автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование и разработка радиотехнических устройств с демпфирующими вставками

Перечень используемых сокращений.

Введение ф 1. Анализ методов виброзащиты радиотехнических устройств.

1.1. Объект исследования и методы виброзащиты.

1.2. Анализ методов расчета конструкций под действием случайных нагрузок

1.3. Конструктивно-технологические особенности ячеек РТУ с демпфирующими вставками.

1.4. Анализ методик расчета колебаний ячеек с демпфирующими вставками.

1.5. Постановка задач диссертации.

1(1 2. Разработка математической модели плоского элемента конструкции РТУ с демпфирующими вставками.

2.1. Конструкция под действием случайных сил

2.2. Разработка математической модели

2.3. Постановка задачи анализа колебаний конструкций ^ РТУ с демпфирующими вставками при стационарной случайной вибрации

2.3.1. Анализ колебаний двухъячеечных конструкций с ДВ.

2.3.2. Алгоритм расчета конструкций ячеек РТУ с ДВ при стационарной случайной вибрации.

2.4. Расчет конструкции одиночно расположенных ячеек РТУ с демпфирующей вставкой.

2.5. Выводы по главе.

3. Теоретические исследования ячеек РТУ с демпфирующими вставками.

3.1. Исследование колебаний двухъячеечных конструкций с ДВ.

3.2. Исследование подходов к созданию одиночно расположенных ячеек РТУ с демпфирующими вставками

3.3. Определение требований к характеристикам материалов демпфирующих вставок.

3.4. Разработка методики проектирования ячеек

РТУ с демпфирующими вставками.

3.5. Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальные исследования и проверка адекватности математической модели.

4.1. Исследование динамических характеристик ВП материалов

4.2. Экспериментальные исследования конструкций ячеек с ДВ.

4.3. Проверка адекватности математической модели.

4.4. Внедрение результатов диссертационной работы.

4.5. Выводы по главе

Радиотехнические устройства (РТУ), устанавливаемые на подвижных объектах (наземных транспортных средствах, самолетах, ракетах и др.), в процессе эксплуатации подвергаются интенсивным механическим воздействиям — линейным перегрузкам, ударам, вибрациям, акустическим шумам. Опыт эксплуатации РТУ специального назначения показывают, что до 60% отказов вызваны механическими воздействиями. Особенно опасны вибрации, так как они приводят к возникновению резонансных колебаний таких широко распространенных элементов конструкций РТУ как ячейки. Резонансные явления в ячейках являются причиной механических разрушений элементов конструкций, а также приводят к искажениям сигналов. Поэтому задача снижения амплитуды резонансных колебаний ячеек является актуальной, особенно для разработчиков РТУ, эксплуатируемых в условиях интенсивного воздействия вибраций [1-3].

Применение таких способов защиты от вибраций как виброизоляция, частотная отстройка, рациональное размещение и ориентация электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и ячеек и других не всегда эффективно. При действии вибрации в диапазоне частот до 500 Гц и выше, характерных для изделий специального назначения [4-10], практически единственным способом уменьшения амплитуды резонансных колебаний является увеличение демпфирующих свойств [1, 3]. Демпфирование осуществляется за счет введения в конструкцию ячеек элементов (демпферов), выполненных из вибропоглощающих (ВП) материалов, у которых внутреннее трение в десятки и сотни раз больше чем у конструкционных материалов. Особенностью этих материалов является сильная зависимость их механических характеристик от частоты и, особенно от температуры [2,5]. Полимерные демпферы могут выполняться в виде внутренних и внешних вибропоглощающих слоев, демпфирующих вставок и ребер [1-3, 11-13]. Теория и практическая реализация таких устройств описаны в работах J.E. Ruzicka, Е.М. Kerwin, А. Нашифа, Д. Джоунса, Дж. Хендерсона, B.C. Ильинского, A.C. Никифорова, E.H. Талицкого, Б.Д. Тартаковского. Виброзащита РТУ демпфирующими вставками (ДВ) обеспечивает значительное уменьшение амплитуд резонансных колебаний, не ухудшая при этом массогабаритные характеристики РТУ, ремонтопригодность и тепловые режимы.

Виброзащита РТУ демпфирующими вставками заключается в том, что между параллельно расположенными плоскими элементами конструкции, ячейками в блоке, имеющими различные собственные частоты колебаний, устанавливается вставка. При действии возбуждающей вибрации и возникновении резонанса происходит деформация вставки, изготовленной из материала с высокими механическими потерями, и, как следствие, снижаются амплитуды колебаний.

Несмотря на очевидные преимущества этого метода виброзащиты его широкое внедрение в РТУ сдерживается рядом причин:

- теория метода разработана для случая гармонической внешней вибрации, отсутствуют методики расчета конструкций ячеек РТУ с ДВ при действии широкополосной случайной вибрации, наиболее соответствующей реальным воздействиям;

- отсутствуют математические модели, необходимые для расчета ячеек с ДВ при случайной вибрации, учитывающие возможность возбуждения нескольких форм колебаний одновременно;

- метод применяется для виброзащиты двух и более параллельно расположенных ячеек в блоке, отсутствуют рекомендации по использованию ДВ для виброзащиты одиночно расположенных ячеек;

- не адаптированы требования к механических характеристикам виб-ропоглощающих материалов демпфирующих вставок с учетом действия случайной вибрации.

Цель работы: Разработка методики проектирования плоских элементов конструкций радиотехнических устройств с демпфирующими вставками, работающих в условиях действия широкополосной случайной вибрации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие задачи:

1. Проанализировать метод виброзащиты РТУ полимерными демпферами в виде демпфирующих вставок.

2. Разработать математическую модель плоского элемента конструкции с демпфирующими вставками при случайном вибрационном воздействии.

3. Разработать алгоритмы расчета колебаний ячеек с демпфирующими вставками при действии стационарной случайной вибрации.

4. Оценить возможности применения демпфирующих вставок для одиночно расположенных ячеек.

5. Уточнить требования к механическим динамическим характеристикам вибропоглощающих материалов для демпфирующих вставок.

Методы исследования основаны на использовании теории колебаний, динамической теории полимеров; статистического и математического моделирования. Экспериментальные исследования устройств и процессов, рассматриваемых в работе, основываются на использовании методов теории эксперимента, математической статистики, теории точности.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:

1. Разработана математическая модель плоского элемента конструкций РТУ с демпфирующими вставками при случайном вибрационном воздействии.

2. Созданы алгоритмы расчета ячеек РТУ с демпфирующими вставками при стационарной случайной вибрации.

3. Теоретически обоснованы и практически проверены подходы к созданию одиночно расположенных ячеек с демпфирующими вставками.

Практическая ценность работы

1. Создана методика проектирования плоских элементов конструкций РТУ с демпфирующими вставками, учитывающая характер вибрационного воздействия и способ расположения ячеек в блоке.

2. Уточнены требования к характеристикам вибропоглощающих материалов демпфирующих вставок в диапазоне температур эксплуатации РТУ специального назначения.

3. Разработан пакет прикладных программ для проектирования ячеек РТУ с демпфирующими вставками, основой которых являются разработанные алгоритмы и математические модели.

Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП «НПП Дельта», г Москва, использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ Владимирского государственного университета с участием автора и используются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология РЭС» Владимирского государственного университета.

На защиту выносятся

1. Математическая модель РТУ с демпфирующими вставками для виброзащиты плоских элементов конструкций, подверженных случайному вибрационному воздействию.

2. Алгоритм расчета РТУ с демпфирующими вставками при стационарной случайной вибрации.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований конструкций РТУ с демпфирующими вставками с целью выявления влияния отдельных факторов на параметры вибраций.

4. Методика проектирования РТУ с демпфирующими вставками.

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы были опубликованы в 2 статьях во Всероссийском журнале «Проектирование и технология электронных средств», 4 статьях сборника научных трудов преподавателей, аспирантов, магистрантов «Электроника, информатика и управление» с 2002 по 2004 гг., а также представлены в виде докладов на научно-технических конференциях Владимирского государственного университета.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 133 страницы, в том числе: 108 страниц основного текста иллюстрированных 27 рисунками и 6 таблицами, 83 наименования списка литературы, а также приложения.

4.5. Выводы по главе

1. Определены динамические механические параметры вибропогло-щающих полимеров применяемых для изготовления демпфирующих вставок.

2. На основе результатов проведённых испытаний можно заключить, что разработанная в главе 2 математическая модель плоского элемента конструкции РТУ с демпфирующими вставками является адекватной.

3. Метод виброзащиты плоских элементов конструкций РТУ с демпфирующими вставками внедрен в учебный процесс кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных», а также в ФГУП «НЛП Дельта», г. Москва, созданы макеты для экспериментальных исследований.

108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель плоского элемента конструкции радиотехнических устройств с ДВ при широкополосной случайной вибрации.

2. Предложены алгоритмы расчета конструкций ячеек с ДВ при стационарной случайной вибрации.

3. Исследованы возможности использования ДВ для виброзащиты одиночно расположенных ячеек.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования ячеек РТУ с демпфирующими вставками при действии широкополосной случайной вибрации.

5. На основе разработанных математических моделей и проведенных исследований создана методика проектирования ячеек с ДВ, учитывающая характер вибрационного воздействия и способ расположения ячеек в блоке.

Полученные в диссертационной работе теоретические и прикладные результаты внедрены в ФГУП НПП «Дельта», г Москва, и во Владимирском государственном университете при научно-технических исследованиях и подготовке специалистов в области проектирования конструкций радиотехнических устройств и систем различного назначения.

1. Талицкий E.H. Защита электронных средств от механических воздействий. Владимир: ВлГУ, 2001. 256 с.

2. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний: Пер с англ. М: Мир, 1988. - 488 с.

3. Виброзащита электронной аппаратуры полимерными компаундами / Ю.В.Зеленев, A.A. Кирилин, Э.Б.Слободник, Е.Н.Талицкий; Под. Ред. Ю.В.Зеленева. М.:Радио и связь, 1984. - 120с.

4. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. М.: Машиностроение, 1995. - т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В. Фролова, 1995. -456 с.

5. Надежность и эффективность в технике: Справочник. Машиностроение, 1990. т. 10: Справочные данные по условиям эксплуатации и характеристикам надежности / Под. ред. В.А.Кузнецова. 336 с.

6. Изделия ГСП. ГОСТ 12997-84. Изд-во стандартов, 1984.-38 с.

7. Испытания изделий на воздействие механических факторов. Общие положения: ГОСТ 24812-81. .М.: Изд-во стандартов, 1981. 13 с.

8. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к стойкости к внешним воздействующим факторам. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Изд-во стандартов, 1998. 55 с.

9. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие механических факторов. ГОСТ РВ 20.57.305-98. Изд-во стандартов, 1998. 50 с.

10. Изделия электротехнические: Методы испытаний на стойкость к механическим внешним факторам: ГОСТ 16963.2-90. М.: Изд-во стандартов, 1990.-48 с.

11. Токарев М.Ф., Талицкий E.H., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. Пособие для вузов / Под. Ред. В.А.Фролова. М.: Радио и связь, 1984. 224с.

12. Талицкий E.H. Виброзащита РЭС полимерными демпферами: Учеб. пособие. Владимир: Влад. Политех. Институт, 1993. - 86с.

13. Ильинский B.C. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий. М.: Радио и связь, 1982. — 296с.

14. Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств по функционально-конструктивной сложности: Термины и определения: ГОСТ 26632-85. М.: Изд-во стандартов, 1985. 10 с.

15. Модули электронные первого и второго уровней радиоэлектронных средств: Конструирование: ОТС 4 Г 0.010.009-84. 172 с. 16. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. - М.: Наука. 1979.-336с.

16. Случайные колебания: Пер. с англ. / Под. Ред.

17. A.А.Первозванцева. М.: Мир, 1967. - 356с.

18. Радиоэлектронное оборудование/ В.А.Болдин, Г.И.Горгонов,

19. B.Д.Коновалов и др.; (Боевая авиационная техника) М.: Воениздат, 1990. -288с.

20. Технические основы эффективности ракетных систем / Е.Б. Волков, В.З. Дворкин, А.И. Прокудин м др.; Под ред. Е.Б.Волкова. М.: Машностроение, 1989. - 256 с.

21. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем. М.: Наука, 1966. - 320с.

22. Болотин В.В. Теория оптимальной виброзащиты при случайных воздействиях. Тр. Моск. энерг. ин-та, 1970. вып. 74.

23. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. -3-е изд., перераб. и дополн. JL: Машиностроение (Ленингр. от-ие), 1976. - 320с.

24. Никифоров A.C. Вибропоглощение на судах JI: Судосторое-ние, 1979.- 184с.

25. Фролов К.В., Фурман Ф.Л Прикладная теория виброзащитных систем.-М.: Машиностроение, 1980.

26. David Jones. Handbook of viscoelastic vibration damping. — John Wiley and Sons Ltd. UK., 2001. 41 Op.

27. Shock and vibration handbook. New York: MC Craw-Hill, 1988.- 1320p.

28. Вибрация в технике: Справочник в 6-ти т./Ред. Совет: В.Н.Челомей (пред.). т.1 Колебания линейных систем/ Под ред. В.В.Болотина. -М.: Машиностроение, 1995

29. Вибрация. Термины и определения. ГОСТ 24346-80. М.: Изд-во стандартов, 1980. 31 с.

30. Разработка и исследование методов повышения вибропрочности конструкций приборов РЭА: Отчет о НИР (заключительный) /Владим. политехи, ин-т. N ГР 01890037469; Инв. N 02910017471.-Владимир, 1990.- 115с.

31. Дой М., Эдварде С. Динамическая теория полимеров. Пер с англ. М.: Мир, 1998. -440с.

32. Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. — М.: Химия, 1973. — 296с.

33. Исследование высокодемпфированных полимеров и конструкций для повышения вибро и удароустойчивости изделий. Отчет о НИР (заключительный) / Владимирский политехнический институт. № ГР 01850044208; Инв. № 02860008919. - Владимир, 1985. - 64 с.

34. Радиоэлектронный модуль: A.c. 1637036 СССР, МКИ H 05 К 5/00 / Талицкий E.H. (СССР). 3 с.

35. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М: Наука, 1988.-512 с.

36. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математический физики. М.: Наука, 1977 - 724с.

37. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. - 270с.

38. Талицкий Е.Н. Моделирование виброустойчивых конструкций РЭА с полимерным демпфером // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ТПО. -1988. Вып. 2. - С. 57-61. ДСП.

39. Jones D.I.G. Damping of structures by viscoelastic links.-Shock vib. Bull. 1967. - vol. 36. - № 25. - p. 9-24.

40. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле.— M.: Наука. 1967. —444 с.

41. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко А.П., Матвеев В.В.; отв. ред. Писаренко Г.С. 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук, думка, 1988. - 736 с.

42. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглощаю-щие свойства конструкционных материалов: Справ. — Киев: Наук, думка, 1971. —376 с.

43. Полянин А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 576 с.

44. Разработка и исследование полимерных пеноматериалов и компаундов для виброзащиты РЭС: Отчет о НИР (заключительный) / Владимирский политехи, ин-т. №ГР 01890065953; Инв. №028900544929. -Владимир, 1989.-48с.

45. Viscoelastic Damping Polymers/ Description 3M. Technical Data. February, 1999.

46. Sorbothane damping material. Product Guide. Sorbothane. Inc. publications, 2000.

47. Унифицированные базовые несущие конструкции первого и второго уровней: Каталог. — 1985. — 36с.

48. ГОСТ 28601.2-90 (СТ СЭВ 6688-89). Система несущих конструкций серии 482,6 мм. Шкафы и стоечные конструкции. Основные размеры. Изд-во стандартов, 1991.

49. Исследование динамических механических характеристик пенополиэтиленов: Отчет о НИР (заключительный) / Владим. Политехи, ин-т. № ГР 01890088217; Инв. № 02890067039. - Владимир, 1989. - 69с.

50. Радиоэлектронный блок: А.с. 1594714 СССР, МКИ Н05К 5/00, 7/12/ Е.Н.Талицкий, Г.Ф.Долгов (СССР). Зс.

51. Исследование методов защиты электронных средств от механических воздействий. Отчет о НИР (заключительный) / ВлГУ. № ГР 01890088217; Инв. № 02890067039. - Владимир, 2003. - 69с.

52. Долгов Г.Ф., Талицкий Е.Н. Оптимизация конструкций РЭА с вибропоглощающими вставками // Современные методы обеспечения качества и надежности электронных приборов: Материалы семинара. М.: МДНТП, 1990. - С. 95 - 98.

53. Долгов Г.Ф., Талицкий Е.Н. Анализ конструкций РЭС с демпфирующими вставками // Опыт разработки и применения приборнотехнологических САПР: Тезисы докладов. Львов: Львовский политехи, ии-т - Львовское производственное объединение "Полярон", 1990 - С. 16.

54. Способ определения приведенных параметров механических систем: Патент №2006717 РФ, F16F15/22/ Долгов Г.Ф., Талицкий E.H.1. РФ). 4с.

55. Долгов Г.Ф., Талицкий E.H. Автоматизированное проектирование виброзащитных блоков РЭС с полимерными демпфера-ми.//Использование вычислительной техники и САПР в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах: Тезисы докладов. —

56. Владимир: Владимирский политехнический институт, 1989.

57. Варакин A.A., Талицкий E.H. Исследование конструкций ячеек радиотехнических устройств демпфирующими вставками. Всероссийский научно-технический журнал «Проектирование и технология электронныхсредств» №4, 2002. Зс.

58. Г. Дженкинс, Д. Ватте Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971.-316 с.

59. Сорокин Е.С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем. М.: Госстройиздат, 1960. - 131 с.

60. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.:1. Наука, 1988.-712 с.

61. Бабаков И.М. Теория колебаний., М: Наука, 1968 560 с.

62. Бидерман В .Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1980. 408 с.

63. Варакин A.A., Талицкий E.H. Математическая модель ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими вставками. Всероссийский журнал «Проектирование и технология электронных средств», №4 2003 г.

64. Основы научных исследований. Учеб. для техн. вузов / В.И. Крутов, Н.М. Грушко, В.В. Попов и др.; Под. Ред. В.И. Крутова, В.В.Попова. М.: Высш. Школа. 1989. - 400 с.

65. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974.- 832с.

66. Варакин A.A. Конструкция ячейки ЭС с демпфирующей вставкой. // Электроника, информатика и управление: Сб. научн. трудов аспирантов, магистрантов и студентов. Владимир. 2002 г.

67. Варакин A.A. Конструкция виброустойчивой ячейки с демпфирующей вставкой. // Электроника, информатика и управление: Сб. научн. трудов преподавателей, аспирантов, магистрантов и студентов. Владимир. 2003 г.

68. Варакин A.A. Виброзащита ячеек ЭС демпфирующими вставками. // Материалы научно-техн. конф. Преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета радиофизики, электроники и медицинской техники.- Владимир, 2003. С. 61-62.

69. Матросов A.B. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 528 с.

70. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. Matlab 5.0/5.3. Система символьной математики. М.: Нолидж. 1999 г., 640 с.

71. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. М.: Машиностроение, 1985 -232с.

72. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных.- М.: Мир, 1989.-540с.

73. Венцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999 г -576с.

74. Кузнецов A.A. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. М.: Энергия, 1976 120с.

75. Коненков Ю.Н., Ушаков И.А. Вопросы надежности радиоэлектронной аппаратуры при механических нагрузках. М.: Сов. Радио, 1975. -144с.

76. Варакин A.A. О возможности применения квазистатического метода к определению динамических характеристик низкомодульных полимеров. // Электроника, информатика и управление: Сб. научн. трудов аспирантов, магистрантов и студентов. Владимир. 2002 г.

77. Урецкий Я.С. Испытания аппаратуры радиосистем и испытательное оборудование. Казань.: КАИ, 1991. - 78с.

78. Пелех Б.Л., Саляк Б.И. Экспериментальные методы исследования динамических свойств композиционных структур. Киев: Наук, думка, 1990.- 136с.

79. Вибрации в техники: Справочник в 6-ти т. М.: Машиносторе-ние. 1981-т. 5. Измерения и испытания / Под. ред. М.Д.Генкина. 496 с.

80. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.:Наука, 1976. -280с.

81. Новицкий П.Ф., Зограф И.А. Оценка погрешностей и результатов измерений. JL: Энергоатомиздат, 1991. — 304 с.

82. Брянский Л.Н., Дойников A.C. Краткий справочник метролога: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1991. -304 с.