Осигуряване на механична якост на РЕМ конструкциите
Осигуряване на механична здравина на ВЕИ конструкции
Умората е процес на постепенно натрупване на повреда в материала на част под действието на променливи напрежения.
Според статистическите данни MF са причина за 30% до 50% от отказите на бордовите ВЕИ, като 80% от тях се дължат на умора (установена в резултат на тестове). Горните фигури показват значението на осигуряването на механичната якост на REM структурите.
Конструкциите REM, работещи при механично натоварване, трябва да отговарят на изискванията заякост истабилност. Определенията за тези свойства са дадени в GOST 16962-71:
Вибрация- иустойчивост на удар - способността на конструкциите да изпълняват функции и да поддържат стойностите на параметрите в границите, установени от стандартите,след излаганена механични фактори.
Вибрация- иудароустойчивост - способността на конструкцията да изпълнява определени функции и да поддържа параметрите си в границите, установени от стандартите,по време на излаганена механични фактори.
Най-тежките условия на работа са характерни за бордовите ES. Например, те могат да бъдат повлияни от вибрации с честоти от 20 до 2000 Hz, с нива на ускорение до 50g. В определената честотна лента често не е възможно да се отървете от резонансите на структурните елементи, при които ускоренията, преместванията и напреженията в тях силно нарастват, а след това и до тяхното разрушаване.
Разработчиците на ВЕИ много често се ограничават до стендови тестове на конструкции за здравина и стабилност, без да прибягват до математическо моделиране. Недостатъци на този подход:
- самите тестове не са много информативни поради невъзможността за инсталиране на сензори в много точки на продукта;
- тестовете не позволяватпровеждат структурни проучвания в критични условия поради разрушаването му;
- резултатите от тестовете не могат да бъдат разширени за други проби поради случайни разпръсквания на параметрите.
Тези проблеми се решават доста успешно чрез математическо моделиране на компютър или чрез интегрирането му с експеримент.
RES симулация
За определяне на динамичните характеристики на ВЕИ като сложна механична система (МС) се изгражда неин модел, който трябва да бъде достатъчно точен и същевременно достатъчно прост за аналитично изследване.
Най-важните характеристики на MS включватмаса, която е мярка за нейната инерция, и броястепени на свобода, който се определя от броя на координатите, необходими за еднозначно задаване на позицията на системата в пространството.
Броят на степените на свобода на МС в общия случай е безкрайно голям, тъй като всяко тяло се състои от безкраен брой материални точки, които нямат абсолютно твърди връзки помежду си. При решаване на инженерни проблеми реалният дизайн се заменя с модел с ограничен брой степени на свобода, което се определя от необходимата точност на резултатите.
Най-простият проектен модел (RM) с една степен на свобода е показан на фигура 8.2. Може да представлява например блок, монтиран на амортисьори, ако се движи само по една ос - Z. В този модел цялата маса на конструкциятае съсредоточенав масовия елементm, твърдостта на конструкцията е в елемента (пружината) с коефициент на твърдостk, а амортизиращата връзка е в амортизиращия елементb. Поведението на такъв модел се определя не само от параметрите m, k, b и характера на действащата сила, но и от мястото на прилагане на тази сила. В тази връзка има модели скинематично исилово възбуждане (фиг. 8.2 a, b).
Ориз. 8.2 - Модели с една степен на свобода: а) с кинематични
възбуда; б) със силово възбуждане.
Нека разгледаме по-сложни случаи на моделиране на MS. На фиг. 8.3, а е скица на дизайна на блок от разделен тип. Неговият модел може да има няколко степени на свобода, най-простата от които има две степени на свобода:
- първата степен на свобода по отношение на вибрациите, действащи отвън, се въвежда от шасито;
- втората степен на свобода се въвежда от монтажа на печатни платки (PU) спрямо шасито, тъй като динамичните сили могат да се прехвърлят към печатни платки само чрез този структурен елемент.
Ориз. 8.3 - Моделиране на разглобяем блок
За структурни елементи като пръти, моделът може да бъде изграден чрез многократно повтаряне на най-простия RM (фиг. 8.4). Очевидно, когато броят на дискретните елементи в такъв модел е n®¥, тогава ще имаме модел сразпределенипараметри. Анализът на модели от този тип поради сложността е ефективен само с помощта на компютър.
 |
Ориз. 8.4 - Модели на конструкции като прът (a) и плоча (b)
Динамичните свойства на всяка MS по същество зависят от естеството навъзстановяващите иразсейващите сили.
Възстановяващите сили включват еластичните сили, произтичащи от деформацията на елементите.
Дисипативните сили причиняват необратимо разсейване на енергията на механичните вибрации. Основните им видове:
- сили на триене в опори и стави;
- съпротивителната сила на средата, в която възникват вибрациите;
- сили на вътрешно триене в опорни материали (в амортисьори). Действието на дисипативните сили води до затихванесвободни и ограничени принудителни трептения.
8.3 Вибрационни ефекти върху система с една степен на свобода
Случай на силово възбуждане
Разгледайте модела, показан на фигура 8.2b. В допълнение към възбуждащата силаP=P0sinwtв тази МС действат инерционна сила, сила на еластичност на пружинатаPу=kzи дисипативна сила (сила на демпфиране).
Има два случая:свободнии запринудителнивибрации.
За свободни трептения при липса на затихване(стойност на коефициента на затихване (затихване) =0)трептенията се описват с израза:
, (8.2)
където е честотата на свободните трептения;
е амплитудата на свободните трептения;
V –моментна (начална) скорост, която е докладвана на масатаmв моментt=0.
Честотатаw0 не зависи от началните условия (от началната скоростV) и се определя само от присъщите параметри на MS (k иm ), така че се наричаестествена честота. С увеличаване на масата или с намаляване на твърдостта на пружинатаk, честотатаw0намалява. Амплитудата на трептене зависи от началните условия (отV).
За реални MS, коефициентът¹0(обикновено е в диапазона от 0,02 ... 0,3). В този случай трептенията на системата ще се извършват съгласно закона:
, (8.3)
където –собствена честота със затихване.
Като се има предвид, че стойността е близка до нула, на практика считамеw1 =w0.
 |
По-точна представа за процеса на затихване на трептенията се дава отстойността на логаритмичен декрементзатихване: , където е периодът на затихнали трептения.
При принудителни вибрации MC постоянно се влияе от външна силаP. В този случай осцилаторният процес се описва с израза:
Вторият член в този израз е изместването по време на принудителни вибрации:
, (8.4)
Последните две формули използват параметри:
- статично отклонение на еластичния елемент
-динамичен факторМС (друго наименование - динамичен фактор на усилване при силово възбуждане на вибрации);
-коефициент на разстройване на честотата;
j -начална фаза на принудени трептения.
С течение на времето (t®¥) се установяват MS трептения и тяхната амплитуда става равна наzv=mZst, откъдетоm = zv /Zst.
Коефициентът на динамикаm на системата показва как, в зависимост от разстройката на честотата, амплитудата на принудените трептения се променя спрямо нейното статично изместванеZst.
От формула (8.4) следва, че амплитудата на преместване при принудителни трептения зависи не само от параметрите на МС и смущаващата сила, но и от честотатаw. Зависимостта на динамичния факторmот честотата на разстройване е амплитудно-честотната характеристика (АЧХ) на системата със силово възбуждане (фиг. 8.6).
Ориз. 8.6 - Зависимост на коефициента на динамичност от честотната настройка за различни степени на затихване на трептенията.
При честота възниква резонанс, при който амплитудата на принудените трептения достига максималната си стойност. В този случай коефициентът на динамика е равен накоефициента на качество на механичната система Q:
,
където –относителен фактор на затихване(затихване) MC;
За типичните дизайни са известни приблизителни стойностиm: за микроблокове тип молив - около 40, за цифрови клетки върху метални рамки - 10,25, за клетки върху плоскости от фибростъкло - 5,12.
Критерии за устойчивост на вибрации
Като цяло условията (критериите) за осигуряване на вибрационна якост на конструкцията са:
1) липса на механични резонанси в дизайна;
2) ограничаване на амплитудата на вибрационното изместване и скоростта на вибрациите до стойности, които изключват опасни напрежения и явления на умора в структурните елементи;
Механичните резонанси за REM структури са много опасни, т.к когато се появят, натоварванията върху елементите в системата се увеличават многократно. Ето защо, когато разработват структура, те се стремят да "изведат" естествените честоти на нейните елементи извън честотния диапазон на външни въздействия. При изчисляване на силата на вибрациите първо се проверява условието:
w0 >ww (илиω