Понятие жесткости и механической прочности конструкции. При разработке конструкции рэа необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность ее элементов.

Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к деформации конструкции, вызванной этой силой. Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции РЭА связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер жесткости, контровки болтовых соединений и т. д. Особое значение имеет повышение прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначительном увеличении массы.

Конструкция как колебательная система. Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной системы. Это касается крепления монтажных проводов, микросхем, экранов и других частей, входящих в РЭА.

Основными параметрами любой конструкции с позиций реакции на механические воздействия являются масса, жесткость и механическое со­противление (демпфирование). При анализе влияния вибраций на конструк­ции модулей последние представляют в виде системы с сосредоточенными параметрами, в которой заданы масса изделия m, элемент жесткости в виде пружины и элемент механического сопротивления в виде демпфера, характеризующиеся параметрами k и r соответственно.

При необходимости построения более сложных моделей, например пластины с установленными на ней модулями, можно воспользоваться мо­делью, приведенной на рис. 6.1.1, и при достаточно большом числе ячеек полу­чить модель системы с распределенными параметрами.

Рис. 6.1.1.

Важнейшим показателем механической системы является чис­ло степеней свободы, определяющих положение системы в про­странстве в любой момент времени. Рассматриваемое число степеней свободы кон­струкции зависит от степени ее упрощения, т. е. модель должна в определенной степени отображать реальную конструкцию и быть достаточно простой для исследования.

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 Fr:

F(t) = F_m + F_r + F_k. (6.1.1)

F_m = m d²/dt², F_r = r d/dt, F_k = k .

где  смещение системы от положения равновесия под воздействием си­лы F(t).

Линейное дифференциальное уравнение, описывающее состояние системы в любой момент времени:

m d²/dt² + r d/dt + k F(t). (6.1.2)

Уравнение собственных колебаний системы можно получить, прирав­няв F(t) нулю, при этом получим (без учета начальной фазы):

_exp(-t) sin _ot

где _o - начальные амплитуда колебаний;  = г/(2m) - ко­эффициент демпфирования; _o = = 2f_o - собственная частота колебаний системы с демпфированием.

В реальных механических системах в каждом цикле колебаний проис­ходят потери энергии затухание колебаний.

Решение дифференциального уравнения вынужденных колебаний системы (при F(t) = F_m sin t)име­ет вид:

_exp(-r_ot) sin _ot + A_в sin t.

Первое слагаемое описывает собственные колебания сис­темы с частотой, второе - вынужденные колебания, где _ и A_в - амплитуда соответственно собственных и вынужденных колебаний. Когда частота собственных колебаний системы близка к частоте вы­нужденных, в колебательной системе возникает явление механического ре­зонанса, что может привести к повреждению конструкции.

Амортизация конструкции РЭА. Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции, как транспортируемой, так и стационарной, к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок - использование амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот, т. е. поглощении части колебательной энергии. Аппаратура, установленная на амортизаторах, в общем случае может быть представлена в виде механической колебательной системы с шестью степенями свободы: совокупностью связанных колебаний, состоящих из линейных перемещений, и вращательных колебаний по каждой из трех координатных осей.

Эффективность амортизации характеризуется коэффициентом динамичности или передачи, числовое значение которого зависит от отношения частоты действующих вибраций f к частоте амортизированной системы f_o.

При разработке схемы амортизации необходимо стремиться к тому, чтобы система имела минимальное число собственных частот и чтобы они были в 2-3 раза ниже наименьшей частоты возмущающей силы.

Для амортизированной аппаратуры следует как можно больше уменьшать собственную частоту, а для неамортизированной, напротив, увеличивать, приближая ее к верхней границе возмущающих воздействий или превышая ее.

Схемы размещения амортизаторов. Конструирование системы амортизации РЭА обычно начинается с выбора типа амортизаторов и схемы их размещения. Выбор амортизаторов производят исходя из допустимой нагрузки и предельных значений параметров, характеризующих условия эксплуатации. К таким параметрам относятся: температура окружающей среды, влажность, механические нагрузки, присутствие в атмосфере паров масла, дизельного топлива и т. д.

Рис. 6.1.2.

Выбор схемы расположения амортизаторов зависит главным образом от расположения аппаратуры на носителе и условий динамического воздействия. На рис. 6.1.2 представлены основные схемы расположения амортизаторов. Вариант 'а' довольно часто используется для амортизации сравнительно небольших по габаритам блоков. Такое расположение амортизаторов удобно с позиций общей компоновки блоков на объекте. Однако при этом расположении амортизаторов принципиально невозможно получить совпадение центра тяжести (ЦТ) с центром масс (ЦМ) и не получить рациональной системы. То же можно сказать про вариант размещения 'б'. Вариант размещения 'в' позволяет получить рациональную систему, однако такое расположение амортизаторов не всегда удобно при размещении на объекте. Размещение типа 'г' и 'д' является разновидностью варианта 'в' и используется в том случае, если лицевая панель блока размещается вблизи амортизатора, расположенного снизу. Размещение амортизаторов типа 'е' используется в стоечной аппаратуре, когда высота РЭА значительно больше глубины и ширины стойки. Чтобы ослабить колебания стойки вокруг осей х и у, ставят дополнительно два амортизатора сверху стойки.

Прочность конструктивных элементов. Механическую прочность элементов конструкции проверяют метода­ми сопротивления материалов и теории упругости для простейших конструкций с распреде­ленной и смешанной нагрузкой. В большинстве практических случаев кон­струкции деталей РЭА имеют более сложную конфигурацию, затрудняющую определение в них напряжений. При расчетах сложную деталь заменяют ее упрощенной моделью: балкой, пластиной, рамой.

К балкам относят тела призматической формы, длины которых значи­тельно превышают все прочие геометрические размеры конструкции. Кон­цы балок защемляются (сваркой, пайкой), опираются шарнирно-подвижно (установкой в направляющие) или шарнирно-неподвижно (одиночное винтовое соедине­ние). Пластинами считают тела прямоугольной формы, толщина которых мала по сравнению с размерами основания. К подобным конструкциям от­носят печатные платы, стенки кожухов приборов, стоек, панелей и прочих подобных конструкций. Жесткое закрепление края пластин осуществляется пайкой, сваркой, зажимом, винтовым соединением; шарнирное закрепление - установкой пластин в направляющие, гнездовой соединитель. Рамными конструкциями моделируются многовыводные компо­ненты: микросхемы, реле и пр.

При проектировании конструкции выполняют:

- проверочные расчеты, когда форма и размеры детали известны (вы­явлены при конструировании);

- проектные расчеты, когда размеры опасных сечений неизвестны и их определяют на основе выбранных допустимых напряжений;

- расчеты допускаемых нагрузок по известным опасным сечениям и допустимым напряжениям.

При проведении проверочных расчетов на упругие колебания с уче­том направления воздействия вибраций выделяют детали и узлы, имеющие наибольшие деформации, выбирают расчетные модели, рассчитывают соб­ственные частоты, определяют нагрузки и сравнивают полученные значения с пределами прочности выбранных материалов, при необходимости прини­мают решение о повышении прочности конструкции.

Для увеличения вибропрочности в конструкции отдельных элементов вводятся дополнительные крепления, ребра и рельефы жесткости, отбортовки, выдавки, используются материалы с высокими демпфирующими свойст­вами, демпфирующие покрытия.

Внешние вибрационные воздействия часто задаются довольно узким диапазоном частот. В правильно сконструированной аппаратуре собствен­ная частота f_o конструкции не должна находиться в спектре частот внешних воздействий. Хотя любая конструкция обладает несколькими значениями собственных частот, однако расчет выполняется только для низших значений f_o, поскольку деформации конструкций в этом случае будут максимальными. Если низшее значение собственной частоты входит в диапазон внешних воздействий, то конструкцию дорабатывают с целью увеличения f_o и выхода из спектра частот внешних воздействий.

Под жесткостью конструкции понимается способность системы (элемента, детали) противостоять действию внешних нагрузок с деформа­циями, не допускающими нарушение ее работоспособности. Количественно жесткость оценивается коэффициентом жесткости  = Р/, где Р - дей­ствующая сила;  максимальная деформация. Конструкцию можно представить в виде совокупности элементов (деталей), каждый из которых работает как балка определенной длины и сечения, закрепленная на одном или обоих концах. Известно, что жесткость защемленной на одном конце балки, находящейся под воздействием сосре­доточенной нагрузки, вычисляется по выражению EF/l при работе балки на растяжение или сжатие и по выражению 3EJ/1³ при работе балки на изгиб (Е - модуль упругости материала балки; F - площадь сечения; J - осевой мо­мент инерции; l - длина балки). Чем больше модуль упругости материала, тем выше жесткость бал­ки. Жесткость конструкции зависит от длины, формы и размеров по­перечного сечения балки.

В таблице приведены параметры материалов, применяющихся для конструкций РЭА. Удельная прочность и жесткость материалов рассчитыва­ется по следующим выражениям:

• для металлов: _p^уд = []_p/ , _и^уд = []_и^2/3/_, Е^уд = E/

• для неметаллов: _p^уд = []_p/ , _и^уд = []_и^2/3/_,

где р — плотность вещества.

Параметры конструкционных материалов

Материал	Марка	р, МПа	Е, ГПа	 г/см2	Удельная прочность и жесткость
					руд	иуд	Еуд
Сталь углеродистая	Ст10	334	203	7,85	42,5	12	26
	Ст45	600	200	7,85	76,5	18	25,5
Сталь легированная	39ХГСА	490	198	7,85	62	15,7	25,3
Алюминиевые спла­вы	АД-1	58	69	2,7	21	7,7	26
	В-95	275	69	2,8	96	21	24
Магниевые сплавы	МА2-1	255	40	1,8	142	27	23
	МА2-8	275	40	1,8	154	29	22
Медные сплавы	Л-63	294	103	8	35	11	12
	Бр-Б2	392	115	8	48	13	14
Титановые сплавы	ВТ1-0	687	113	4,5	152	28	25
	ВТЗ-1	1176	113	4,5	218	41	25
Фенопласт	К-21-22	64	8,6	1,4	38	46	6,2
Пресс-материал	АГ-4С	245	34	1,8	273	136	19
Гетинакс	II	98	21	1,4	49	70	15
Текстолит	ПТК	157	10	1,4	70	112	7
Стеклотекстолит	ВФТ-С	245	—	1,85	180	132	—
Фторопласт	4А	14	0,44	2,2	10	6,2	0,2
Стеклопластик	СВАМ-ЭР	687	21	2	221	343	10,3
Пенопласт	ПС-1	—	0,15	0,35	14	—	0,45

Вибрации, направленные ортогонально к плоскости печатной платы, попеременно изги­бают ее и влияют на механическую прочность установленных на ней микросхем и ком­понентов. Если компоненты считать жестки­ми, то изгибаться будут их выводы. Большинство отказов компонентов происходит из-за поломки паяных соединений выводов с платой. Наиболее жест­кие воздействия имеют место в центре платы, а для прямоугольных плат еще и при ориентации тела элемента вдоль короткой стороны платы. Приклеивание компонентов к плате значительно улучшает надеж­ность паяных соединений. Защитное лаковое покрытие толщиной 0,1.. .0,25 мм жестко фиксирует компоненты и увеличивает надежность РЭА.

Механические напряжения на паяные соединения от воздействия виб­раций можно уменьшить: увеличением резонансных частот, что позволяет уменьшить прогиб платы; увеличением диаметра контактных площадок, что повышает проч­ность сцепления контактной площадки с платой; подгибом и укладыванием выводов элементов на контактную площадку, что увеличивает длину и прочность сцепления паяного соединения; уменьшением добротности платы на резонансе ее демпфированием многослойным покрытием лака.