Исследование и разработка виброзащиты ячеек радиотехнических устройств демпфирующими слоями

На правах рукописи

ЦЕДЕРШТРЕМ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВИБРОЗАЩИТЫ ЯЧЕЕК РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЕМПФИРУЮЩИМИ СЛОЯМИ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устрой ства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2012

Работа выполнена на кафедре конструирования и технологии радио электронных средств Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Талицкий Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Информационные техно логии конструирования радиоэлектронных уст ройств» института «РадиоВТУЗ МАИ» Назаров Александр Викторович кандидат технических наук, доцент кафедры ра диотехники и радиосистем ВлГУ Самойлов Сергей Александрович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Ковровская государственная техно логическая академия им. В.А. Дегтярева “26” июня 2012 г. в 1400 часов

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 212.025.04 Владимирского государст венного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького,87, ауд. 301-3.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Владимирско го государственного университета.

Автореферат разослан “ 23” мая 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.04.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.Г. Самойлов -2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Радиотехнические устройства (РТУ), установлен ные на подвижных, а в некоторых случаях и стационарных объектах в процессе эксплуатации могут подвергаться интенсивному воздействию вибраций в широ ком диапазоне частот (до 2000 Гц). При этом надежность таких устройств может снижаться во много раз за счет появления резонансных колебаний, при которых амплитуды колебаний конструкций РТУ возрастают в десятки раз, что значи тельно превышает допустимые. Поэтому задача снижения амплитуды резонанс ных колебаний ячеек является актуальной, особенно для разработчиков РТУ аэ рокосмического назначения.

Практически единственным способом уменьшения амплитуды резонанс ных колебаний (АРК) в таком диапазоне частот, является увеличение демпфи рующих свойств конструкции, за счет введения дополнительных элементов (демпферов), выполненных на основе вибропоглощающих полимеров. Полимер ные демпферы могут быть выполнены в виде демпфирующих слоев (внутренних или внешних), демпфирующих вставок, демпфирующих ребер и других конст руктивных решений.

Исследования по данной тематике и практическая реализация демпферов в конструкциях РТУ представлены в работах J.E. Ruzicka, А. Нашифа, Д. Джоун са, Е.Н. Талицкого, Дж. Хендерсона, Э.Б. Слободника и др. Применение поли мерных демпферов в качестве демпфирующих слоев позволяет значительно уменьшить амплитуду резонансных колебаний, существенно не увеличивая мас согабаритные характеристики конструкции РТУ.

Одним из сдерживающих факторов в развитии данного вида защиты РТУ от вибрационных воздействий в нашей стране, является отсутствие отечест венных вибропоглощающих полимеров (ВП), которые могут быть использованы во всем температурном диапазоне эксплуатации бортовой аппаратуры ракетной и авиакосмической техники в качестве демпфирующих слоев.

В этом случае эффективность подавления амплитуд резонансных коле баний зависит не только от вибропоглощающих свойств материала, но и от де формации демпфирующих слоев, а, следовательно, от упругих свойств материа лов демпфирующего и конструкционных слоев. Стоит отметить, что экспери ментальная доработка конструкций требует значительных затрат времени, вслед ствие чего сроки проектирования конструкции РТУ и ее себестоимость увеличи вается. Поэтому для определения требований к вибропоглощающим материалам в таких конструкциях необходимы математические модели или методики, позво ляющие рассчитывать конструкции различной конфигурации и способов крепле ния. Однако, существующие математические модели и методики пригодны толь ко для расчета плоских прямоугольных конструкций с простейшими способами крепления (свободное опирание и жесткое защемление) при воздействии гармо нической и случайной вибрации.

Для расчета конструкций c полимерными демпферами могут быть ис пользованы системы конечно-элементного анализа (СКЭА), типа ANSYS, NASTRAN, SW Simulation. Однако, данные СКЭА рассчитаны на обобщенное применение во многих сферах деятельности, поэтому для специализированных -3 задач, таких как анализ и проектирование ячеек РТУ с демпфирующими слоями их применение затруднено. Одним из моментов, вызывающих трудности при расчете ячеек РТУ с демпфирующими слоями в СКЭА, является определение демпфирующих свойств конструкции. При некорректном определении ошибка при расчете может составлять 30 и более процентов. Это вызывает необходи мость разработки методики расчета ячеек РТУ с учетом демпфирующих свойств конструкции, основанной на анализе методов учета демпфирования в системах конечно-элементного анализа.

При отсутствии ВП материалов, которые позволяют подавлять ампли туды резонансных колебаний во всем частотном и температурном диапазоне экс плуатации ячеек РТУ, одним из возможных способов расширения эффективного диапазона подавления резонансных колебаний является применение конструк тивных методов. Например, за счет совместного применения в конструкции внешнего и внутреннего демпфирующего слоя, которые бы эффективно умень шали АРК в разных температурных диапазонах эксплуатации ячеек РТУ. Это позволит использовать отечественные вибропоглощающие материалы из сущест вующей номенклатуры. Однако данный подход требует разработки математиче ских моделей и методик расчета при вибрационном воздействии.

Поэтому задача разработки математических моделей и методик проек тирования виброзащищенных ячеек РТУ в широком температурном диапазоне эксплуатации является актуальной.

Целью диссертационной работы является расширение температурного диапазона виброзащиты ячеек радиотехнических устройств демпфирующими слоями.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует ре шить следующие задачи:

создание методики определения требований к вибропоглощающим полимерам и уточнение механико-динамических параметров демпфирующих материалов, применяемых в многослойных конструкциях ячеек радиотехниче ских устройств;

анализ методов учета демпфирования в системах конечно элементного анализа и создание методики расчета ячеек радиотехнических уст ройств с демпфирующими слоями произвольной конфигурации и методов креп ления при воздействии вибрации;

разработка математических моделей конструкций ячеек радиотех нических устройств при совместном использовании внутренних и внешних ДС;

апробация разработанной методики расчета многослойных ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями.

Методы исследования основываются на методах вычислительной матема тики, прикладной механики, теории алгоритмов, теории колебаний, теории экс перимента, динамической теории полимеров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели и методики для определения требований к вибропоглощающим полимерам в конструкциях ячеек радиотехни ческих устройств с демпфирующими слоями.

-4 2. Предложены новые методики расчета многослойных ячеек радиотех нических устройств с демпфирующими слоями при воздействии случайной и гармонической вибрации.

3. Созданы математические модели ячеек радиотехнических устройств, в которых используются внешние и внутренние демпфирующие слои совместно при воздействии гармонической вибрации.

Практическая значимость:

расширена возможность проектирования ячеек радиотехнических уст ройств с демпфирующими слоями произвольной формы при воздействии гармо нической и случайной вибрации;

разработана программа для расчета многослойных конструкций ячеек радиотехнических устройств произвольной формы;

предложен алгоритм и программа определения требований к вибро поглощающам материалам демпфирующих слоев в конструкциях ячеек РТУ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты использованы при выполнении госбюджетной НИР №400/04-08 «Моделирование конструкций электронных средств при механических воздействиях» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета. Результаты работы используют ся в НПП «Дельта» г. Москва и ОАО НИПТИ «Микрон» г.Владимир.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсу ждались на международных научных конференциях:

- IX Международная научно-практическая конференция «Методы и алго ритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», Новочеркасск, 2009 г.;

- VIII Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 2009 г.;

- Всероссийская молодежная конференция «Нанотехнологии и иннова ции» (НАНО-2009), Таганрог, 2009 г.;

- 2-ая Международная конференция школы-семинара «Современные на нотехнологии и нанофотоника для науки и производства» Владимир, 2009 г.;

- Всероссийская межвузовская конференция « II Всероссийские научные Зворыкинские чтения», Муром, 2010 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Исследование, проек тирование, испытание и эксплуатация информационно-измерительных устройств военной техники», Владимир, 2010 г.;

- Международный симпозиум «Надежность и качество 2011»,Пенза, 2011;

- IX Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 2011 г.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № 2011610316 (зарегистрировано 11 января 2011 г.) Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 статьи по специальности 05.12. в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций.

-5 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 138 страницах, содержит 49 рисунков и таблиц, список литературы, состоящий из 140 наименований, и 6 приложений На защиту выносятся:

- методики расчета многослойных конструкций ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями при воздействии случайной и гармониче ской вибрации;

- математические модели и методики для определения требований к вибропоглощающим полимерам в конструкциях ячеек радиотехнических уст ройств с демпфирующими слоями;

- математические модели ячеек радиотехнических устройств, в которых используются внешние и внутренние демпфирующие слои совместно при воз действии гармонической вибрации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна и прак тическая значимость результатов диссертации.

В первой главе рассматриваются способы виброзащиты ячеек РТУ и ме тоды их расчета.

Отмечается, что ячейки РТУ, установленные на подвижных объектах под вергаются вибрациям в широком диапазоне частот (от 10 до 2000 Гц и выше).

Вследствие этого возникают резонансные колебания, что приводит к резкому увеличению АРК конструкций ячеек РТУ.

Показывается, что практически единственным способом для уменьшения амплитуды резонансных колебаний в диапазоне до 2000 Гц, является увеличение демпфирующих свойств конструкции, за счет введения дополнительных элемен тов (демпферов), выполненных на основе вязкоупругих материалов с большим внутренним трением. Наиболее перспективными среди вязкоупругих материалов с учетом всех требований (технологических, эксплуатационных и т.д.), предъяв ляемым к материалам в РТУ являются полимеры.

Полимерные демпферы могут исполняться в виде внешних и внутренних демпфирующих слоев, демпфирующих ребер, вставок и динамических гасителей колебаний с демпфированием.

Наиболее распространенным и эффективным способом защиты от вибра ции является применение демпфирующих слоев(рис.1). Виброзащита ячеек РТУ внутренним демпфирующим слоем заключается в том, что элементы конструк ции выполняются не из однородного конструкционного материала, а из много слойного, в котором конструкционные слои чередуются со слоями из демпфи рующего материала. В отличие от внутреннего демпфирующего слоя, внешний слой заливается с одной или двух сторон вязкоупругим материалом. При дейст вии вибрации происходит деформация демпфирующих слоев, изготовленных из материала с высоким коэффициентом механических потерь, и как следствие, происходит снижение амплитуды резонансных колебаний.

-6 Рис. 1. Виброзащита ячейки РТУ полимерными демпферами а) расположение ячейки РТУ в блоке самонаведения ракеты 1 – электронный блок б) и в) схематическое изображение блока до и после применения поли мерного демпфера: 2 – ЭРЭ;

3 – печатная плата;

4 – демпфирующий материал г) АЧХ одной из ячеек блока самонаведения:

I – АЧХ ячейки до применения виброзащиты II – АЧХ ячейки после применения демпфирующих слоев Произведен анализ методов расчета многослойных ячеек РТУ. Выясне но, что для расчета ячеек РТУ с демпфирующими слоями могут быть использо ваны как аналитические, так и численные методы. Существующие аналитические математические модели пригодны только для расчета прямоугольных плоских конструкций с простейшими способами крепления (свободное опирание и жест кое защемление). В ходе расчета сложных конструкций с использованием суще ствующего математического аппарата, зачастую возникает большая ошибка, вследствие чего большой объем работы приходится на экспериментальную дора ботку конструкции. В результате сроки проектирования конструкции РТУ и ее себестоимость увеличивается.

Для расчета сложных конструкций могут быть использованы системы конечно-элементного анализа (СКЭА), типа ANSYS, NASTRAN, SW Simulation.

Однако, данные СКЭА рассчитаны на обобщенное применение во многих сферах деятельности, поэтому для специализированных задач, таких как анализ и проек тирование ячеек РТУ с демпфирующими слоями их применение затруднено. Од ним из моментов, вызывающих затруднение, является задание демпфирующих свойств полимерных материалов, что требует разработки методики расчета мно гослойных конструкций РТУ в СКЭА. Также анализ существующих работ пока зал, что для расчета ячеек РТУ с учетом электрорадиоэлементов (ЭРЭ) необхо димо применять СКЭА.

-7 Также одним из сдерживающих факторов в развитии данного вида защиты РТУ от вибрационных воздействий в нашей стране, является отсутствие пригод ных для данного метода вибропоглощающих материалов, которые эффективно подавляют АРК во всем температурном диапазоне эксплуатации летательных объектов. Был проведен анализ возможности увеличения демпфирующих свойств вибропоглощающих материалов, который показал, что наиболее перспективным направлением является применение новейших технологий при формировании полимерной матрицы.

Во второй главе разрабатываются математические модели и методики расчета многослойных ячеек РТУ с демпфирующими слоями при воздействии вибрации.

Были проведены исследования по оценке возможности применения СКЭА ANSYS для расчета многослойных конструкций при воздействии гармонической и случайной вибрации. Исследования показали, что для расчета многослойных конструкций с демпфирующими слоями необходимо использовать конечный элемент (КЭ) SOLID187.

Исследованы особенности определения демпфирующих свойств конст рукции в ANSYS при различных видах анализа: гармоническая и случайная виб рация. Было определено, что множители матрицы жесткости [K] значительно отличаются, в зависимости от вида анализа.

Для гармонического анализа многослойных ячеек РТУ матрицу сопротив ления [C] можно представить в виде:

Nm j j C н K Kj, 2f j 1 2 где н – коэффициент механических потерь (КМП) конструкции до примене ния демпфирующего слоя;

j - КМП j-го слоя;

f - частота, на которой проводит ся гармонический анализ.

Для определения «начального» демпфирования используется команда MP,DMPRAT, для конструкционных материалов команда MP, DMPR, а для демпфирующих слоев команда MP, DAMP. Вводимые значения коэффициентов демпфирования определяются множителями матрицы жесткости [K]. Как показа ли исследования, расхождение при расчете в ANSYS с использованием приве денной выше методики и экспериментом составили не более 10%, что для конст рукторских расчетов является приемлемым. Методика расчета в СКЭА ANSYS представлена на рис. 2. в виде обобщенной блок-схемы.

Так как, при широкополосной случайной вибрации происходит возбуж дение сразу нескольких гармоник, то единственным возможным способом для определения демпфирующих свойств конструкции ячейки РТУ является нахож дение коэффициента механических потерь конструкции на каждой резонансной частоте в рассматриваемом диапазоне. Поэтому данная методика определения демпфирующих свойств конструкции значительно отличается от методики при воздействии гармонической вибрации.

-8 Рис.2. Блок-схема расчета ячеек РТУ с демпфирующим слоем в СКЭА ANSYS при воздействии гармонической вибрации Рис.3. Алгоритм расчета ячеек РТУ при воздействии случайной вибрации -9 Используя амплитудно-частотную характеристику ячейки РТУ при гар моническом воздействии, определяется коэффициент модального демпфирования по ширине резонансной кривой на уровне 0,707 по методу Гаусса-Зейделя. Затем с помощью команды MP,МDAMP определяется КМП конструкции на каждой из гармоник. Для задания модального демпфирования необходимо использовать следующее выражение:

mi i, где mi - множитель модального демпфирования;

i - КМП конструкции на i-ой гармоники.

Главным недостатком приведенного выше метода является большая тру доемкость. Поэтому, для расчета типовых конструкций с «классическими» спо собами крепления предлагается использовать совместно аналитические и чис ленные методы. Используя существующие математические модели необходимо определить КМП конструкции ячейки на i-ой частоте. Полученные значения КМП/2 задаются с помощью команды MP, MDAMP. Методика расчета представ лена в виде алгоритма, представленного на рис.3. На основе приведенных выше методик была создана программа для расчета многослойных ячеек РТУ при воз действии случайной и гармонической вибрации.

Одним из возможных спосо бов расширения температурного диапазона эксплуатации ячеек РТУ является совместное применение внешних и внутренних демпфи рующих слоев. Как видно из рис.4, применение конструкций, в кото рых вибропоглощающие материа лы различны по своим механико динамическим характеристикам позволяет уменьшить коэффициент передачи для наихудшего случая и расширить температурный диапа Рис.4. Зависимость коэффициента пере- зон эксплуатации (от минус 60 до дачи от температуры для различных конструк- плюс 60 °С) ций и материалов: Расчет таких конструкций 1 – 4-х слойная конструкция (ВП материалы в СКЭА требует значительных вре Вилад-8П и ППУ-92);

менных затрат. Однако сущест 2 – материал ВП слоя ППУ 92;

вующие математические модели 3 – материал ВП слоя Вилад-8П пригодны лишь для расчета конст рукций с простейшими способами крепления. Поэтому были разработаны мате матические модели ячеек РТУ с внешним и внутренним демпфирующим слоем при точечном креплении. При создании математической модели был использован регрессионный анализ. Для этого был проведен вычислительный эксперимент в соответствии с планом полного факторного эксперимента. Для выбора факторов влияния были проведены дополнительные исследования в СКЭА ANSYS. Ниже - 10 представлены математические модели ячеек РТУ с демпфирующими слоями (ДС) для определения собственной частоты колебаний (СЧК), а также коэффици ента передачи в центре ячейки:

СЧК ячейки РТУ 7848,2 K d m 1 Dd, где d f 0 1,57( ) a2 b2 1 m D( 2 2 ) a b K d K1 (a) K 2 (b) K3 (h1 ) K 4 (h2 ) K5 (h3 ) K 6 ( E2 ) K 7 ( E3 ) K1 (a) 0,01a 2 6,5a 2,3 ;

K 2 (b) 0,03b 2 6,5b 2,3 ;

K 3 (h1 ) 4,2h12 770,7h1 0,4 ;

K 4 (h2 ) 52h2 2 107,4h2 0,7 ;

K 5 (h3 ) 3,4h3 2 50,2h3 1 ;

K 6 ( E2 ) 5 10 10 E2 0,7 ;

K 7 ( E3 ) 2 10 7 E3 0, Коэффициент передачи в центре ячейки:

90,44 K 2 K ( x, y ), где K ( x, y ) K K1 (3 ) K 2 ( 2 ) K 3 (1 ) K 4 ( E2 ) K 5 ( E3 ) K 6 (h2 ) K 7 (h3 ) K8 (h1 ) K 9 (a) K10 (b) K1 (3 ) 0,733 1,3 ;

K 2 ( 2 ) 0,4 2 1,2 ;

K 3 (1 ) 8,91 1,4 ;

K 4 ( E2 ) 5 10 10 E2 1,25 ;

K 5 ( E3 ) 5 10 7 E3 1,25 ;

K 6 (h2 ) 3,1h2 3 0,03h2 2 128,61h2 1,4 ;

K 7 (h3 ) 67,1h33 5,1h3 2 3,6h3 1 ;

K8 (h1 ) 3,2h12 710,7h1 0,3 ;

K 9 (a) 0,01a 2 0,07a 1,1 ;

K10 (b) 0,03b 2 0,6b 1, Погрешность расчета по данным моделям в сравнении с экспериментом не превышает 15% при следующих ограничениях: длина ячейки a от 0,1 до 0,3 м, ширина ячейки b от 0,1 до 0,3 м, модуль упругости внутреннего ДС E2 от 105 до 106 Па, модуль упругости внешнего ДС E3 от 107 до 109 Па, толщина конструкци онных слоев h1 от 0,5 до 1,5 мм, толщина внешнего ДС от 0,5 до 5 мм, толщина внутреннего ДС от 0,5 до 5 мм.

В третьей главе разрабатываются методики, алгоритмы и математические модели для определения механико-динамических параметров вибропоглощаю щих материалов в ячейках РТУ с демпфирующими слоями.

Рассмотрена возможность применения существующих математических моделей для определения механико-динамических требований к материалам. В результате преобразования существующих моделей получены математические - 11 модели для определения модуля сдвига и динамического модуля упругости (ДМУ) для конструкций РТУ с демпфирующими слоями. На рис. 5 представлен алгоритм расчета механико-динамических параметров вибропоглощающего ма териала. Процесс нахождения значений модуля упругости, при котором бы вы полнялось условие min, носит итерационный характер.

Исходными данными для алгоритма являются следующие параметры:

- условия эксплуатации ячейки (темпе ратурный диапазон) - конструктивные особенности ячейки (геометрические параметры, массогабаритные характеристики) - предельно допустимые значения для виброускорений или виброперемещений ЭРЭ, исходя из которых, рассчитывается коэффици ент min В блоке 2 выбирается минимальное значение КМП ВП ( 2 ) материала, которое необходимо для уменьшения АРК на заданное значение. Для уменьшения АРК хотя бы в раза КМП ВП материала внутреннего ДС Рис. 5. Алгоритм расчета модуля должно быть не менее 0,1. Поэтому рекоменду сдвига ется в качестве минимального значения КМП принять 2 = 0,1.

В блоке 3 определяется параметр сдвига конструкции g из уравнения:

(2 g (4 3h2 ) 12 g 2 h2 8g 2 1)( н н ) 3g ( 2 1 )(1 h2 )(1 1) Решая данное уравнение необходимо получить два значения параметра сдвига g. Они оба должны быть положительными, так как модуль сдвига gK 3 H 2 k ij (1 3 ), G 4 1 2 где k ij a 2 - волновое число, а – длина ячейки;

- частотный коэффициент не может быть отрицательным или равным нулю. Поэтому, если хотя бы одно из значений параметра сдвига отрицательно или равно нулю, необходимо изменить геометрические параметры самой конструкции или увеличить КМП вибропог лощающего материала. Расчеты показали, что для обеспечения условия min необходимо, чтобы модуль сдвига находился в интервале между двумя значе ниями.

В конструкциях с внешним демпфирующим слоем коэффициент умень шения АРК увеличивается с повышением относительной толщины h2 H 2 K H и относительного модуля упругости e2 E2 E1. Поэтому для обеспечения условия min необходимо, чтобы ДМУ был не менее определенного значения.

Таким образом, предложена методика для определения требований к - 12 механико-динамическим параметрам ВП материала в конструкциях с внешним демпфирующим слоем:

задаются конструктивные параметры ячейки;

задаётся минимально допустимое значение КМП вибропоглощаю щего материала и максимально допустимые массогабаритные характеристики ячейки;

определяется минимально допустимое значение ДМУ E 2 вибро поглощающего материала, используя выражение:

k 2 E1 (1 1 ) E (1 2 )h2 p н (1 ), где h2 p (1,5(1 2 )(1 h2 p ) h2 p k ( н - н - 2 1 ) если значение E 2 отрицательно или равно нулю, то увеличивается КМП вибропоглощающего материала и расчет повторяется.

Толщину демпфирующего слоя необходимо принимать максимально воз можной, исходя из массогабаритных характеристик ячейки, а КМП вибропогло щающего материала не менее 0,2.

Приведенные выше методики могут быть применены только для пло ских прямоугольных ячеек РТУ с простейшими способами крепления. Для расче та конструкций ячеек РТУ произвольной формы необходимо применять СКЭА ANSYS.

Алгоритм, представленный на рис. 6, предполагает поиск механико динамических параметров вибропоглощающих материалов, уменьшающих АРК в раз для конструкций произвольной формы методом Гаусса-Зейделя.

Исходными данными при определении механико-динамических пара метров вибропоглощающих материалов являются: геометрическая модель конст рукции ячейки РТУ(блок 2), параметры материалов конструкционных слоев(блок 3), способы крепления ячейки (блок 4). Для того, чтобы определить механико динамические параметры материала каждого из слоев необходимо определить значение i, где i-номер демпфирующего слоя.

В алгоритме предлагается определять механико-динамические парамет ры каждого из видов слоев отдельно. Это связано с тем, что правильный выбор материала внутреннего демпфирующего слоя может исключить применение внешнего демпфирующего слоя.

В блоке 8 предполагается задание первоначальных значений ДМУ и КМП материала демпфирующего слоя. Алгоритм поиска требуемых значений ДМУ и КМП реализован в блоках 9-17. Если после произведенного расчета в блоке 9 с исходными значениями ДМУ и КМП условие min не выполняется, тогда происходит увеличение значения КМП вибропоглощающего материала.

Так как значение КМП материала ограничено и на практике не превышает 1,5, то после этого необходимо увеличивать значение ДМУ материала. При расчете ДМУ шаг определяется значением переменной Х1 в блоке 14. После нахождения минимального значения ДМУ, при котором выполняется условие min, проис - 13 ходит поиск максимального значения ДМУ при одинаковом значении минималь ного КМП. После окончания расчета диапазона ДМУ для одного из слоев, необ ходимо приступить к следующему внутреннему демпфирующему слою, а при его отсутствии к внешним демпфирующим слоям.

Рис. 6. Алгоритм определения механико-динамических характеристик материа лов в конструкциях сложной формы и различными способами крепления Определение требований для внешних демпфирующих слоев происхо дит в блоках 22-32. В отличие от внутреннего слоя, материал внешнего вибро поглощающего слоя становится более эффективным с увеличением ДМУ. По этому основной задачей при определении ДМУ является нахождение, при котором бы выполнялось условие min.. Расчет начинается с определения пер воначальных значений,. Если условие min не выполняется, то расчет по вторяется по схожему алгоритму с внутренним демпфирующим слоем. Таким образом, с помощью разработанных методик и алгоритмов возможно определить - 14 необходимые механико-динамические параметры для конструкций ячеек РТУ произвольной конфигурации и способов крепления.

В четвертой главе экспериментально оценивается эффективность приме нения ДС в конструкциях ячеек РТУ при воздействии вибрации. Оценивается адекватность разработанных математических моделей. Проводится эксперимен тальное исследование механико-динамических характеристик материалов разра ботанных с использованием методик для определения требований к вибропогло щающим материалам.

Динамические характеристики ячеек определяются методом резонансных колебаний на экспериментальной установке IMV VS-600/SA1M при воздействии гармонической и случайной вибраций Анализ полученных результатов показал, что разработанные математиче ские модели (1-2) адекватны с доверительной вероятностью 95 %, а результаты опытов воспроизводимы. Адекватность оценивалась по критерию Фишера, вос производимость – по критерию Кохрена.

Для проверки разработанных методик были приведены испытания маке тов ячеек РТУ, как с ЭРЭ, так и без них. Параметры входных вибрационных воз действий: диапазон воздействующих частот от 10 до 2000 Гц;

амплитуда ускоре ния при гармонической вибрации – 1 g. Для оценки результатов моделирования была проведена статистическая обработка данных. В результате статистической обработки было выяснено, что все значения полученные моделированием в СКЭА ANSYS находятся в доверительном интервале с вероятностью 95%. Сле довательно, методика проектирования ячеек РТУ с демпфирующими слоями при воздействии гармонической вибрации может быть применена в конструкторских расчетах.

Для тестирования методики проектирования ячеек РТУ при воздействии случайной вибрации были проведены испытания ячейки РТУ (170х138 мм;

то чечное крепление) в диапазоне частот от 50 до 2000 Гц со спектральной плотно стью ускорения 0,001 g2/Гц во всем частотном диапазоне. Также была оценена эффективность применения демпфирующих слоев при воздействии случайной вибрации. В качестве демпфирующего материала применялся Вилад-8П. Резуль таты тестирования методики представлены на рис. 7.

Проведенный анализ показывает, что расхождение частот составляет не более 10%. Расхождение спектральной плотности ускорения на ярко выражен ных 1, 4 и 5 резонансах не превышает 15%. Применение ДС (рис.8) позволило уменьшить коэффициент передачи в центре ячейки более чем в 4 раза, что пока зывает эффективность применения ДС для уменьшения АРК в ячейках РТУ.

- 15 Рис. 7. Зависимость спектральной плотности Рис. 8. АЧХ исследуемой ячейки:

ускорения от частоты. 1 – без ДС;

2 – с применением ДС 1 – результат моделирования в ANSYS;

2 – датчик на плате;

3 – датчик на вибростоле.

На основе механико-динамических параметров, рассчитанных с использо ванием приведенной методики, был разработан опытный вибропоглощающий материал. Для определения его характеристик была использована установка для испытания вибропоглощающих полимеров. На рис.9 и 10 представлены зависи мости динамического модуля упругости и коэффициента механических потерь опытного вибропоглощающего материала от температуры Рис. 9. Зависимость ДМУ опытного полиме- Рис. 10. Зависимость КМП опытного по ра от температуры. лимера от температуры.

Как видно из рис.9 и 10 опытный вибропоглощающий материал может быть использован в качестве внешнего демпфирующего слоя. Однако, диапазон в котором данный материал может эффективно уменьшать АРК составляет от ми нус 40 до плюс 50 °С. Полученные результаты определяют необходимость дальнейшей разработки материалов для изготовления ДС с применением методи ки для определения их механико-динамических параметров.

- 16

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Предложены новые методики расчета многослойных ячеек радиотехни ческих устройств с демпфирующими слоями при воздействии случайной и гар монической вибрации. На основе этих методик была разработана программа рас чета ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями при воздейст вии случайной и гармонической вибрации, которая позволяет определять собст венные частоты и амплитуды резонансных колебаний.

2. Разработаны математические модели и методики для определения тре бований к вибропоглощающим полимерам в конструкциях ячеек радиотехниче ских устройств с демпфирующими слоями. Механико-динамические параметры вибропоглощающих материалов могут быть рассчитаны, как аналитическими, так и численными методами. С использованием численных методов была разра ботана программа для определения механико-динамических параметров вибро поглощающих материалов в многослойных конструкциях ячеек радиотехниче ских устройств произвольной формы.

3. Созданы математические модели ячеек радиотехнических устройств, в которых используются внешние и внутренние демпфирующие слои совместно при воздействии гармонической вибрации.

Результаты диссертационной работы используются в НПП «Дельта» г. Мо сква и ОАО НИПТИ «Микрон» г.Владимир, а также учебном процессе кафедры КТРЭС Владимирского государственного университета.

Методики определения требований к вибропоглощающим материалам по зволяют рассчитать значения механико-динамических параметров, которые мо гут быть использованы при разработке новых вибропоглощающих материалов, эффективно подавляющих амплитуды резонансных колебаний в широком темпе ратурном диапазоне. Представлен конструктивный метод расширения темпера турного диапазона эксплуатации ячеек радиотехнических устройств с демпфи рующими слоями, который позволяет использовать вибропоглощающие мате риалы из существующей номенклатуры.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1. Цедерштрем, А.А. Определение требований к динамическим механиче ским характеристикам вибропоглощающих материалов для ячеек электронной аппаратуры / А.А. Цедерштрем, Е.Н. Талицкий // Всероссийский НТЖ «Проекти рование и технология ЭС», Владимир. – 2009. - №2. – c.6-10.– ISSN 2071- (соискатель – 70%).

2. Цедерштрем А.А. О возможности создания нанополимеров для защиты электронной аппаратуру от интенсивных механических воздействий / А.А. Це дерштрем, Е.Н. Талицкий, В.Е. Ваганов // Всероссийский НТЖ «Проектирование и технология ЭС», Владимир. - 2008.- №4.-c.2-5.– ISSN 2071-9809 (соискатель – 50%).

- 17 Публикации в остальных изданиях:

3. Цедерштрем, А.А. Алгоритм расчета виброзащищенных ячеек радио электронной аппаратуры с демпфирующими слоями в системе конечно элементного анализа ANSYS/ А.А. Цедерштрем, С.В. Шумарин // Н 34 Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер ре гионов России [Электронный ресурс]: II Всероссийские научные Зворыкинские чтения. Сб. тез. докладов II Всероссийской межвузовской научной конференции (Муром, 5 февраля 2010 г.). -Муром: Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010. – 802 с., ил. –1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: IBM PC. Microsoft Windows 98/2000/XP/Vista. Adobe Acrobat Reader 6.0. Internet Ex plorer 6.0 – Загл. с экрана. – № гос. регистрации 0321000182. (соискатель – 50%).

4. Цедерштрем, А.А. Экспериментальное определение динамических меха нических характеристик полимерных вибропоглощающих материалов / А.А.

Цедерштрем, А.В. Романов // Н 34 Наука и образование в развитии промышлен ной, социальной и экономической сфер регионов России [Электронный ресурс]:

II Всероссийские научные Зворыкинские чтения. Сб. тез. докладов II Всероссий ской межвузовской научной конференции (Муром, 5 февраля 2010 г.). -Муром:

Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010. – 802 с., ил. –1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: IBM PC. Microsoft Windows 98/2000/XP/Vista.

Adobe Acrobat Reader 6.0. Internet Explorer 6.0 – Загл. с экрана. – № гос. регистра ции 0321000182. (соискатель – 50%).

5. Цедерштрем, А.А. Моделирование высокодемпфированных ячеек элек тронной аппаратуры в системе конечно-элементного анализа «ANSYS» // Труды IX Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», Новочеркасск. - 2009 г.. с. 25-27(соискатель – 100%).

6. Цедерштрем, А.А. Расчет виброустойчивы ячеек радиотехнических уст ройств с использованием системы ANSYS / А.А. Цедерштрем, Е.Н. Талицкий // Труды VIII Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир. - 2009 г. (соискатель – 50%).

7. Цедерштрем, А.А. Исследование возможности создания нанополимеров с высокими демпфирующими свойствами / А.А. Цедерштрем, А.В. Романов // Тезисы Всероссийской молодежной конференции «Нанотехнологии и иннова ции» (НАНО-2009), Таганрог. - 2009 г. (соискатель – 50%).

8. Цедерштрем, А.А. Перспективы создания нанополимеров с высокими демпфирующими свойствами / А.А. Цедерштрем, А.В. Романов // Тезисы 2-ой международной конференции молодежной школы семинара «Современные нано технологии и нанофотоника для науки и производства», Владимир. 2009(соискатель – 50%).

9. Цедерштрем, А.А. Методика определения требований к динамическим механическим характеристикам вибропоглощающих полимеров / А.А. Цедершт рем, Е.Н. Талицкий // Всероссийская научно-техническая конференция «Иссле дование, проектирование, испытание и эксплуатация информационно измерительных устройств военной техники», Владимир.-2010 г. (соискатель – 50%).

- 18 10. Цедерштрем, А.А. Исследование высокодемпфированных многослойных ячеек РТУ с вибропоглощающими слоями / Международный симпозиум «На дежность и качество 2011», Пенза. -2011(соискатель – 100%).

11. Цедерштрем, А.А. Исследование высокодемпфированных многослойных ячеек радиотехнических комплексов при воздействии случайной вибрации / А.А.

Цедерштрем, Е.Н. Талицкий // IX Международной научно-технической конфе ренции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Влади мир. - 2011 г.

Зарегистрированные программы для ЭВМ:

12. Цедерштрем А.А., Талицкий Е.Н., Шумарин С.В. Программа виброза щиты ячеек радиоэлектронной аппаратуры демпфирующими слоями// Свиде тельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011610316, 11.01.2011. (соискатель – 30%).

- 19 Подписано в печать 18.05.12.

Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.

Издательство Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

600000, Владимир, ул. Горького, 87.

- 20