4. Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции достигается усилием конструктивной основы: контроля болтовых соединений, повышение прочности узлов методами заливки и обволакивания. Во всех случаях нельзя допустить образование механической колебательной системы.

При расчете частот собственных колебаний конструкцию радиоэлектронного средства условно заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны аналитические зависимости. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема возможно ближе соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы.

Собственная частота поверхностно монтируемых элементов мало отличается от частоты платы, поэтому проведем расчет частоты колебаний самой крупногабаритной детали со штыревыми выводами разрабатываемого устройства – микросхема DA4. При расчете частоты собственных колебаний элемента его представляют в виде консольной конструкции. [13]

Значение частот собственных колебаний электро-радиоэлементов, приводимых к балочным моделям рассчитывается по формуле:

(4.24)

где Е – модуль упругости материала выводов, E = 10·10¹⁰ Н·м²;

–момент инерции сечения выводов ЭРЭ;

m – масса ЭРЭ, m=0,001 кг.

l – длинна вывода ЭРЭ (l=5 мм);

d – диаметр вывода ЭРЭ(d=0,5 мм).

Момент инерции сечения выводов ЭРЭ равен

Собственная частота колебаний элемента будет равна:

При закреплении плат по углам в четырёх точках собственную частоту определяют по формуле:

(4.25)

где - цилиндрическая жесткость платы, Н/м;

– распределенная по площади масса платы и элементов, размещенных на плате.

Е - модуль упругости материала платы, E = 3,3·10¹⁰ Н·м²;

h - толщина платы, h = 1,5·10^-3м;

m - масса платы с ЭРЭ, m=36 г.

a - длина платы, a=0,055 м;

b - ширина платы, b =0,090 м;

γ - коэффициент Пуассона.

Цилиндрическая жесткость платы равна:

(4.26)

Распределенная по площади масса платы и элементов, размещенных на плате:

(6.27)

Собственная частота колебаний платы будет равна:

Собственная частота не попадает в диапазон внешних частот колебаний 35…65 Гц, выбранной толщины печатной платы будет достаточно..

5. Полный расчет надежности

При ориентировочном расчете учет электрического режима и условий эксплуатации элементов выполняется приближенно, с помощью обобщенных эксплуатационных коэффициентов.

Ориентировочный расчет выполняется на начальных стадиях проектирования РЭУ, когда еще не выбраны типы и эксплуатационные характеристики элементов, не спроектирована конструкция и отсутствуют результаты конструкторских расчетов.

Ориентировочный расчет производится для периода нормальной эксплуатации РЭУ (для периода, когда общая интенсивность отказа устройства примерно постоянна во времени).[13]

При ориентировочном расчете пользуются допущениями:

– отказы элементов случайны и независимы;

– для элементов РЭУ справедлив экспоненциальный закон надежности;

– принимаются во внимание только внезапные отказы

– учитываются только элементы электрической схемы, а также монтажные соединения, если вид соединения заранее определен;

– учет электрического режима и условий эксплуатации элементов выполняется приближенно.

Формируем группы однотипных элементов и по справочным данным определяем среднегрупповое значение интенсивности отказов.

Данные об интенсивности отказов представлены в таблице 4.3. Учитывается также и количество функциональных узлов.

Число паек определяется как суммарное число выводов элементов и внешних выводов каскада. В данном случае пайки рассматриваются как элементы.

Таблица 4.3 – Данные для ориентировочного расчета

Группа элементов	Количество элементов в i-й группе	Интенсивность отказов для элементов i-й группы , ×1/ч	Произведение , ×1/ч
Преобразователь ультразвуковой УМ-1	2	0,23	0,46
Конденсатор керамический	8	0,022	0,176
Конденсатор электролитический	4	0,173	0,692
Микросхема аналоговая	6	0,028	0,168
Микросхема цифровая	4	0,017	0,068
Резисторы	32	0,044	1,408
Вилка штыревая	1	0,0041	0,0041
Светодиоды	1	0,03	0,03
Соединители	2	0,0041	0,0082
Диоды	2	0,091	0,182
Пайка	103	0,000017	0,001751
∑	-	-	3,198051

С помощью обобщенного эксплуатационного коэффициента, найденного по справочным таблицам для лабораторных условий, скорректируем величину , учтя тем самым приближенно электрический режим и условия работы элементов. Согласно справочным данным=1,07 (наземные стационарные условия). Тогда:

(4.28)

По общепринятым формулам для экспоненциального закона надежности подсчитываем другие показатели надежности:

а) наработка на отказ:

(4.29)

б) вероятность безотказной работы за время :

(4.30)

в) гамма-процентная наработка до отказа (при γ=0,99):

(4.31)

Как видно из проведенных расчетов видно, проектируемое устройство способно безотказно работать на протяжении долгого периода времени, о чем говорит высокий показатель надежности (P(t_з)=0,97 за времени 10000 ч).