автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Виброзащита радиотехнических устройств демпфирующими слоями

На правах рукописи

ЕВГРАФОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

ВИБРОЗАЩИТА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЕМПФИРУЮЩИМИ СЛОЯМИ

Специальность 05.12.04 - радиотехника, в том числе системы и

устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2003

Работа выполнена во Владимирском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

E.H. Талицкий

Официальные оппоненты: - заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Л.М. Самсонов

доктор технических наук, профессор A.B. Назаров

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное

предприятие «НЛП Дельта», г. Москва

Защита диссертации состоится «-/9 » 2003 г. в /4-часов

на заседании диссертационного совета Д212.025.04 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан » _2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совету доктор технических наук, профессор

Контрсш

ь п:.:: экземпляр

А.Г. Самойлов

'¿oo > -ft

/ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Радиотехнические устройства (РТУ), устанавливаемые на подвижных объектах, в период транспортирования и эксплуатации подвергаются интенсивным механическим воздействиям -ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам. Опыт эксплуатации РТУ специального назначения показывает, что на долю механических воздействий приходится до 60 % отказов. Для РТУ, работающих в условиях воздействия вибраций в широком диапазоне частот (ракетные, авиационные системы и др.), характерно возникновение резонансных колебаний элементов конструкций, в том числе и ячеек, при которых виброускорения на электрорадиоэлементах (ЭРЭ) возрастают в десятки раз, чго может явиться причиной отказов. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов конструкций РТУ или снижение в таких системах амплитуды резонансных колебаний до допустимого уровня является одной из важнейших задач.

Для решения этой задачи применяют традиционные способы виброзащиты, такие как: рациональное размещение и ориентация ЭРЭ и ячеек, изменение жесткости элементов конструкций, виброизоляция, динамическое гашение колебаний. Однако они эффективны в узком частотном диапазоне и (или) увеличивают массогабаритные параметры. При действии вибрации в диапазоне частот до 500 Гц и выше, характерных для изделий специально! о назначения, практически единственным способом уменьшения амплитуд резонансных колебаний является увеличение демпфирующих свойств, достигаемое введением в конструкцию полимерных демпферов, которые выполняются в виде демпфирующих вставок, демпфирующих ребер, демпфирующих внутренних и внешних слоев. Работы по теории и практике таких устройств проводятся в США, Германии, Японии и других развитых странах. В России такие работы применительно к электронным средствам подвижных объектов проводятся во Владимирском государственном университете под руководством профессора E.H. Талиц-кого. Виброзащита РТУ внутренними демпфирующими слоями (ДС) обеспечивает значительное уменьшение амплитуд резонансных колебаний в широких диапазонах частот вибраций и температур (от минус 50 до плюс 50 (1С), не ухудшая при этом ремонтопригодность, тепловые режимы и массо1абаригные характеристики РТУ.

Виброзащита РТУ внутренними ДС заключается в том, что плоские элементы конструкций, включая шасси и печатные платы, выполняются не из однородного конструкционного материала, а из многослойного, в котором конструкционные слои чередуются с внутренними слоями демпфирующего материала. При действии возбуждают

БИБЛИОТЕКА I С-Петербург q ,

09 100« »«л Nil

веиии резонанса происходят деформации демпфирующих слоев, изготовленных 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:

- метод применяется для однородных плоских конструкций простейшей .конфигурации и не учитывает особенностей его реализации в конструкциях РТУ (наличие переходных отверстий в печатных платах, сложная форма печатных плат, широкие диапазоны температур и частот эксплуатации);

- отсутствуют математические модели, учитывающие особенности реализации конструкций РТУ с демпфирующими слоями (сложные способы крепления; жесткие поперечные связи между слоями, образованные выводами ЭРЭ и т.п.);

- отсутствуют вибропоглощающие материалы, обеспечивающие эффективное гашение колебаний в широких диапазонах температур и частот и устойчивые к воздействию вредных факторов (повышенная температура, агрессивные среды) производства печатных плат;

- отсутствует технология изготовления печатных плат из многослойного демпфирующего материала.

Цель работы: разработка методики проектирования ячеек и плоских элементов конструкций радиотехнических устройств, работающих в широких диапазонах температур и частот вибрации.

Поставленная цель может быть достигнута выполнением следующих задач:

1. Проведение анализа методов виброзащты РТУ полимерными демпферами в виде внутренних демпфирующих слоев и свойств материалов для их реализации.

2. Разработка и исследование математической модели ячейки РТУ с вибродемпфированным многослойным основанием.

3. Определение требований к материалам внутренних демпфирующих слоев шасси и печатных плат.

4. Разработка методики проектирования виброзащищенных ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями.

5. Апробация разработанной методики проектирования виброзащищенных ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями.

Методы исследований основаны на использовании теории колебаний, теории упругости, динамической теории полимеров, теории эксперимента и теории точности.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе:

- разработана и исследована математическая модель ячейки РТУ с вибродемпфированным многослойным основанием, описывающая ее поведение на резонансных частотах при гармонической вибрации и учитывающая ее конструктивные особенности;

- на основе сочетания аналитического и численного методов разработан алгоритм расчета коэффициента формы колебаний плоских элементов конструкций (пластин) с произвольным способом крепления;

- получены математические выражения, связывающие динамические характеристики ячеек РТУ, внутренних демпфирующих слоев и жесткост-ные характеристики выводов электрорадиоэлементов;

- разработан алгоритм проектирования плоских элементов конструкций РТУ, включая ячейки, с внутренними демпфирующими слоями;

- определены требования к материалам внутренних демпфирующих слоев.

Практическая ценность:

- разработана методика конструирования и инженерно-технического расчета динамических механических характеристик ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями;

- предложена опытная технология производства печатные плат с внутренними демпфирующими слоями, предназначенных для создания виброзащищенных ячеек РТУ;

- синтезирован вибропоглощающий материал для внутренних демпфирующих слоев (иа!ент России № 2012506).

Реализация и внедрение результатов работы. Работы по теме диссертации проводились в рамках выполнения НИР кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств ВлГУч: НПО «Полимерсин-тез», г. Владимир; ВНИИ «Сигнал», г. Ковров; ЦНИИАГ, г. Москва; «Вектор», г. Санкт-Петербург. Основные результаты'диссертационной работы внедрены и используются в учебном процессе факультета радиофизики, электроники и медицинской техники Владимирского государственного университета; НПФ «Адгезив», г. Владимир.

На защиту выносятся:

- математическая модель, описывающая механические деформации в печатных платах ячеек РТУ с внутренними демпфирующими слоями на резонансных частотах при действии гармонической вибрации;

-4- алгоритм расчета коэффициента формы колебаний пластинчатых конструкций с произвольными способами крепления;

- математические выражения, связывающие динамические характеристики ячеек РТУ, внутренних демпфирующих слоев и жесткостные характеристики выводов электрорадиоэлементов;

- методика проектирования виброзащищенных ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями;

- состав материала внутренних демпфирующих слоев для проектирования виброзащищенных ячеек РТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- Всесоюзная межотраслевая научно-техническая конференция «САПР приборов и агрегатов» (Суздаль, 1991);

- Международная научно-техническая конференция «Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств» (Москва, 1993);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1994);

- Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры» (Владимир, 1994);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1995);

- VII Всероссийская научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-95) (Крым, 1995);

- НТК профессорско-преподавательского состава ВлГУ (1986-2002 годы).

Публикации по работе. Материалы по теме диссертации опубликованы в 24 работах; в том числе в 5 научно-технических отчетах по НИР и 3 авторских свидетельствах и патентах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 143 страницах, содержит 43 рисунка и 18 таблиц, а также включает список литературы, состоящий из 101 наименования, и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов диссертации.

В первой главе анализируются способы защиты РТУ от дестабилизирующего действия вибрации в период эксплуатации на подвижных объ-

ектах. Приводится перечень актуальных вопросов по тематике диссертации. Формируется цель диссертации и пути ее достижения. На основании проведенного анализа определяется практическая необходимость и актуальность решения задач, подлежащих исследованию и разработке.

Показано, что при эксплуатации на подвижных объектах в конструкциях РТУ могут возникать явления механического резонанса, вызванные внешними вибрациями, в том числе от работы двигателей, и приводящие к отказам: вызванным изменением параметров элементов; нарушением электрического контакта в соединениях; разрушением элементов конструкций РТУ, в том числе вызванным усталостью в материалах. Таким образом, действие вибрации, как одного из дестабилизирующих факторов, снижает надежное 1ь РТУ в период эксплуатации.

Существующие методы защиты РТУ от вибронагрузок (рациональное размещение и ориентация ячеек, изменение жесткости, виброизоляция, динамическое гашение, активные средства) не всегда обеспечивают необходимый результат, особенно при широкополосном вибрационном воздействии. Более эффективны методы, основанные на повышении внутреннего демпфирования в материалах и элементах конструкций, среди которых предпочтительно использование конструкций с внутренними демпфирующими слоями. Это обусловлено улучшением массогабаритных характеристик, отсутствием необходимости изменять конфигурацию печатных проводников и компоновку ЭРЭ, высокой ремонтопригодностью конструкций без ухудшения тепловых режимов (рис. 1).

б)

ОСУд

Рис. 1 Конструкции с внутренними демпфирующими слоями: а) внешний вид, б) схематичное изображение; 1- конструкционный слой, 2 - демпфирующий слой, 3 - ЭРЭ, 4 - основание

Проведенный в работе анализ основан на работах J.E. Ruzicka, D. Ross, Е.Е. Ungar, Е.М. Kerwin, А. Нашифа, Дж. Хендерсона, Д. Джоун-са, A.C. Никифорова, B.C. Ильинского, E.H. Талицкого, А.Г. Позамонтира, Б.Д. Тартаковского, Н.И. Наумкиной и др. Применение многослойных демпфирующих оснований в качестве материала подложки печатных плат либо плоской несущей конструкции для изготовления электронных модулей первого уровня в ли гературе упоминается, однако отсутствуют данные по конкретным реализациям и связанным с этим трудностям: влиянию

конструктивных характеристик печатных плат, например, количества и расположения переходных отверстий на эффективность уменьшения амплитуд резонансных колебаний, а также технологическим аспектам изготовления подобных конструкций и используемым материалам.

Для расчета динамического поведения пластинчатых конструкций с внутренними ДС применяют точные методы, основанные на использовании дифференциальных уравнений и их решении с учетом граничных условий; приближенные методы, основанные на законе сохранения энергии; численные методы на основе конечных элементов (программные реализации: NASTRAN, ANSYS, MARC, GIFTS, COSMOS и др.). Существующие методы не дают возможности рассчитать динамическое поведение слоистых систем с демпфированием при сложных способах крепления и при наличии жестких связей между слоями (переходных и монтажных металлизированных отверстий).

Особую проблему при реализации конструкций с внутренними ДС представляет материал этих слоев, в качестве которого обычно используются различные полимеры и композиции на их основе. Анализ источников показал, что отечественные материалы (полиакрил-В, полиакрил-ВС, ви-понит, «Агат», «Адем-К», ВПС-1, «Антивибрит-1», «Спрут-МП» и др.) обладают узким диапазоном температур эффективного вибропоглощения, не превышающим 50 °С; зарубежные полимеры (С-1002 фирмы EAR Corporation; DYAD 601, 606, 609, Soundcoat N фирмы Soundcoat, Inc; ISD 110, 112, 113 фирмы 3M Company) превосходят отечественные по диапазону эффективного вибропоглощения, однако достаточно высокие цены, а также выпуск в виде готовых листов, рулонов и т.п. сужает возможности их использования в отечественных разработках.

На основании результатов проведенного анализа обосновывается актуальность данной работы, формулируется цель, а также определяются основные задачи исследования.

Во второй главе предложена математическая модель многослойной конструкции с внутренними ДС на основе сочетания аналитического и численного методов.

Многослойные системы (два и более слоев), как и другие системы с высоким конструкционным демпфированием, целесообразно рассчитывать приближенными энергетическими методами, основанными на законе сохранения энергии. Например, метод энергии деформаций основан на том, что коэффициент потерь в слоистой среде можно записать в виде

где 1¥„ог£ - суммарная вибрационная энергия, поглощенная во всех слоях системы за период, №„„„■£ - суммарная потенциальная энергия системы.

После преобразований

п т

^ > У 1к ^'пот Iк

Уг-^г--• (2)

2-/ ^пот 1к 1=14=1

В этом выражении суммирование производится по всем т видам деформаций (изгиб, растяжение-сжатие, сдвиг) и по всем п слоям.

Используя формулу (2), можно получить математическую модель трехслойной пластинчатой конструкции, форма колебаний которой описывается выражением

^ = (3)

где Уху - перемещение точки с координатами х и у, У0 - перемещение основания, РХ,Р их, у - волновые числа и текущие координаты по соответствующим осям. Выражение (3) справедливо для пластины свободно опертой по краям. В случае же других способов крепления подобной математической моделью можно пользоваться с большими допущениями.

Важной динамической характеристикой пластинчатых механических конструкций является коэффициент передачи колебаний, определяемый по выражению

¡К2(х;у)

ц(х;у) =^ у2 +1> (4)

где К(х;у) - коэффициент формы колебаний в точке с координатами х, у; у - коэффициент механических потерь (КМП).

Однако использование выражения (4) для расчета пластинчатых конструкций со сложными конфигурациями и способами крепления затруднено из-за отсутствия методов определения К(х;у).

Коэффициент формы колебаний может быть определен с использованием предложенного подхода, сочетающего аналитический и численный методы, на основании выражения

К(х;у)*ц(х;у) у. (5)

Сущность метода заключается в следующем (рис. 2). Для анализируемой конструкции без ДС принимается некоторое значение КМП у и рассчитываются амплитуды виброускорения У(х;у)в критических точках

при заданном виброускорении точек крепления Уй(х',у) численным методом, например, методом конечных элементов. Затем по формуле

? (Г, у)

V0(x\y)

(6)

определяется коэффициент передачи, а далее по формуле (5) и коэффициент формы колебаний К(х;у). Для типовых конструкций могут быть получены карты значений коэффициентов формы колебаний К(х;у) с учетом на-гружения ЭРЭ.

Таким образом, рациональное комбинирование численного и аналитического методов позволяет значительно ускорить анализ и синтез конструкций с ДС любой сложности, обеспечивая достаточную точность расчетов без ограничений на способы крепления.

Жесткие поперечные связи, образованные выводами элек-трорадиоэлеменюв, в основном влияют на свойства (жесткость) внутреннего демпфирующего слоя, поэтому целесообразно определять приведенные характеристики (модуль упругости и коэффициент механических потерь) материала внутреннего слоя, состоящего из демпфирующего полимера и материала выводов электрорадиоэлементов. Нахождение приведенных характеристик материала внутреннего слоя позволит использовать существующие математические модели трехслойных конструкций и, что более важно, существующее программное обеспечение. Полученные автором формулы (7), (8), (9) служат для нахождения приведенных модуля упругости Ег и коэффициент механических потерь Г]^ материала внутреннего слоя:

Рис 2 Ачгоритм расчета коэффициента формы колебаний К(х;у) при произвольном способе крепления с использованием аналитического и численного методов

0 + ств)£сЛ'с

„ _ + ке лв Е - ^ + <У^Ес ^ +(1 + (Ус)Ев + (9)

О + стЛО + а,^

где - площадь, Г) - коэффициент механических потерь, Е - модуль упругости, ст - коэффициент Пуассона; индексы «Е» - внутренний слой с выводами ЭРЭ, «в» - выводы ЭРЭ, «с» - внутренний слой без выводов.

Для определения приведенного значения коэффициента Пуассона СТ5. используется метод осреднения по объему:

аг = а, , (10)

1

где а, - относительный объем каждого материала во внутреннем слое; ст, - коэффициент Пуассона г-го материала во внутреннем слое.

Наиболее эффективной математической моделью и-слойных систем является модель на основе метода приведения, однако она не учитывает реальные соотношения жесткостей отдельных слоев, что приводит к ошибкам.

Предлагаемая математическая модель построена на основе модели трехслойной системы с одним демпфирующим слоем и модифицированного метода приведения. Для каждого слоя из вибропоглощающего материала рассчитывается его жесткость в предположении, что коэффициенты Пуассона демпфирующих слоев близки по величине и, следовательно, не влияют на взаимное соотношение жесткостей слоев. Тогда

К=Е,Н„ (11)

где модуль упругости и толщина /- го слоя.

Величина К, представляет собой оценку возможных сдвиговых деформаций в слое, так как Е, пропорционально модулю сдвига /- го слоя.

Предполагается, что в демпфирующем слое, имеющем минимальную жесткость, потенциально возможны максимальные деформации сдвига, а имеющем максимальную жесткость - минимальные. Слои с большей жесткостью будут выполнять функцию конструкционных (при определенной частоте и температуре).

На первом этапе приведения демпфирующий слой с максимальной жесткостью дополняется до трехслойной системы двумя его окружающими конструкционными слоями. Полученная таким образом трехслойная модель рассматривается как отдельная конструкция, для которой рассчитываются характеристики (собственная частота, коэффициент передачи и потерь конструкции).

На втором этапе рассматриваемые три слоя заменяются на эквивалентный один и для него определяются: приведенный модуль упругости и толщина, равная сумме толщин входящих слоев. Плотность эквивалентного слоя принимается усредненной по трем слоям с учетом их толщин. Приведенный модуль упругости рассчитывается по формуле (12), полученной из преобразования формул (13) и (14), справедливых при колебаниях однородных пластин:

где /о - собственная частота колебаний конструкции; Н - толщина конструкции (слоя); ст - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости; а - длина конструкции (расстояние между опорами); т - масса единицы площади конструкции; а - коэффициент, зависящий от способа крепления; О - цилиндрическая жесткость.

Далее расчет повторяется начиная с первого этапа, но объектом исследования выступает (п-2) - слойная конструкция.

На заключительном этапе от и-слойной остается приведенная трехслойная сис1ема с максимальными сдвиговыми деформациями в вибро-поглощающем слое и возможностью расчета в соответствии с математической моделью плоского элемента конструкции РТУ с одним демпфирующим слоем.

В третьей главе показано, Что применение метода виброзащиты РТУ с помощью внутренних'ДС невозможно без наличия полимерных материалов (ПМ) с заданными механическими свойствами. Таким образом, задача исследования ПМ разбивается на две подзадачи:

- разработка методики исследований динамических механических свойств ПМ и соответствующего оборудования;

- исследование и синтез ПМ для внутренних ДС.

Известны различные методы измерения динамических механических характеристик ПМ: квазистатические, маятниковые, гистерезисные, фазовые, тепловые, волновые и резонансные. Для измерения параметров материалов в частотном и температурном диапазонах наиболее эффективны

Е =

48 712 /02 а4 т (1 - а2) Я3 а2 ;

(12)

(13)

(И)

резонансные методы. Существующие средства измерения, реализующие методы резонансных колебаний, обладают низкой производительностью и большими погрешностями. Предложенная установка (A.c. 1539578, A.c. 1629813) значительно превосходит известные аналоги по производительности и точности результатов.

Установка при помещении в термокамеру обеспечивает получение данных о динамическом модуле упругости и коэффициенте механических потерь в диапазоне температур от минус 80 °С до плюс 80 °С и частот от 20 Гц до 2 кГц.

Для создания полимерного материала внутренних ДС печатных плат РТУ была разработана методика, базирующаяся на сформулированных основных группах требований к полимерам, обеспечивающим эффективную виброзащиту. Основные группы требований:

- требования, характеризующие пригодность ПМ для конкретной конструкции с учетом ее производства и эксплуатации (стойкость к воздействию повышенной температуры, действию химических веществ, прочность клеевых соединений с конструкционными материалами, необходимые диэлектрические свойства);

- требования, характеризующие эффективность виброзащиты и учитывающие динамические механические характеристики материала (коэффициент механических потерь не менее 0,1; динамический модуль упругости 105...107 Па).

Было определено, что для изготовления внутренних ДС в наибольшей степени подходят полиурегановые компаунды. С использованием теории планирования эксперимента проводились исследования по определению оптимального состава полимера, в частности, в таблице приведены данные о составе и характеристиках некоторых экспериментальных образцов.

Опытный образец №60 в наибольшей степени соответствовал вышеуказанным требованиям. Дальнейшие исследования привели к синтезу ПМ для изготовления внутренних слоев с необходимыми характеристиками (Патент 2012506) (рис. 3):

- диапазон эффективного вибропоглощения составляет от минус 60 °С до плюс 50 °С, т.е. 110 °С;

- максимальное значение коэффициента механических потерь находится в области отрицательных температур (при температуре минус 30 °С).

Полимер содержит:

- компонент А (Вилад А-8П марки В-3 ТУ 6-05-2018-86);

- компонент Б (Вилад-17 ТУ 6-05-1979-84);

- катализатор реакции уретанообразования (например дибутилдилау-ренат олова).

Химический состав (г) и характе

щстики опытных материалов

Вещество 57 58 59 60

Полиоксипропиленэтилентриол М.М. 5000 100 100 100 100

Диэтиленгликоль 2,12 2,12 10,6 10,6

Цеолит 7 7 7 7

Тальк 9,6 78 10,2 78,2

Отвердитель 82,5 82,5 208 208

Температура максимума КМП, °С -50 -30 -10 -25

Ширина полосы КМП на уровне 0,1, °С -80;+20 -50;0 -40;+40 -50;+40

Полимер изготавливается из смеси компонентов А и Б, причем последний состоит из смеси компонента Вилад-17 и полиизо-цианата марки Б ТУ 11303-375-75 при их соотношении соответственно, вес. %, 90...98 и 10...2) в расчете на 100 вес. % компонента А.

Разработанный полимер стоек к воздействию Рис. 3 Зависимости динамического модуля упруго- повышенной температуры emu Е (Па) и коэффициента механических потерь у /д0 j^q Н£ менее 5 ми_ от температуры

нут), к агрессивным средам, применяемым в производстве печатных плат, не выделяет вредных веществ i процессе производства и эксплуатации, а также не оказывает коррозирующего действия на контактирующие с ним материалы.

В четвертой главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований ячеек РТУ с внутренними демпфирующими слоями, подтверждающие адекватность разработанных во второй главе математических моделей. Исследования проведены на базе промышленно выпускающихся конструкций. Анализ результатов испытаний показал, что разработанные в диссертационной работе математические модели и методики проектирования конструкций РТУ позволяют добиться существенного (2... 10 раз) снижения амплитуд резонансных колебаний и, как следст-

Е, МПа -о-КМП

вие, повышения надежности РТУ специального назначения в период эксплуатации. Например, на рис. 4 представлены зависимости коэффициента передачи от частоты для печатной платы без виброзащиты и печатной платы с ДС. Применение демпфирующих слоев позволило снизить коэффициент передачи в 8 раз. В главе также описаны результаты апробации и внедрения работы.

Отработана технология изготовления многослойных демпфирующих печатных плат с применением традиционного комбинированного позитивного метода на основе водощелочного сухого пленочного фоторезиста СПФ-ВЩ (либо методом сеткографии со щелочносмываемой трафаретной краской СТ-3-12 с добавлением гальваностойкой краски СТ-3-13).

В заключении приведены основные результаты работы, состоящие в следующем:

1. Разработана математическая модель ячейки радиотехнического устройства с вибродемпфированным основанием при произвольном способе крепления, учитывающая влияние жестких связей (штырьковых выводов электрорадиоэлементов и (или) переходных отверстий) на свойства внутренних демпфирующих слоев.

2. Предложен алгоритм проектирования виброзащищенных ячеек и блоков радиотехнических устройств, использующих внутренние демпфирующие слои, рационально сочетающий аналитический и численный (например метод конечных элементов) методы в анализе разрабатываемых конструкций.

3. Предложена методика расчета виброзащищенных ячеек радиотехнических устройств с основаниями, содержащими не менее двух демпфирующих слоев, путем приведения их к трехслойным, позволяющая распространить математическую модель трехслойной конструкции на п-слойные.

4. Разработана установка и методика проведения экспериментальных исследований динамических механических свойств полимерных материалов.

-•-ППбезДС -*-ППсДС

Рис 4. Зависимости коэффициента передачи от частоты колебаний для печатной платы

- 145. На основе предложенной методики создания полимерных материалов для внутренних демпфирующих слоев разработан и исследован по-лиуретановый компаунд, отвечающий необходимым требованиям.

6. Разработана технология изготовления печатных плат с демпфирующими слоями, обеспечивающая сохранение свойств материала внутренних слоев и получение металлизированных переходных и монтажных отверстий.

7. Проведены теоретические и экспериментальные исследования ячеек РТУ с внутренними демпфирующими слоями.

Результаты теоретических исследований и испытаний разработанных математических моделей, методик и алгоритмов дают основание заключить, что применение внутренних демпфирующих слоев в ячейках радиотехнических устройств позволяет снижать амплитуды виброускорений до допустимых уровней. ТГри этом важным является то, что многослойное демпфирующее основание ячейки радиотехнического устройства может заменять штатное основание без серьезных изменений конструкторской документации. Разработанный полиуретановый компаунд обеспечивает возможность создания подобных конструкций.

Полученные в диссертационной работе теоретические и прикладные результаты внедрены в НПО «Полимерсинтез» (НПФ «Адгезив»), г. Владимир и во Владимирском государственном университете при научно-технических исследованиях и подготовке специалистов в области проектирования конструкций радиотехнических устройств и систем различного назначения.

Основной итог диссертационной работы заключается в теоретическом обобщении совокупности новых научно-технических решений в рамках сформулированной задачи и разработке методик проектирования виб-ррзащищенных радиотехнических устройств с демпфирующими слоями.

В приложениях приведены дополнительные материалы по исследованию динамических характеристик образцов конструкций РТУ.

Публикации по работе. Основные материалы диссертации опубликованы:

1. Евграфов В.В., Талицкий E.H. Синтез виброустойчивых ячеек РЭС по, заданной долговечности радиоэлементов // Использование вычислительной техники и САПР ■ в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах: Тез. докл. 4-й республиканской науч.-техн. конф., май 1989 г. - Владимир, 1989. - С. 51-52.

2. Евграфов В.В. Исследование конструкций РЭА с полимерными демпферами// Научные исследования института - техническому и куль-

турному прогрессу: Материалы 25-й науч. конф. Владимирского политехи, ин-та, 30 января - 2 февраля 1990 г. - Владимир, 1990. - 4.1. - С. 103.

3. Талицкий E.H., Матюхина Г.Н., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Исследование вибропоглощающих свойств пенополиэтиленов // Научные исследования института - техническому и культурному прогрессу: Материалы 25-й науч. конф. Владимирского политехи, ин-та, 30 января - 2 февраля 1990 г. - Владимир, 1990. - 4.1. - С. 101.

4. Евграфов В.В. Исследование эффективности вибродемпфирован-ных плат РЭА II Радиотехнические системы и устройства в народном хозяйстве: Тез. докл. молодых специалистов и студентов. - Владимир, 1990. -С. 45-47.

5. Талицкий E.H., Евграфов В.В. Пакет прикладных программ синтеза вибродемпфированных ячеек РЭС // САПР приборов и агрегатов: Тез. докл. Всесоюз. Межотраслевой науч.-техн. конф., 26-29 марта 1991 г. -Суздаль, 1991.-С. 41.

6. Долгов Г.Ф., Евграфов В.В., Талицкий E.H. Исследование внутреннего нагрева демпфирующих материалов при виброиспытаниях // Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств: Материалы Междунар. науч.-техн. конф., 8-11 июня 1993 г. - М., 1993. - С. 103.

7. Евграфов В.В., Талицкий E.H., Машичин С.М. Высокодемпфиро-ванные печатные платы // Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств: Материалы Междунар. науч.-техн. конф., 8-11 июня 1993 г.-М., 1993.-С. 102.

8. Давыдов H.H., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Методы и средства измерения физико-механических свойств виброзащитных материалов // Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии: Материалы Всероссийской науч.-техн. конф., 18-20 мая 1994 г. - Владимир., 1994. -С. 215-218.

9. Долгов Г.Ф., Евграфов В.В., Талицкий E.H. О возможности применения конечно-элементной системы «ИСКРА» для расчета динамических характеристик конструкций ЭА И Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры: Тр. Всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участием, 1994 г. - Владимир, 1994. - С. 76-77.

10. Давыдов H.H., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В., Талицкий E.H. Система измерения динамических механических параметров материалов // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-95): Тез. докл. VII Всероссийской науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов, май 1995 г. - Крым, 1995. - Т.1. -С. 81-82.

11. Талицкий E.H., Долгов Г.Ф., Евграфов B.B. Определение динамических механических характеристик вибропоглощающих материалов // Конверсия, приборостроение, рынок: Ма1ериалы Всероссийской науч,-техн. конф., 20-22 июня 1995 г. - Владимир, 1995. - С. 113-115.

12. Талицкий E.H., Евграфов В.В., Кузьмин В.Н., Егоров С.Ф. Виб-ропоглощающий слоистый ма1ериал. - Владимир, 1995. - Зс. - Информ. листок Владим. центра науч.-техн. информ. 12.05.95, серия Р.61.61.09, № 60-95.

13. Долгов Г.Ф., Евграфов В.В., Талицкий E.H. Исследование внутреннего нагрева вибропоглощающих материалов // Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем: Сб. науч. тр. Владим. гос. техн. ун-та 1996 г. - Владимир, 1996. - С. 146-149.

14. Евграфов В.В., Талицкий E.H. Высокодемпфированные печатные платы // Электроника, информатика и управление: Сб. науч. Тр. преподавателей, сотрудников и аспирантов. - Владимир, 2000. - С. 164-169.

15. Евграфов В.В., Талицкий E.H. Применение промышленных САПР для оптимизации конструкций электронных средств с демпфирующими элементами // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Материалы междунар. науч.-практ. конф. В В ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НАБЛА, 2000. -Ч. 7. - С. 7-8.

16. A.c. 1539578 СССР, МКИ G01N3/32. Резонансный способ определения динамических характеристик низкомодульных материалов / Г.Ф. Долгов, В.В. Евграфов, E.H. Талицкий (все СССР). - Зс.: ил.

17. A.c. 1629813 СССР, МКИ G01N3/32. Устройство для циклических нагружений партии образцов / H.H. Давыдов, E.II. Талицкий, Г.Ф. Долгов, В.В. Евграфов (все СССР). - 4с.: ил.

18. Патент 2012506 России, МКИ В32В27/40. Вибропоглощающий слоистый материал/ E.H. Талицкий, В.В. Евграфов, В.Н. Кузьмин, С.Ф. Егоров (все СССР). - 8с.: ил.

19. Евграфов В.В. Оценка эффективности вибропоиющающих печатных плат с внутренними демпфирующими слоями при различных способах крепления // Материалы науч.-техн. конф. преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета радиофизики, электроники и медицинской техники. - Владимир, 2003. - С. 63-67.

ЛР № 020275. Подписано в печать 12.11.03. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печа1ь на ризографе. Усл. иеч. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1,07. Тираж 100 экз.

Заказ ¿М/б'^ИЮИ/! Редакционно-издательский комплекс Владимирского государственного университета. 600000, Владимир, ул. Горького, 87

#21527

2ооз?-А 2

Перечень используемых сокращений.

Введение.

1. Анализ методов защиты РТУ от воздействия вибрации

1.1. Анализ действия вибрационных нагрузок на РТУ

1.2. Методы защиты РТУ от вибрации.

1.2.1. Классификация методов виброзащиты РТУ

1.2.2. Методы защиты РТУ с использованием полимерных демпферов

1.2.3. Особенности виброзащиты ячеек РТУ внутренними демпфирующими слоями

1.3. Полимерные материалы для внутренних демпфирующих слоев

1.3.1. Основные характеристики полимерных материалов

1.3.2. Требования к полимерным материалам для внутренних демпфирующих слоев

1.3.3. Анализ существующих полимерных материалов

1.4. Задачи исследования

2. Метод виброзащиты ячеек РТУ внутренними демпфирующими слоями

2.1. Математическая модель плоского элемента конструкции РТУ с внутренним демпфирующим слоем

2.2. Математическая модель плоского элемента конструкции РТУ с несколькими внутренними демпфирующими слоями.

2.3. Учет влияния конструктивных особенностей печатных плат РТУ с внутренним демпфирующим слоем на их эффективность

2.4. Алгоритм проектирования виброзащищенных ячеек и блоков РТУ, использующих внутренние демпфирующие слои

2.4.1. Обобщенный алгоритм проектирования

2.4.2. Разработка методики расчета конструкций при произвольном способе крепления

Выводы по разделу

41 3. Исследование полимерных материалов для изготовления демпфирующих слоев

3.1. Методика экспериментальных исследований динамических механических свойств полимерных материалов

3.2. Результаты исследований полимерных материалов для изготовления внутренних демпфирующих слоев печатных плат РТУ

Выводы по разделу

4. Экспериментальные исследования метода виброзащиты ячеек РТУ внутренними демпфирующими слоями

4.1. Исследование ячеек РТУ с внутренними демпфирующими слоями

4.2. Особенности технологии изготовления печатных плат с внутренними демпфирующими слоями

4.3. Внедрение результатов работы

Выводы по разделу

Радиотехнические устройства (РТУ), устанавливаемые на подвижных объектах, в период транспортирования и эксплуатации подвергаются интенсивным механическим воздействиям - ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам. Опыт эксплуатации РТУ специального назначения показывает, что на долю механических воздействий приходится до 60 % отказов. Для РТУ, работающих в условиях воздействия вибраций в широком диапазоне частот (ракетные, авиационные системы и др.), характерно возникновение резонансных колебаний элементов конструкций, в том числе и ячеек, при которых виброускорения на электрорадиоэлементах (ЭРЭ) возрастают в десятки раз, что может явиться причиной отказов. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов конструкций РТУ или снижение в таких системах амплитуды резонансных колебаний до допустимого уровня является одной из важнейших задач [1].

Для решения этой задачи применяют традиционные способы виброзащиты, такие как: рациональное размещение и ориентация ЭРЭ и ячеек, изменение жесткости элементов конструкций, виброизоляция, динамическое гашение колебаний. Однако они эффективны в узком частотном диапазоне и (или) увеличивают массогабаритные параметры. При действии вибрации в диапазоне частот до 500 Гц и выше, характерных для изделий специального назначения [2-5], практически единственным способом уменьшения амплитуд резонансных колебаний является увеличение демпфирующих свойств, достигаемое введением в конструкцию полимерных демпферов (ПД), которые выполняются в виде демпфирующих вставок (ДВ), демпфирующих ребер (ДР), демпфирующих внутренних и внешних слоев. Работы по теории и практике таких устройств проводятся в США, Германии, Японии и других развитых странах. В России такие работы применительно к электронным средствам подвижных объектов проводятся во Владимирском государственном университете под руководством профессора

Е.Н. Талицкого [6-10]. Виброзащита РТУ внутренними демпфирующими слоями (ДС) обеспечивает значительное уменьшение амплитуд резонансных колебаний в широких диапазонах частот вибраций и температур (от минус 50 до плюс 50 °С), не ухудшая при этом ремонтопригодность, тепловые режимы и массогабаритные характеристики РТУ.

Виброзащита РТУ внутренними ДС заключается в том, что плоские элементы конструкций, включая шасси и печатные платы (ПП), выполняются не из однородного конструкционного материала, а из многослойного, в котором конструкционные слои чередуются с внутренними слоями демпфирующего материала. При действии возбуждающей вибрации и возникновении резонанса происходят деформации демпфирующих слоев, изготовленных 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:

- метод применяется для однородных плоских конструкций простейшей конфигурации и не учитывает особенностей его реализации в конструкциях РТУ (наличие переходных отверстий в печатных платах, сложная форма печатных плат, широкие диапазоны температур и частот эксплуатации);

- отсутствуют математические модели, учитывающие особенности реализации конструкций РТУ с демпфирующими слоями (сложные способы крепления; жесткие поперечные связи между слоями, образованные выводами ЭРЭ и т.п.);

- отсутствуют вибропоглощающие материалы (ВПМ), обеспечивающие эффективное гашение колебаний в широких диапазонах температур и частот и устойчивые к воздействию вредных факторов (повышенная температура, агрессивные среды) производства печатных плат;

- отсутствует технология изготовления печатных плат из многослойного демпфирующего материала.

Цель работы: разработка методики проектирования ячеек и плоских элементов конструкций радиотехнических устройств, работающих в широких диапазонах температур и частот вибрации.

Задачи исследования:

1) Проведение анализа методов виброзащиты РТУ полимерными демпферами в виде внутренних демпфирующих слоев и свойств материалов для их реализации.

2) Разработка и исследование математической модели ячейки РТУ с вибродемпфированным многослойным основанием.

3) Определение требований к материалам внутренних демпфирующих слоев шасси и печатных плат.

4) Разработка методики проектирования виброзащищенных ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями.

5) Апробация разработанной методики проектирования виброзащищенных ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе:

- разработана и исследована математическая модель ячейки РТУ с вибродемпфированным многослойным основанием, описывающая ее поведение на резонансных частотах при гармонической вибрации и учитывающая ее конструктивные особенности;

- на основе сочетания аналитического и численного методов разработан алгоритм расчета коэффициента формы колебаний плоских элементов конструкций (пластин) с произвольным способом крепления;

- получены математические выражения, связывающие динамические характеристики ячеек РТУ, внутренних демпфирующих слоев и жесткостные характеристики выводов электрорадиоэлементов;

- разработан алгоритм проектирования плоских элементов конструкций РТУ, включая ячейки, с внутренними демпфирующими слоями;

- определены требования к материалам внутренних демпфирующих слоев.

Практическая ценность:

- разработана методика конструирования и инженерно-технического расчета динамических механических характеристик ячеек и плоских элементов конструкций РТУ с внутренними демпфирующими слоями;

- предложена опытная технология производства печатных плат с внутренними демпфирующими слоями, предназначенных для создания виброзащищенных ячеек РТУ; синтезирован вибропоглощающий материал для внутренних демпфирующих слоев (патент России № 2012506).

Реализация и внедрение результатов работы. Работы по теме диссертации проводились в рамках выполнения НИР кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств ВлГУ с НПО «Полимерсинтез», г. Владимир; ВНИИ «Сигнал», г. Ковров; ЦНИИАГ, г. Москва; «Вектор», г. Санкт-Петербург. Основные результаты диссертационной работы внедрены и используются в учебном процессе факультета радиофизики, электроники и медицинской техники Владимирского государственного университета; НПФ «Адгезив», г. Владимир.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- Всесоюзная межотраслевая научно-техническая конференция «САПР приборов и агрегатов» (Суздаль, 1991);

Международная научно-техническая конференция «Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств» (Москва, 1993);

Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1994);

- Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры» (Владимир, 1994);

Всероссийская научно-техническая конференция «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1995);

- VII Всероссийская научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-95) (Крым, 1995);

НТК профессорско-преподавательского состава ВлГУ (1986-2002 годы).

Публикации по работе. Материалы по теме диссертации опубликованы в 24 работах; в том числе в 5 научно-технических отчетах по НИР и 3 авторских свидетельствах и патентах.

Выводы по разделу 3

1. Разработана установка и методика проведения экспериментальных исследований динамических механических свойств полимерных материалов.

2. Предложена методика создания полимерного материала для внутренних демпфирующих слоев на основе классификации требований к полимерным материалам.

3. Разработан и -исследован вибропоглощающий полимерный материал на основе полиуретанового компаунда, отвечающий требованиям, предъявляемым к материалам внутренних демпфирующих слоев многослойных плат.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА ВИБРОЗАЩИТЫ ЯЧЕЕК РТУ ВНУТРЕННИМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ СЛОЯМИ

Раздел содержит результаты экспериментальных исследований ячеек РТУ, разработанных с использованием метода виброзащиты внутренними демпфирующими слоями, подтверждающие адекватность математических моделей. Даны рекомендации по технологии изготовления печатных плат с внутренними демпфирующими слоями. Приведены сведения о внедрении результатов работы.

4Л. Исследование ячеек РТУ с внутренними демпфирующими слоями

Оценка эффективности защиты от механических воздействий может быть осуществлена сравнением динамических характеристик защищенных различными способами от вибрации ячеек с вариантами ячеек без защиты. При этом наиболее важная динамическая характеристика - зависимость коэффициента передачи от частоты в определенной точке ячейки. Зависимость коэффициента передачи от частоты определялась на экспериментальной установке по методике, изложенной в прил. 2 [88].

С целью оценки целесообразности использования рассматриваемого способа виброзащиты были проведены исследования динамических характеристик макетов конструкций типичных блоков ФГУП «ВНИИ «Сигнал» г.Ковров: Б305, Б024, Б322 [13]. Указанные блоки эксплуатируются с диапазоне частот возбуждающей вибрации до 500 Гц. Для применения внутренних демпфирующих слоев наиболее показательны ячейки блока Б305, имеющие большие габариты и значительные перегрузки по виброускорению (см. 1.3 и табл. 1.1). При исследованиях определялась зависимость коэффициента передачи от частоты, измеренная в различных точках макета. Макеты изготавливались на базе несущих конструкций, используемых в изделиях, печатные платы заменялись пластинами соответствующих размеров из стеклотекстолита, на которые с помощью эпоксидного клея устанавливались эквиваленты электрорадиоэлементов, выполненных из дюралюминия. Макеты крепились на столе вибратора способом, аналогичным их креплению в блоках.

На рис. 4.1а и 4.2 представлены макет и рамка ячейки Б305, а на рис.4.3 амплитудно-частотные характеристики различных вариантов конструкций. Анализ кривой 1 (рис. 4.3) показывает, что исходная ячейка имеет резонанс на частоте около 300 Гц с коэффициентом передачи более 90, являющийся первым собственным резонансом конструкции. Аналогичные испытания были проведены и для других точек конструкции. С целью сокращения объемов графиков и повышения наглядности представления информации на рис. 4.4 приведено расположение точек измерения коэффициента передачи на соответствующей частоте для ячеек блока Б305, причем для конструкции с установленными и со снятыми печатными платами.

Из рис. 4.4 следует, что конструкция имеет наиболее сильный резонанс на частоте 287 Гц. Причем испытания рамки без печатных плат показали ее собственный резонанс на частоте около 400 Гц с коэффициентом передачи в центре 340. Т.е. рамка не выполняет функцию повышения жесткости конструкции и вывода резонансных частот за верхнюю границу диапазона эксплуатации изделия, а, наоборот, "раскачивает" печатные платы. Таким образом, необходимо выполнить мероприятия по снижению уровня коэффициента передачи и виброускорения на печатной плате.

На основании проведенных испытаний для блока Б305 целесообразно исключить рамку из конструкции а, печатные платы выполнить с габаритными размерами, равными габаритным размерам рамки, с установкой на монтажные штыри с помощью втулок, причем крепление осуществляется только в четырех точках (рис. 4.16).

С целью предварительной оценки эффективности была изготовлена и испытана (рис. 4.3) печатная плата с внутренними демпфирующими слоями.

1 + + ч + т.№1

G + + а) б)

Рис, 4.1. Макет ячейки Б305: а) - штатная конструкция ячейки, б) - ячейка без рамки; I — печатная плата, 2 - рамка, 3- стол вибратора (основание), 4 - втулка

Рис. 4.2. Рамка ячейки Б305

Плата с внутренним ДС была изготовлена из двух стеклотекстолитовых пластин толщиной по 0,8 мм, склеенных слоем полимера ВИЛАД-8П марки ВЗ толщиной 0,4 мм, таким образом, суммарная толщина макета составляла (0,8 мм + 0,4 мм + 0,8 мм) = 2,0 мм. На рис. 4.3 (кривые 2 и 3) представлены амплитудно-частотные характеристики такой конструкции. Демпфированная плата позволила снизить коэффициент передачи с 98 до 12, при этом частота первого резонанса уменьшилась до 90 Гц. В экспериментах применялись печатные платы, нагруженные эквивалентами электрорадиоэлементов, общей массой 40 г (на одну печатную плату).

Проведенные предварительные эксперименты с ячейками Б305 показали эффективность применения демпфированных печатных плат, которые при меньшем количестве точек крепления позволяют уменьшить максимальный коэффициент передачи конструкции.

Рис. 4.3. Амплитудно-частотная характеристика макета ячейки Б305:

1 - точка №1 рис. 4.1, конструкция без демпфирования,

2 - точка №2 рис. 4.1, ГШ с внутренним ДС без рамки,

3 - точка № 3 рис. 4.1, ГШ с внутренним ДС без рамки

Коэффициент передачи на печатной плате

Коэффициент передачи на рамке без печатной платы

Рис. 4.4. Расположение точек измерения параметров вибрации на макете Б305

Оценка точности расчета динамических характеристик трехслойных конструкций с внутренними демпфирующими слоями проведена на примере ячейки блока Б305 с исключенной металлической рамкой, а печатные платы изготовлены по ее габаритам с креплением по четырем точкам (рис. 4.16). Из технологических соображений для исследований применялись печатные платы, состоящие из стеклотекстолитовых пластин толщиной по 0,8 мм, склеенных полимерным компаундом Вилад-8П марки В-3. Толщина слоя компаунда составляла 0,2 мм, размеры печатной платы - 0,21м х 0,13м. Крепление платы соответствовало симметричному 4-х точечному, расстояние между опорами - 0,2 и 0,12 м. Характеристики материалов, используемых в конструкции, являются исходными данными для расчета. Параллельно с исследованием трехслойной конструкции по методике, изложенной в п.3.1, были определены характеристики полимера Вилад-8П марки В-3, применявшегося при моделировании. При температуре 20 °С динамический модуль упругости составил 5,0 МПа, коэффициент механических потерь - 0,29.

Моделирование печатной платы проводилось без нагружения электрорадиоэлементами, однако в центре устанавливался вибродатчик весом 20 Г (сосредоточенная масса), а т.к. в расчетах собственной частоты по формуле Релея-Ритца (реализованной в программе LAYER) используется распределенная по площади масса, то по рекомендациям [2] она принималась увеличенной в четыре раза.

Важное значение для получения достоверных результатов имеют параметры конструкции: частотный коэффициент ос в формуле Релея-Ритца, коэффициент формы колебаний К(х, у), коэффициент механических потерь конструкции до защиты у н. Перечисленные параметры могут быть получены с использованием программ на ЭВМ, реализующих численные методы, либо экспериментально. Второй вариант в большей степени приближен к экспериментальным исследованиям, поэтому он и был использован. В этом случае экспериментально определялась амплитудно-частотная характеристика однородной печатной платы из стеклотекстолита, толщиной 1,75 мм, с вибродатчиком, установленным в центре. Получены следующие данные:

- частота первого резонанса У^0 = Ю8 Гц;

- максимальный коэффициент передачи (при резонансе) - 52;

- ширина резонансной кривой на уровне 0,707 — (108,5-105,8)= 2,7 Гц;

- частота первого резонанса без вибродатчика - 131 Гц. Начальный коэффициент механических потерь конструкции до защиты

ДДж=227 = /0 108

Коэффициент формы колебаний К(х, у) определяется по формуле, полученной преобразованием из известного выражения [8] где Цц^х - коэффициент передачи конструкции на частоте резонанса fo, тогда коэффициент формы колебаний в центре платы

К( 0,5; 0,5) = yj0,0252(522-1) = 1,2996 ~ 1,3.

Частотный коэффициент а может быть определен преобразованием формулы Релея-Ритца [8] а I ЕН3 f

2па2 Al 12(1 - о2)рН где а - длина платы (между опорами), Е - модуль упругости, а - коэффициент Пуассона, р - плотность материала платы; Н - толщина платы. а = , = , 2ti-131-0,22 ^

EH3 3-101Q -0,001753

V 12рЯ(1 - a2) V 12 •2050 • 0,00175(1 - 0,222)

Частота первого резонанса в расчете коэффициента а принималась равной 131 Гц, как на печатной плате без нагружения. В противном случае в выражении (рН) необходимо было учитывать сосредоточенную массу датчика.

В прил. 4 (пример расчета 2) приведены результаты расчета динамических характеристик трехслойной конструкции, полученные по программе LAYER; в табл. 4.1 - результаты экспериментальных исследований, проведенных по методике прил. 2 для виброускорения основания 1,5^, в табл. 4.2 -теоретические и экспериментальные характеристики конструкций.

В табл. 4.2 коэффициент уменьшения амплитуды по виброускорению определялся как отношение начального коэффициента механических потерь конструкции до защиты унк коэффициенту механических потерь конструкции с внутренним демпфирующим слоем у (т.е. после защиты) по формуле

Анализ результатов, приведенных в табл. 4.2 показывает, что усредненные экспериментальные значения коэффициентов передачи при резонансе, механических потерь, уменьшения амплитуды по ускорению лежат в границах теоретически рассчитанных интервалов, а экспериментальное усредненное значение собственной частоты платы 77,4 Гц находится в допустимых пределах ±20% отклонения от минимальной границы теоретических значений [8, 9]

96,47 - (96,47 х 0,2) = 77,18 (Гц).

Поэтому модель трехслойной конструкции может применяться для теоретических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель ячейки радиотехнического устройства с вибродемпфированным основанием при произвольном способе крепления, учитывающая влияние жестких связей (штырьковых выводов электрорадиоэлементов и (/или) переходных отверстий) на свойства внутренних демпфирующих слоев.

2. Предложен алгоритм проектирования виброзащищенных ячеек и блоков радиотехнических устройств, использующих внутренние демпфирующие слои, рационально сочетающий аналитический и численный (например, метод конечных элементов) подходы в анализе разрабатываемых конструкций.

3. Предложена методика расчета виброзащищенных ячеек радиотехнических устройств с основаниями содержащими более одного демпфирующего слоя, путем приведения их к трехслойным, позволяющая распространить математическую модель трехслойной конструкции на п-слойные.

4. Разработана установка и методика проведения экспериментальных исследований динамических механических свойств полимерных материалов.

5. На основе предложенной методики создания полимерных материалов для внутренних демпфирующих слоев разработан и исследован полиуретановый компаунд, отвечающий необходимым требованиям.

6. Разработана технология изготовления печатных плат с демпфирующими слоями, обеспечивающая сохранение свойств материала внутренних слоев и получение металлизированных переходных и монтажных отверстий.

7. Проведены теоретические и экспериментальные исследования ячеек радиотехнических устройств с внутренними демпфирующими слоями.

Результаты теоретических исследований и испытаний разработанных математических моделей, методик и алгоритмов дают основание заключить, что применение внутренних демпфирующих слоев в ячейках радиотехнических устройств позволяет снижать амплитуды виброускорений до допустимых уровней. При этом важным является то, что многослойное демпфирующее основание ячейки радиотехнического устройства может заменять штатное основание в ранее разработанных устройствах без серьезных изменений конструкторской документации. Разработанный полиуретановый компаунд обеспечивает возможность создания подобных конструкций.

Полученные в диссертационной работе теоретические и прикладные результаты внедрены во ВНИИ «Сигнал» г. Ковров, НПО «Полимерсинтез» (НПФ «Адгезив») г. Владимир и во Владимирском государственном университете при научно-технических исследованиях и подготовке специалистов в области проектирования конструкций радиотехнических устройств и систем различного назначения.

Основной итог диссертационной работы заключается в теоретическом обобщении совокупности новых научно-технических решений в рамках сформулированной задачи и разработке методик проектирования виброзащищенных радиотехнических устройств с демпфирующими слоями.

1. Вибрации в технике: Справ.: В 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.), -М.: Машиностроение, 1978 1981.

2. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г.Варламова М.: Сов. радио, 1980. - 480 С.

3. Изделия ГСП: Общие технические условия: ГОСТ 12997-84. М.: Изд-во стандартов, 1984. 47 С.

4. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические: Методы испытаний: ГОСТ 20.57.406-81. М.: Изд-во стандартов, 1981.- 183 С.

5. Изделия электротехнические: Методы испытаний на стойкость к механическим внешним факторам: ГОСТ 16962.2-90. М.: Изд-во стандартов, 1990.-48 С.

6. Талицкий Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т., Владимир, 2001.-256 С.

7. Виброзащита РЭС полимерными демпферами: Учеб. пособие / Е.Н.Талицкий; Владим. политехи, ин-т., Владимир, 1993. 88 С.

8. Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.А.Фролова. М.: Радио и связь, 1984. 224 С.

9. Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами / Ю.В.Зеленев, А.А.Кирилин, Э.Б.Слободник, Е.Н.Талицкий; Под ред. Ю.В.Зеленева. М.: Радио и связь, 1984. - 120 С.

10. Модули электронные первого и второго уровней радиоэлектронных средств: Конструирование: ОСТ 4Г 0.010.009-84. 172 С.

11. Разработка и исследование методов повышения вибропрочности конструкций приборов РЭА: Отчет о НИР (заключительный) / В ладим, политехи. ин-т. № ГР 01890037469; Инв. № 02910017471. - Владимир, 1990. -115 С.

12. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов / Н.И.Каленкович, Е.П.Фастовец, Ю.В.Шамгин. Мн.: Выш. шк., 1989. - 244 С.

13. Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. М., Химия, 1973. - 296 С.

14. А.с. 545799 СССР, МКИ F16 F15/00. Устройство для компенсации вибраций механических конструкций / Г.С.Любашевский, Б.Д.Тартаковский, А.И.Вялышев (все СССР). 2 С.: ил.

15. А.с. 571642 СССР, МКИ F16 F15/00. Устройство для компенсации вибраций механических конструкций / С.А.Байдек, Г.С.Любашевский, Б.Д.Тартаковский, В.Э.Фришберг (все СССР). 3 С.: ил.

16. А.с. 462040 СССР, МКИ F16 F15/02. Способ демпфирования колебаний I М.И.Фейгин, Г.В.Сысоева (все СССР). 2 С.: ил.

17. Фролов В.А. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры. Киев: Высшая школа, 1979. - 128 С.

18. Ильинский B.C. Защита РЭА и прецезионного оборудования от динамических воздействий. М.: Радио и связь, 1982. 296 С.

19. А.с. 766051 СССР, МКИ Н05 К7/08. Печатная плата / Е.П.Середа, А.Н.Цепляев, В.А.Цветков (все СССР). 3 С.: ил.

20. Карпушин В.Б. Вибрация и удары в радиоаппаратуре. М.: Радио и связь, 1971.-344 С.

21. НаЩиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний: Пер. с англ. М,: Мир, 1988. - 448 С.

22. Ruzicka J.E. Vibration control: applications Electro - Technology. 1964, vol. 1, №73, P. 75-82.

23. Никифоров А.С. Вибропоглощение на судах. Л.: Судостроение, 1979.- 184 С.

24. Ross D., Ungar Е.Е., Kerwin Е.М. Jr. Damping of plate flexural vibrations by means of viscoelastic laminate. Structural Damping, ASME, New York, 49-88, 1959.

25. Авилова Г.М., Мкртчан Р.А., Наумкина Н.И., Тартаковский Б.Д. Низкотемпературная вибропоглощающая конструкция П Колебания, излучение и демпфирование упругих структур / Отв. ред. А.В.Римский-Корсаков. -М.: Наука, 1973. С. 219.

26. ГОСТ 23752-79. Платы печатные. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1991. - 32 С.

27. Наумкина Н.И., Тартаковский Б.Д. Эксплуатационные свойства листовых и мастичных вибропоглощающих полимерных материалов // Борьба с шумом и звуковой вибрацией: Материалы семинара. М., 1986. - С.90-94.

28. Позамонтир А.Г. Современное состояние и тенденция развития вибропоглощающих полимерных материалов // Новые вибропоглощающие материалы и их применение в промышленности: Материалы краткосрочного семинара 2-3 марта. Л.: ЛДНТП, 1982. - С. 4-10.

29. Дятченко С.В., Корягин С.И., Яковлев А.П. Демпфирующие свойства листовых материалов с нанесенными армированными полимерными покрытиями // Проблемы прочности. 1986. - №4. - С. 114-118.

30. Виноградов Б". Д., Румянцев Л.К., Ягодкин В.Н. Снижение вибраций приборных панелей демпфирующими покрытиями // Машиноведение. 1984. -№6. - С. 16-21.

31. А.с. 550413 СССР, МКИ С09 D3/58. Вибропоглощающая мастика для покрытия металлических конструкций / Л.И.Трепелкова, В.К.Горячева, Н.И.Наумкина, М.И.Палей, Д.Б.Тартаковский и др. (все СССР). 3 С.: ил.

32. А.с. 512220 СССР, МКИ С08 L31/04. Вибропоглощающая мастика / И.И.Фабионавичюс, Б.П.Жвиронайте, П.А.Кайкарис, И.М.Каначаускас (все СССР). 2 С.

33. А.с. 374339 СССР, МКИ С08 F29/24. Композиция на основе поливи-нилхлорида / П.З.Ли, Л.И.Трепелкова, М.И.Палей, Е.К.Косикова, Б.Д.Тартаковский и др. (все СССР). 2 С.

34. А.с. 262549 СССР, МКИ F16 F1/40. Демпфированная панель / Н.Р.Экслер, Н.Н.Дмитриев, М.Т.Шиндарук (все СССР). 2 С.: ил.

35. А.с. 563688 СССР, МКИ G10 К11/00. Вибропоглотитель / И.В.Горынин, Г.И.Николаев, А.Г.Позамонтир и др. (все СССР). 2 С.: ил.

36. А.с. 1043837 СССР, МКИ Н05 К1/02. Демпфированная плата / А.К.Казаков (все СССР). 2 С.: ил.

37. А.с. 1100444 СССР, МКИ F16 F13/00. Вибропоглощающий материал / А.В.Ионов, В.Е.Бахарева, Л.В.Петрова, Н.П.Сидоров (все СССР). 3 С.: ил.

38. А.с. 1164779 СССР, МКИ G10 К11/00. Вибродемпфированная'конст-рукция / В.Б.Степанов, Б.Д.Тартаковский, Н.Ю.Федина (все СССР). 2 С.: ил.

39. А.с. 860359 СССР, МКИ Н05 К1/00. Демпфированная плата / Е.П.Середа, В.А.Цветков (все СССР). 2 С.: ил.

40. Наумкина Н.И., Тартаковский Б.Д., Эфруси М.М. Экспериментальное исследование некоторых вибропоглощающих материалов / Акуст. журн. -Т. 5. 1959. - Вып. 2. - С. 196-201.

41. Сопротивление материалов / Под ред. акад. АН УССР Писаренко Г.С. 5-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища шк., 1986. - 775 С.

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

43. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. Учебник для втузов. М.: Высшая шк., 1975. - 654 С.

44. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1980.-270 С.

45. Шмидт Г. Параметрические колебания / Перевод с нем. М.: Мир, 1978.-336 С.

46. Талицкий Е.Н. Количественная оценка влияния собственной формы колебаний на демпфирующие свойства вибропоглощающих слоистых плат РЭА. Вопросы радиоэлектроники. Серия ТПО, 1976, вып. 2. - С. 68 - 75.

47. Талицкий Е.Н., Попов B.C. Приближенные формулы для расчета вибропоглощающих элементов конструкций РЭА. Вопросы радиоэлектроники. Серия ТПО, 1976, вып. 2. - С. 75 - 80.

48. Талицкий Е.Н. Оценка эффективности антирезонансных покрытий субблоков микроэлектронной аппаратуры. Техника средств связи. Серия ТПО, 1982, вып. 1.

49. Structural damping. Ed. By J.E. Ruzicka. N.Y.,1960.

50. Ungar E.E. Loss Factors of Viscoelastically Damped Beam Structures. — "JASA", 1962, v. 34, N8.

51. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1980. - 408 С.

52. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М.: МИКАП, 1994. - 382 С.

53. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. - 294 С.

54. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение: Пер. с англ. Изд. второе, стереотип. - М.: Мир, 2001. - 575 С.

55. Матросов А.В. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 528 С.

56. Джонс Ж., Харроу К. Решение задач в системе Турбо-Паскаль. М.: Финансы и статистика, 1991. 72 С.

57. My дров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП «РАСКО», 1991.-272 С.

58. Талицкий Е.Н., Евграфов В.В. Пакет прикладных программ синтеза вибродемпфированных ячеек РЭС // САПР приборов и агрегатов: Тез. докл. Всесоюз. Межотраслевой науч.-техн. конф., 26-29 марта 1991 г. Суздаль, 1991.-С. 41.

59. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов: В 9 кн. / И.П.Норенков. Кн. 1. Принципы построения и структура. М.: Высш. шк., 1986. - 127 С.

60. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технического проектирования с применением САПР: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1990. - 352 С.

61. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 С. (Серия «Проектирование»).

62. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Крас-ковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 С.

63. Саутин С.Н., Пунин А.Е. Мир компьютеров и химическая технология. Л.: Химия, 1991. - 144 С.

64. Скатецкий В.Г. Математическое моделирование физико-химических процессов. Минск: Вышейш. шк., 1981. 144 С.

65. Абрамов С.К. Резонансные методы исследования динамических свойств пластмасс. Издательство Ростовского ун-та, 1978.- 136С.

66. Исследование и подбор вибропоглощающих пеноматериалов для узлов изделий: Отчет о НИР (заключительный) / Владим. политехи, ин-т. № ГР У29555; Инв. № Г 59947. - Владимир, 1977. 71 С.

67. Талицкий Е.Н., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Определение динамических механических характеристик вибропоглощающих материалов // Конверсия, приборостроение, рынок: Материалы Всероссийской науч.-техн. конф., 20-22 июня 1995 г.-Владимир, 1995.-С. 113-115.

68. А.с. 1539578 СССР, МКИ G01N3/32. Резонансный способ определения динамических характеристик низкомодульных материалов / Г.Ф. Долгов, В.В. Евграфов, Е.Н. Талицкий (все СССР). Зс.: ил.

69. А.с. 1629813 СССР, МКИ G01N3/32. Устройство для циклических нагружений партии образцов / Н.Н. Давыдов, Е.Н. Талицкий, Г.Ф. Долгов, В.В. Евграфов (все СССР). 4с.: ил.

70. Клеи и компаунды: Каталог / Научно-производственное объединение "Полимерсинтез". Отделение Научно-исследовательского института технико-экономических исследований (г. Черкассы). Черкассы, 1986. - 12 С.

71. Егоров С.Ф., Тептелева Л.А., Кузьмин В.Н. Полиуретановые эластичные компаунды Вилад-8П. Владимир, 1984. - 2 С. - Информ. листок Владимирского центра научно-технической информации 29.11.84; Серия 31.25.15,84.49.

72. Егоров С.Ф., Тептелева J1.A., Кузьмин В.Н. Применение компонента Вилад-17. Владимир, 1985. - 2 С. - Информ. листок Владимирского центра научно-технической информации 26.02.85; Серия 31.25.01, №85-2.

73. ПУ-компаунды для радиоаппаратуры / С.Ф.Егоров, В.Н.Кузьмин, Л.А.Тептелева, Е.Н.Талицкий, Ю.Ф.Тюриков // Пластические массы. 1986. -№8. - С. 61.

74. Патент 2012506 России, МКИ В32В27/40. Вибропоглощающий слоистый материал/ Е.Н. Талицкий, В.В. Евграфов, В.Н. Кузьмин, С.Ф. Егоров (все СССР). 8с.: ил.

75. Талицкий Е.Н., Евграфов В.В., Кузьмин В.Н., Егоров С.Ф. Вибропоглощающий слоистый материал. Владимир, 1995. - Зс. - Информ. листок Вла-дим. центра науч.-техн. информ. 12.05.95, серия Р.61.61.09, № 60-95.

76. Исследование высокодемпфированных полимеров и конструкций для повышения вибро- и удароустойчивости изделий: Отчет о НИР (заключительный) / Владим. политехи, ин-т. № ГР 01850044208; Инв. № 02860008919. - Владимир, 1985. - 64 С.

77. Исследования динамических механических характеристик пенопо-лиэтиленов: Отчет о НИР (заключительный) / Владим. политехи, ин-т. -№ ГР 01890088217; Инв. № 02890067039. Владимир, 1989. - 69 С.

78. Разработка и исследования полимерных пеноматериалов и компаундов для виброзащиты: Отчет о НИР (заключительный) / Владим. политехи, ин-т. № ГР 01890065953; Инв. № 02890054924. - Владимир, 1989. - 48 С.

79. Евграфов В.В. Исследование эффективности вибродемпфированных плат РЭА // Радиотехнические системы и устройства в народном хозяйстве: Тез. докл. молодых специалистов и студентов. Владимир, 1990. - С. 45-47.

80. Евграфов В.В., Талицкий Е.Н., Машичин С.М. Высокодемпфирован-ные печатные платы // Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств: Материалы Междунар. науч.-техн. конф., 8-11 июня 1993 г. -М., 1993. С. 102.

81. Вибродемпфированная печатная плата, Е.Н. Талицкий, В.В. Евграфов; Проспект выставки / Владимирский государственный техн. ун-т. Владимир, 1995.

82. Евграфов В.В., Талицкий Е.Н. Высокодемпфированные печатные платы // Электроника, информатика и управление: Сб. науч. Тр. преподавателей, сотрудников и аспирантов. Владимир, 2000. - С. 164-169.

83. Долгов Г.Ф., Евграфов В.В., Талицкий Е.Н. Исследование внутреннего нагрева вибропоглощающих материалов // Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем: Сб. науч. тр. Владим. гос. техн. ун-та 1996 г. Владимир, 1996. - С. 146-149.

84. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 С.

85. Брянский Л.Н., Дойников А.С. Краткий справочник метролога: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1991. - 79 С.

86. Технология и4 автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов/ Под ред. А.П. Достанко, Ш.М. Чабдарова. М.: Радио и связь, 1989. - 624 С.

87. Параметры и определяющие их факторыдля воздушной и ракетной РЭС

88. Параметры Самолетная (вертолетная) Ракетная

89. Устойчивость к синусоидальнымвибрациям:

90. Av, Гц до 500 и более* 0.500а, м/с до 196,2 * до 196,2

91. Устойчивость к механическим уда-рам: tH, мс 15 10.12а, м/с 58,8.117,7 490.9811. N2,ударов 18

92. Устойчивость к циклическим изме-нениям температуры: 1. А0, К

93. Воздействие повышенной влажности:1. Вл., % 93.100 100е,к 321.330 t8bu , суток 4.7 5. Воздействие термоударов: 0и , К/мин 2.10 1. Абпрд > К 213.588 208.437

94. Воздействие пониенного атмосфер-ного давления: (0Д3.101)хр, Па (2.101)х Ю3 хЮ3

95. Воздействие тумана с дисперсионно-стью А и водностью Б: е,к 306±5 1. А, мкм <20 1. Б, г/м3 2.3

96. Прочность при падении с высоты h:h, мм 7501. Ns,ударов 10

97. Примечание: «*» определяется в зависимости от типа летательного аппарата, места установки РЭС и степени жесткости эксплуатации;-» данные определяемые частными ТУ