Диняева, Н.С. Конструирование механизмов антенн: Учебное пособие. [Текст] / Н.С. Диняева – М.: МАИ, 2002. – 340 с.
4.Савицкий, Г. А. Основы проектирования антенных конструкций [Текст] / Г. А. Савицкий. - М. : Связь, 1973. - 113 с.
:ил. - 0.36 р.
89
5.Лозовой И.А., Турецкий А.В. Методика анализа радиоэлектронных модулей на механическую прочность Радиотехника. 2013. № 3. С. 085-088.
6.Иевлев П.В., Муратов А.В., Слинчук С.А., Тураева Т.Л., Турецкий А.В. Оптимизация процессов проектирования радиоэлектронных модулей третьего уровня средствами CREO PARAMETRIC 3.0 Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 6. С. 96-103.
7.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2019. – С. 133.
Воронежский государственный технический университет
90