3. Тема 2. Обеспечение точности и надежности изготовления аппаратуры сау

3.1. Защита сау ла от механических воздействий

Механические воздействия представляют серьезную опасность, главным образом, для транспортируемых САУ ЛА. По степени стойкости к механическим воздействиям САУ ЛА подразделяют на вибро- и (или) ударопрочные и вибро- и (или) ударостойкие. В первом случае САУ ЛА должные выдерживать механические воздействия (в заданном диапазоне частот и ускорений) в неработающем (выключенном) состоянии, а после включения – нормально работать. Во втором случае САУ ЛА должны исправно функционировать при тех или иных заданных механических воздействиях. Считается, что из всех видов механических воздействий вибрации чаще других являются причиной отказов транспортируемых САУ ЛА. Поэтому для таких САУ ЛА проводят анализ устойчивости конструкции к действию вибрационных нагрузок, характеристики которых указаны в ТЗ. В основе такого анализа лежит представление конструкции САУ ЛА в виде колебательной системы. Сущность такого подхода рассмотрим на примере воздействия вибраций на плату, закрепленную с двух сторон (рис.3.1).

Рис.3.1. Колебания платы под воздействием вибраций

Под действием распределенной массы m точка О отклонится от горизонтали на величину Z_СТ = mg/k, где k– жесткость платы.

Если кратковременно воздействовать на точку О (например, опустить ее вниз), то под действием инерционных и упругих сил возникнет колебательное движение, совершаемое без воздействия внешних сил. Такие колебания называются свободными (собственными) и характеризуются частотой (без учета демпфирования)

ω₀ = .

Вследствие демпфирования (т.е. поглощения механических колебаний за счет трения волокон в материале платы) колебания будут затухающими. Эквивалентная схема колебательной системы, состоящая из инерционного элемента массой m, спиральной пружины жесткостью k и демпфера с коэффициентом демпфирования r приведена на рис. 3.2. Для простоты будем считать, что вибрации воздействуют на плату от внешнего источника через узлы крепления в направлении оси Z . Амплитуду внешних воздействий

о

Рис.3.2. Схема простой колебательной системы с одной степенью свободы

бозначим как А_В, а частоту - ω_В . В системе с одной степенью свободы внешней силе F(t) в каждый момент времени будут противодействовать силы инерции массы F_m, жесткости F_k и демпфирования F_r:

F(t) = F_m + F_r + F_k, (3.1)

F_m = m , F_r = r F_k = k z.

Внешнюю силу обычно представляют как F(t) = F₀sin ω_Вt

В установившемся режиме под воздействием внешней гармонической силы все точки конструкции совершают в направлении оси Z вынужденные колебания с частотой внешних воздействий – ω_В. Для определения амплитуды точки О (А₀) при вынужденных колебаниях необходимо решить уравнение (3.1). На рис. 3.3 приведены примерные решения уравнения (3.1) в виде графиков, показывающих зависимость отношения амплитуд А₀ /А_В и отношения частот ω_В /ω₀ при различных значениях коэффициента относительного затухания D, определяемого как

D = .

Рис.3.3. Графики зависимости отношений А0/АВ и ωВ /ω0 при различных значениях D: D = 0 (1) ; D = 0,01 (2); D = 0,1 (3); D = 0,5 (4)

Из графиков следует, что при ω_В ≈ ω₀ амплитуда А₀ может во много раз превышать А_{В .} Это явление называют механическим резонансом.

Чрезмерное возрастание амплитуды А_о может привести к отрыву навесных компонентов, соударению соседних плат и другим дефектам.

Как следует из графиков, уменьшить амплитуду А_о можно следующими путями:

- уменьшить ω₀;

- уменьшить A_В;

- увеличить ω₀;

- увеличить D.

Первый путь обычно малопреемлем, так как ведет к снижению жесткости платы, а остальные три широко используются.

Если между источником вибраций и САУ ЛА установить виброизоляторы (прежнее название – амортизаторы), то можно аналогичные графики построить для определения амплитуды опорных точек N (при условии жесткости корпуса). Из графиков следует, что если выбрать виброизоляторы с собственной частотой много меньше ω_В, то амплитуда колебаний точки N будет меньше А_В. Применяемые схемы установки САУ ЛА на виброизоляторы показаны на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схемы установки САУ ЛА на виброизоляторы

Увеличение ω₀ добиваются повышением жесткости конструкций (изменением материала, увеличением толщины, введением ребер жесткости и т.д.).

Методы, направленные на преимущественное увеличение показателя D (без существенного изменения жесткости), называют демпфированием. Примеры демпфирования приведены на рис. 3.5 и 3.6.

Рис. 3.5. Заливка вибропоглощающим пенополиуретаном: 1,2 – ЭРЭ; 3 – пенополиуретан; 4 – плата	Рис. 3.6. Демпфирование плат: 1 – конструкционный материал; 2 – вибропоглощающий материал

В качестве демпфирующих материалов обычно используют полимеры, способные рассеивать большое количество энергии при растяжении, изгибе или сдвиге за счет упругих свойств.

Каждый из рассмотренных способов имеет свои относительные достоинства и недостатки. Так например, виброизоляторы обычно имеют одну степень свободы, их применение может отрицательно сказываться на массо – габаритных характеристиках, заливка - ухудшает теплоотвод от залитых элементов, усложняет ремонт, свойства многих полимеров зависят от температуры, радиации и т.д.

В общем случае колебательная система обладает не одной (как было рассмотрено), а - шестью степенями свободы (три для линейных перемещений и три – для угловых). Тогда уравнение (3.1) примет вид

M(t) = M_m + M_r + M_k,

где M_m – матрица коэффициентов инерции (масс); M_r - матрица коэффициентов демпфирования; M_k - матрица сил упругости; M(t) - n-мерный вектор-столбец обобщенных возмущающих сил.

Для защиты от ударных воздействий могут также применяться амортизаторы. Но, в отличие от вибрационных нагрузок, в этом случае преимущественно применяют высокочастотные амортизаторы. Основной способ защиты от ударов, как и от линейных ускорений – повышение прочности конструкции.