автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Научные основы создания системы виброзащиты электронных средств подвижных объектов полимерными демпферами

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ ВИБРОЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ПОЛИМЕРНЫМИ ДЕМПФЕРАМИ

05.13.07 - "Автоматизация технологических процессов и производств

(в промышленности)" по техническим наукам 05.13.14 - "Системы обработки информации и управления" по

техническим наукам

На правах рукописи

УДК 681.51/.54+62.752.2

Талицкий Евгений Николаевич

•Владимир - 1999

степени доктора технических

/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................4

1.АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ПОЛИМЕРНЫМИ ДЕМПФЕРАМИ.....................................................19

1.1. Общая характеристика способов виброзащиты электронных средств.....................................................................................19

1.2. Конструкции и принципы работы ПД..................................22

1.3. Методы анализа демпфирующих свойств конструкции.....29

1.4. Математические модели ПД..................................................30

1.5. Анализ свойств и математических моделей ВП материалов.....................................................................................................37

1.6. Уравнения колебаний и методы анализа.............................46

1.7. Постановка задач диссертации..............................................52

2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ВИБРОЗАЩИТЫ

ЭС ПОЛИМЕРНЫМИ ДЕМПФЕРАМИ..............................................55

2.1. Виброзащита ЭС подвижных объектов, как сложная система.........................................................................................................55

2.2. Основы системного подхода к созданию ячеек ЭС

с полимерными демпферами......................................................................64

2.3. Обоснование и выбор уравнений колебаний..........................6В

2.4 Аналитические методы расчета вынужденных колебаний

ячеек ЭС.......................................................................................................71

2.5. Расчет амплитуд резонансных колебаний численными методами......................................................................................................79

2.6. Вывод формулы коэффициента механических потерь..........83

2.7. Выбор и обоснование показателей эффективности конструкций ЭС с ПД.......................................................................88

2.8. Выводы........................................................................................93

3.МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИЙ ЭС С ПД В ВИДЕ СИСТЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.........94

3.1.Ячейка с ПД в виде внешнего демпфирующего слоя..............94

3.2.Исследование влияния собственной формы колебаний..........99

3.3.Ячейка с ПД в виде внутреннего демпфирующего слоя......101

3.4.Исследование влияния собственной формы колебаний

в конструкциях с внутренним демпфирующим слоем................114

3.5.Алгоритм расчета, исследования и оптимизации конструкций с ДС............................................................................123

3.6. Определение требований к ВП материалам..........................130

3.7.Ячейка с ПД в виде демпфирующего ребра...........................134

3.8.Исследования влияния различных факторов на эффективность демпфирования.....................................................141

3.9.Вывод ы.......................................................................................142

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИЙ ЭС С ПД В ВИДЕ СИСТЕМ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ..................................................................................143

4.1. Двухячеечная конструкция с одной демпфирующей вставкой.......................................................................................................143

4.2. Методы приведения распределенных параметров ячеек

к сосредоточенным параметрам................................................................150

4.3. Конструкция ЭС с П ячейками...............................................157

4.4. Исследование зависимостей амплитуд колебаний ячеек

от основных конструктивных факторов....................................................160

4.5. Выводы.....................................................................................166

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕМПФИРУЮЩИХ

СВОЙСТВ И СИНТЕЗ НОВЫХ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОЛИМЕРОВ.........................................................................................168

5.1. Анализ методов экспериментального определения демпфирующих свойств полимеров..........................................................168

5.2. Модернизация методики испытаний....................................176

5.3. Исследование влияния инструментальных погрешностей.. 181

5.4. Определение вибропоглощающих свойств пеноматериалов...........................................................................................185

5.5. Синтез вибропоглощающих пенополиуретанов...................191

5.6. Разработка вибропоглощающего полиуретана

для конструкций с внутренним ДС............................................................197

5.7. Разработка методики и определение демпфирующих свойств низкомодульных полимеров........................................................204

5.8. Выводы......................................................................................217

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА

ТОЧНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ................................219

6.1. Методика определения динамических характеристик.........219

6.2. Оценка точности математических моделей..........................220

6.3. Экспериментальные исследования и апробация эффективности ЭС с ПД в промышленных организациях....................225

6.4. Выводы.....................................................................................258

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................260

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................263

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................284

ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ.................................................................285

ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты внедрения результатов работы...........................287

ВВЕДЕНИЕ

Электронные средства (ЭС), устанавливаемые на подвижных объектах — самолетах, автомобилях, ракетах и т.д., в процессе эксплуатации подвергаются интенсивным механическим воздействиям - ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам. Надежность таких ЭС может снижаться в десятки и сотни раз по сравнению с аналогичными, используемыми в стационарных условиях. Для многих видов ЭС, например самолетных и ракетных, наиболее опасны вибрации, особенно, если они приводят к возникновению резонансных колебаний, таких широко распространенных элементов конструкций ЭС, как электромонтажные платы [4, 18, 31, 35]. Виброперегрузки электрорадиоэлементов (ЭРЭ) увеличиваются при этом в десятки раз, что вызывает значительное возрастание интенсивности отказов как за счет механических разрушений элементов конструкций, так и за счет искажения параметров электрических сигналов [ 6, 12, 21, 28, 64]. Поэтому устранение резонансных колебаний плат, шасси и других элементов конструкций ЭС или снижение амплитуды резонансных колебаний (АРК) до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач разработчиков ЭС, применяемых в условиях интенсивного воздействия вибраций.

Решение этой проблемы достигается частотной отстройкой или увеличением демпфирующих свойств конструкций.

Для устранения резонансных колебаний ячеек ЭС или других элементов конструкций частотной отстройкой необходимо, чтобы первая собственная частота колебаний не менее чем в полтора-два раза превышала максимальную частоту возбуждения. Если максимальная частота имеет значение не менее 500Гц, выполнить это условие сложно, а при максимальной частоте 1000-2000Гц практически невозможно. Полная заливка электронных блоков полимерными компаундами, хотя и решает эту задачу, приводит к резкому ухудшению теплового режима, ремонтопригодности, другим отрицательным явлениям и поэтому применяется

редко. Вследствие этого практически единственным путем уменьшения амплитуд резонансных колебаний при воздействии вибраций в широком диапазоне частот, когда наибольшая частота достигает 500 Гц и выше, является повышение демпфирующих свойств конструкций ЭС на основе применения специальных устройств-демпферов. Наиболее перспективными для ЭС в настоящее время являются полимерные демпферы, выполненные на основе, так называемых, вибропог-лощающих (ВП) полимеров. В соответствии с ГОСТ 24346-80, под демпфером понимается «виброзащитное устройство или его часть, создающая демпфирование вибрации». Под полимерным демпфером (ПД) будем понимать демпфер, в котором рассеяние энергии механических колебаний происходит преимущественно за счет «внутреннего трения» в полимере. В литературе такие демпферы часто называют ВП- конструкциями. Основное достоинство ПД заключается в возможности значительного уменьшения амплитуд резонансных колебаний в широком диапазоне частот вибраций при незначительном увеличении массы и габаритов конструкции, что важно, например, для систем аэрокосмического комплекса. Кроме того, ПД конструктивно просты и дешевы.

Основным недостатком их является зависимость демпфирующих свойств ПД от частоты вибраций, и особенно от температуры. Этот недостаток становится особенно ощутимым при использовании ПД в системах, эксплуатируемых в широком диапазоне температур, то есть опять же прежде всего в системах аэрокосмического комплекса.

Указанный недостаток имеет объективный характер. Он обусловлен тем, что в качестве ВП применяются полимеры, которые по своим физико-механическим характеристикам находятся в области перехода от высокоэластического к стеклообразному состоянию [18, 31, 35]. В этой области с одной стороны каждый полимер проявляет максимальные ВП свойства, а с другой стороны наблюдается резкое их уменьшение, иногда на порядок, у краев области. В этой же области наблюдается и резкое изменение жесткости полимера (от высокоэла-

стического к стеклообразному), характеризуемое изменением динамического модуля упругости полимера на несколько порядков. Поэтому обеспечить одинаковые условия деформирования ВП полимера, с целью обеспечения максимальной эффективности ПД во всем температурном диапазоне не удается.

Учитывая вышесказанное можно сделать вывод о том, что для создания эффективных конструкций ЭС с ПД требуются не только высокоэффективные в широких диапазонах частот и температур ВП полимеры, но и математические модели и методы расчета, позволяющие оптимизировать конструкции при минимальном объеме эксперимента.

Проблемы защиты машин и приборов от механических воздействий рассматриваются в работах В.В. Болотина, Г.С. Писаренко, Я.Г. Пановко, К.В. Фролова, В.А. Пальмова, М.З. Коловского, В.В. Турецкого, В.В. Карамышкина, Дж. Ден Гартога, К. Крида и других отечественных и зарубежных исследователей.

Большой вклад в решение теоретических и практических вопросов защиты ЭС от вибраций внесли B.C. Ильинский, E.H. Маквецов, Ю.Н, Кофанов, A.M. Тартаковский, В.Б. Карпушин, H.H. Абжирко, М.М. Грибов, Ю.К, Коненков, А.Н.Чеканов, Суровцев Ю.А. и другие исследователи.

В области исследования и создания ПД и ВП материалов для конструкций различного применения работали многочисленные исследователи как у нас в стране, так и за рубежом. Так еще в 1947 г. И.И. Клюкиным была разработана конструкция ПД в виде слоя из мягкого ВП материала. В пятидесятые годы появились работы зарубежных исследователей И. Славика, И. Немеца, П. Линарда, Г. Оберста, посвященные исследованиям ПД и ВП материалов. Наибольший вклад в развитие теории и практики ПД и ВП материалов в пятидесятые-шестидесятые годы у нас в стране сделал Б.Д. Тартаковский и его сотрудники Н.И. Наумкина, М. М. Эфрусси, Г.М. Авилова и др. из Акустического института РАН. Большой вклад в решение этих вопросов внесли также A.C. Никифоров, В.И. Померанцев, Ю.В. Зеленев, А.Г. Позамонтир, В.Б. Чернышов и другие.

Из зарубежных исследователей, работающих в этой области, наиболее известны E.Kerwin, Е. Ungar, A. Davey, I. Snowdon, R. Thorn, D. Mead, A. Nashif, P. Grootenhnis, S. Grandal, B. Lasan, D. Jones, A. Payne и некоторые другие.

Несмотря на большой объем проведенных исследований к середине 60-х годов в основном была разработана лишь теория конструкций в виде балок с внешним и внутренним ВП слоями. Не было работ учитывающих специфику конструкций ЭС. Впервые о практическом применении ПД для уменьшения амплитуд резонансных колебаний ЭС ракетной техники было сообщено в работах американского исследователя Е. Ружечки в 1964 г. На рисунке приведенном из этой работы Е. Ружечки [45], показаны АЧХ шасси головки самонаведения ракеты до и после применения ПД. Видно, что амплитуды резонансных колебаний уменьшились в шесть и более раз в широком диапазоне частот. Автором настоящей работы были начаты исследования в области теории и практики ПД для ЭС, работающих в условиях интенсивного воздействия вибраций в широком диапазоне частот, в 1965-1967г.г. в Ленинградском механическом институте. В дальнейшем исследования в указанном направлении проводились также в Москве Э.Б. Сло-бодником. Некоторые из результатов этих исследований были опубликованы автором данной работы совместно с Э.Б. Слободником в монографии [31]. Необходимость проведения специальных исследований ПД для ЭС была обусловлена следующими причинами:

1. Отсутствует системный подход позволяющий оптимизировать параметры конструкций ЭС с полимерными демпферами и характеристики вибропогло-щающих материалов.

2. Широкие температурный и частотный диапазоны эксплуатации ЭС, устанавливаемых на подвижных объектах, приводят к изменению эффективности ГЩ вследствие большой зависимости характеристик ВП материалов от температуры. Экспериментальная отработка конструкций с ПД требует длительного времени, дорогостоящего оборудования, а следовательно, больших материальных затрат.

Это вызывает необходимость разработки теоретических методов создания конструкций ЭС с ПД.

Гц

Виброзащита РЭС полимерным демпфером:

I - корпус ракеты; 2 - электрорадиоэлементы; 3 шасси;

I - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) шасси;

II - АЧХ шасси с полимерным демпфером в виде слоя

3. Основные конструкционные элементы ЭС в виде различных подложек, ячеек, шасси, имеют плоскую конструкцию и приводятся обычно к расчетным моделям в виде пластин. Правомерность использования для них математических моделей, применяемых для балок, не обоснована.

4. Отсутствуют ВП материалы, обладающие с одной стороны хорошими демпфирующими свойствами в широких диапазонах частот и температур, характерных для ЭС аэрокосмического комплекса, а с другой удовлетворительными диэлектрическими, технологическими и эксплуатационными характеристиками, необходимыми для изделий электронной техники. Разработка таких материалов представляет сложную научно-техническую проблему. Она не может быть удов-

летворительно решена, если заранее не определены требования к материалам на основе теоретического анализа.

Повышение эффективности демпфирования применением термостабилизации блоков ЭС или применением ПД в виде нескольких слоев из различных ВП материалов, имеющих максимумы демпфирующих свойств при различных температурах и таким образом перекрывающим широкий температурный диапазон, как правило, ухудшает конструктивно-технологические характеристики ЭС.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ виброзащиты электронных средств (ЭС) полимерными демпферами (ПД), применяемыми для уменьшения амплитуды резонансных колебаний (АРК) в условиях воздействия вибраций в широком диапазоне частот.

Основными задачи работы для достижения поставленной цели:

1. Разработка основ системного подхода к созданию систем виброзащиты ЭС полимерными демпферами.

2. Развитие методов анализа конструкций ЭС при вибрационном воздействии.

3. Разработка математических моделей конструкций ЭС с полимерными демпферами.

4. Исследование демпфирующих свойств полимеров и синтез новых ВП материалов.

5. Разработка и экспериментальные исследования новых типов конструкций ЭС с полимерными демпферами.

6. Решение комплекса задач, связанных с внедрением результатов исследований в промышленность и учебный процесс вузов.

Методы исследования. В процессе выполнения работы преимущественно применялись аналитические и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы основывались на положениях теории .колебаний, механики

сплошной среды, физики полимеров, теории дифференциальных уравнений, математической статистики, теории эксперимента, теории точности.

Научная новизна работы заключается в разработке теории конструкций ЭС с полимерными демпферами, при этом получены следующие научные результаты:

1. Созданы основы системного подхода при разработке виброзащиты ЭС полимерными демпферами.

2. Теоретически обоснован и разработан метод анализа конструкций ЭС с полимерными демпферами при вибрационном воздействии.

3. Разработаны математические модели конструкций ячеек ЭС с полимерными демпферами.

4.Теоретически обоснованы и разработаны способ и методика экспериментального определения динамических характеристик вибропоглощающих материалов.

5. Исследованы пути создания высокоэффективных ВП материалов с заранее заданными характеристиками на основе метода активного факторного эксперимента.

Практическое значение работы. Основные результаты приведенные в диссертации, получены автором в ходе выполнения хоздоговорных (ХД), госбюджетных (ГБ) НИР и договоров о творческом сотрудничестве (ТС), выполненных для организаций Министерства радиопромышленности, Министерства машиностроения, Министерства оборонной промышленности, Минист