Исследование устойчивости печатных узлов спутников связи при механических нагрузках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Москва, 2019

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ СПУТНИКОВ СВЯЗИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Выпускная квалификационная работа

студента образовательной программы

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

наименование образовательной программы

по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» шифр наименование направления подготовки

Клюев Егор Станиславович



Оглавление

узел печатный радиоэлектронный бортовой

Введение

Глава1. Теоретические сведения о механических нагрузках печатных узлов

1.1 Виды воздействий, испытываемых бортовыми радиоэлектронными средствами

1.2 Варианты увеличения устойчивости плат к механическим воздействиям

1.3 Моделирование - этап, предваряющий испытания

Глава 2. Программный комплекс АСОНИКА

2.1 Описание подсистемы АСОНИКА-ТМ

2.2 Добавление механических воздействий

2.2.1 Гармоническая вибрация

2.2.2 Случайная вибрация

2.2.3 Одиночный удар

2.2.4 Многократный удар

2.2.5 Линейное ускорение

2.2.6 Акустический шум

Глава 3. Моделирование механических воздействий

3.1 Описание объекта исследования

3.2 Последовательность моделирования

3.3 Исследование свойств исходной модели печатного узла

3.3.1 Гармоническая вибрация

3.3.2 Случайная вибрация

3.3.3 Одиночный удар

3.3.4 Многократный удар

3.3.5 Линейное ускорение

3.3.6 Акустический шум

3.4 Корректировка способа крепления ПУ

3.4.1 Гармоническая вибрация

3.4.2 Случайная вибрация

3.4.3 Одиночный удар

3.4.4 Многократный удар

3.4.5 Линейное ускорение

3.4.6 Акустический шум

3.5 Изменение толщины платы

3.5.1 Гармоническая вибрация

3.5.2 Случайная вибрация

3.5.3 Одиночный удар

3.5.4 Многократный удар

3.5.5 Линейное ускорение

3.5.6 Акустический шум

3.6 Добавление рёбер жёсткости

3.6.1 Гармоническая вибрация

3.6.2 Случайная вибрация

3.6.3 Одиночный удар

3.6.4 Многократный удар

3.6.5 Линейное ускорение

3.6.6 Акустический шум

3.7 Анализ результатов моделирования

Заключение

Список использованной литературы



Введение

В процессе запуска и дальнейшей эксплуатации спутники связи и все их конструктивные составляющие подвергаются большому количеству различных воздействий, способных повлиять на работу различных электронных блоков спутника, что в дальнейшем может привести к его полному отказу.

Обеспечение устойчивого функционирования печатных узлов и прочих радиоэлектронных средств (РЭС) в процессе их эксплуатации - одна из важнейших конструкторских задач, от решения которой напрямую зависит работоспособность и надёжность разрабатываемого устройства [1]. Особенное место среди прочих факторов, способных повлиять на работу печатного узла, занимают различного рода механические воздействия, в их числе вибрации и удары. Влияние таких воздействий на радиоэлектронные устройства определяется степенью нагрузки, которую испытывают устройства. При превышении предельно допустимых нагрузок, указанных в техническом паспорте объекта, могут возникнуть проблемы с работоспособностью данного печатного узла вплоть до его выхода из строя, вызываемые превышенными напряжениями, деформациями и ускорениями.

Таким образом, в данной работе будут рассмотрены и изучены некоторые из таких воздействий, а именно механические нагрузки. В качестве инструмента для дальнейших исследований будет рассмотрен программный комплекс «АСОНИКА», а именно его подсистема АСОНИКА-ТМ. В этой подсистеме будут промоделированы механические воздействия, подобные испытываемым печатными узлами спутников связи при их запуске и эксплуатации.

В третьей главе работы будет рассмотрено устройство платы коммутации фидеров. Результаты моделирования также представлены в этой главе. Цель работы - достижение устойчивой к механическим нагрузкам работоспособности платы коммутации фидеров путём внесения конструктивных изменений.



Глава1. Теоретические сведения о механических нагрузках печатных узлов

1.1 Виды воздействий, испытываемых бортовыми радиоэлектронными средствами

Механические нагрузки, которым подвергаются печатные узлы спутников связи в процессе их эксплуатации могут быть самыми разными, рассмотрим некоторые их них.

Первым видом механических воздействий, который будет рассмотрен, является линейное ускорение. Линейные ускорения возникают как следствие движения спутников с непостоянной скоростью и действуют на все РЭС спутника. Многократное превышение инерцией сил тяжести обусловливает потенциальную опасность линейных нагрузок для РЭС. К тому же подобные нагрузки едва ли поддаются ослаблению, так что защиту от них приходится основывать на других методах.

Так же на работу РЭС оказывают влияние акустический шум, то есть беспорядочные звуковые колебания, распространяющиеся в атмосфере и обусловленные работой реактивного двигателя и обтеканием спутника связи воздушными потоками. В отличие от линейных ускорений, сила такой нагрузки менее велика, однако шум воздействует на печатные узлы практически постоянно, а потому умалять значимость шума как фактора, влияющего на работоспособность РЭС, нельзя. Благодаря малым величинам воздействия испытания акустическим шумом широко применимы в качестве дополнительного и более точного исследования.

Высокой опасностью обладают и вибрации - протяжённое во времени распространение упругих волн по конструкции приборов, вибрации бывают гармоническими и случайными. Из-за различий в их влиянии на работоспособность элементов радиоэлектронных устройств их следует рассматривать отдельно. Интерференционная картина, отражающихся от разных частей корпуса и креплений печатного узла волн, получается достаточно сложной и требует глубокого анализа, одновременно с тем она представляет собой особую ценность, так как позволяет получить понятие о том, какие части РЭС наиболее подвержены механическим нагрузкам, а какие и вовсе их не выдерживают [2].

Для определения вибрационных воздействий на работу печатных узлов применяются показатели виброустойчивости и вибропрочности.

Под виброустойчивостью понимается способность РЭС оставаться работоспособными под воздействием вибраций, таким образом, она определяет, может ли устройство функционировать, сохраняя свои параметры в допустимых пределах, при воздействии на него вибрацией, соответствующей заданным перегрузкам. То есть, виброустойчивость показывает максимальные нагрузки, которые РЭС способно выдержать в неизменно устойчивом рабочем состоянии.

Испытания на вибропрочность в свою очередь позволяют оценить, помимо степени нагрузки, выдерживаемой устройством, также продолжительность времени, на протяжении которого внешние механические воздействия не будут существенно влиять на работоспособность устройства.

Помимо вышеописанных видов механических воздействий, на работу печатных узлов в составе спутников связи могут влиять одиночные и многократные удары - быстрые изменения положений точек конструкции, причиной таких изменений могут послужить как применение, так и прекращение влияния внешней силы. Возникающий после удара затухающий вибрационный процесс, в свою очередь, тоже влияет на работоспособность устройства, поэтому, как и вибрации, удары выступают причиной возникновения сложных деформационных картин.



1.2 Варианты увеличения устойчивости плат к механическим воздействиям

Различные механические воздействия, оказываемые на РЭС при их эксплуатации, могут существенно сказаться на их работоспособности. В связи с этим встаёт вопрос о методах защиты РЭС, необходимость которой подтверждается как теоретическими расчётами, так и практическими испытаниями.

Вибрация, создающая усталостные напряжения в приборах и, следовательно, высокие амплитуды колебаний, является самой опасной разновидностью механических нагрузок, поэтому на борьбу с вибрациями направлен основной вектор защиты РЭС. Такая защита нацелена, в первую очередь, на снижение колебательных амплитуд деталей прибора, для её осуществления применяются различные методы, отработанные годами и применяемые в различных сферах микроэлектроники, среди них:

· применение экранирующих установок, активных средств виброзащиты и амортизаторов;

· расположение элементов печатного узла с учётом векторов распространения внешних сил;

· усиление амортизирующих свойств элементов платы;

· повышение жёсткости печатного узла.

Повышение жёсткости РЭС - единственный среди вышеперечисленных способов защиты печатного узла от механических воздействий, применение которого оправдано на уровне самого печатного узла. Остальные способы - напротив, применимы на более высоких уровнях конструктивного моделирования, поскольку на уровне мелких элементов их эффективность не превышает потерь, связанных с увеличением массы и габаритов устройств.

Иными словами, для того, чтобы понизить влияние вибраций на конкретный печатный узел, в первую очередь, следует уделить внимание повышению жёсткости конструкции, преследуя эту цель, можно воспользоваться разными способами, вот основные из них:

· изменение метода крепления платы;

· корректировка геометрических размеров печатного узла, в том числе толщины платы;

· добавление рёбер жёсткости.

Так, изменив метод крепления платы и приведя её к жёсткому защемлению, можно достигнуть повышения первой собственной частоты почти в два раза, однако того же нельзя сказать о второй и третьей собственных частотах, что позволяет утверждать о малой эффективности данного метода. Похожая ситуация наблюдается и при увеличении количества точечных креплений платы. Ниже в таблице 1.1 приведены собственные частоты колебаний печатной платы при изменении конфигурации точечных креплений по схеме, представленной на рисунке 1.1, относительно схемы с четырьмя угловыми креплениями [3].

Рисунок 1.1. Варианты крепления печатной платы

Таблица 1.1 Зависимость собственной частоты платы от способа её крепления

Способ крепления	Относительная собственная частота по тонам
	№	I	II	III
	1	1,00	2,43	2,93
	2	3,03	3,76	3,88
	3	2,43	2,93	3,38
	4	3,76	3,88	3,90
	5	2,29	3,01	4,76
	6	3,01	3,58	5,89

Также можно повышать устойчивость платы путём увеличения размеров её креплений. Надёжность в таком случае увеличивается за счёт увеличения площади соприкосновения с корпусом, что позволяет снизить амплитуду вибросмещений платы, что приводит делает печатный узел более устойчивым.

Уменьшая размеры платы, можно добиться смещения спектра собственных частот прибора в область более высоких, ввиду повышения жёсткости устройства, однако данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в сокращении площади для размещения навесных элементов и креплений, и потому вовсе не всегда применим.

Повышение же жёсткости за счёт утолщения платы приводит к увеличению массы конструкции, что влечёт за собой рост энергозатратности применения такого метода к бортовым РЭС.

Наиболее эффективным способом повышения виброустойчивости является применение рёбер жёсткости. При их использовании стоит учитывать множество факторов, упуская которые, можно не добиться желаемого результата. Так, например, максимальную жёсткость обеспечивают рёбра, имеющие жёсткое крепление не только к самой плате, но и к опорам, на которых она закреплена.

Из этого следует, что повышать жёсткость печатных узлов, а следовательно, и их устойчивость к механическим нагрузкам можно, изменяя размеры креплений и конфигурации их расположения, корректируя геометрические размеры платы и её толщину, а также вводя дополнительные конструктивные элементы - рёбра жёсткости. При этом наиболее качественная защита печатного узла будет достигаться путём взвешенного применения всех вышеперечисленных методов [4].



1.3 Моделирование - этап, предваряющий испытания

Процесс разработки РЭС включает в себя множество этапов, среди которых имеет место моделирование, суть которого заключается в оценке надёжности устройства на этапе разработки на основе модели, повторяющей основные характеристики разрабатываемого объекта, с возможностью внесения в него конструктивных новаций. Таким образом, моделирование печатных узлов и симуляция нагрузок, способных повлиять на их работоспособность, не заменяет этап испытаний, а только предшествует ему [1]. Значимость этого этапа заключается в сокращении временных и денежных затрат на проведение испытаний с полностью воспроизведённым техническим средством.

В общем смысле, модель - это объект (физический или абстрактный), который частично повторяет свойства данного объекта и используется для изучения его поведения и свойств в различных условиях. Процесс создания модели, её испытаний и получения выводов на основе выходных данных называют моделированием [5].

Основной целью применения моделей является замещение моделируемого объекта, приводящее к упрощению исследования его свойств, при этом применимость моделей ограничивается рядом требований к ним, среди которых:

· полнота;

· адекватность;

· трудоёмкость;

· гибкость.

Полнота модели определяет охват моделью всех критически важных для применения при решении конкретной задачи параметров. Если модель соответствует оригиналу по ряду параметров, которые необходимы для исследования, но не соответствует некоторым не имеющим существенной значимости критериям, её тем не менее можно назвать полной.

Адекватностью модели называют её способность с достаточной степенью достоверности отображать свойства объекта, позволяя при этом экстраполировать результаты изучения модели на оригинал.

Использование модели оправдано лишь в тех случаях, когда создать оригинальный объект значительно сложнее, чем модель, или вовсе не представляется возможным. Если затраты, связанные с созданием модели, сопоставимы с затратами воссоздания самого объекта моделирования, применение модели неприемлемо ввиду повышающейся вероятности погрешностей расчётов.

В тех случаях, когда спектр применения модели узок ввиду её неполноты, и для воспроизведения её поведения в различных условиях требуется создание новых моделей, говорят, что есть модель не обладает достаточной степенью гибкости.

Исходя из этого, можно сказать, что применение моделей в значительной степени упрощает работу с различными сложными объектами, однако это условие выполняется лишь в тех случаях, когда модель беспрекословно удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям.

Глава 2. Программный комплекс АСОНИКА

2.1 Описание подсистемы АСОНИКА-ТМ

АСОНИКА-ТМ - подсистема программного комплекса «АСОНИКА» (автоматизированная система обеспечения надёжности и качества аппаратуры), предназначенная для анализа влияния воздействий, включая удары: одиночные и многократные, вибрации: случайные и гармонические, а также акустический шум и линейное ускорение и тепловых воздействий на печатные узлы [5]. С помощью данного программного комплекса в ходе выполнения данной ВКР будет произведено моделирование механических воздействий на плату коммутации фидеров. Далее в ней же будут внесены изменения в конструкцию печатного узла с целью улучшения устойчивости платы к механическим нагрузкам, а следовательно, ее надежности.

2.2 Добавление механических воздействий

2.2.1 Гармоническая вибрация

Порядок добавления механических воздействий будет рассмотрен на примере гармонической вибрации. Для добавления нового механического воздействия в программе АСОНИКА-ТМ необходимо обратиться к пункту «Воздействия» из меню слева, щёлкнув по нему правой клавишей мыши, затем в выпадающем списке выбрать функцию «Добавить», после чего откроется окно. В этом окне необходимо будет выбрать тип воздействия, которое должно быть добавлено: в нашем случае это гармоническая вибрация, и нажать на кнопку «добавить».

После того, как воздействие будет добавлено, необходимо внести его параметры, сделать это можно с помощью графика воздействия. Для того, чтобы ввести график гармонической вибрации, добавим значения диапазонов частоты и ускорений таким образом, чтобы они соответствовали данным из таблицы 2.1.

Таблица 2.1 Параметры воздействия гармонической вибрации

Параметр воздействия	Значение параметра
Диапазон частоты вибрации от, Гц	5,00
Диапазон частоты вибрации до, Гц	2000,00
Шаг по частоте, Гц	19,95
Диапазон ускорений от, g	0,50
Диапазон ускорений до, g	10,00

За добавлением значений этих диапазонов последует появление вкладки «Воздействие». Перейдя на неё, можно увидеть поле графика, на которое можно добавлять точки нажимая правой клавишей мыши, для перемещения точек по полю можно воспользоваться левой клавишей мыши. Добавляя несколько точек, создадим ломаную линию, такую, чтобы она соответствовала значениям из таблицы 2.2.

Таблица 2.2 Распределение амплитуд ускорений воздействия гармонической вибрации

Диапазон частот, Гц	Амплитуда ускорений, g
5-10	0,5-1,0
10-20	1,0
20-40	1,0-1,5
40-80	1,5-2,0
80-160	2,0-4,0
160-320	4,0-8,0
320-640	8,0-10,0
640-1280	10
1280-2000	10

После выполнения всех этих шагов, получаем график воздействия (рисунок 2.1), аналогичным образом задаются графики и для всех остальных механических воздействий - их описания будут представлены ниже.

Рисунок 2.1 График воздействия гармонической вибрации



2.2.2 Случайная вибрация

Случайная вибрация описывается значениями, представленными в таблице 2.3, на рисунке 2.2 изображён график воздействия в виде зависимости спектральной плотности воздействия от частоты.

Таблица 2.3 Параметры воздействия случайной вибрации

Параметр воздействия	Значение параметра
Диапазон частоты вибрации от, Гц	20,00
Диапазон частоты вибрации до, Гц	2000,00
Шаг по частоте, Гц	19,80
Диапазон по спектральной плотности от, g2/Гц	9,39е-04
Диапазон по спектральной плотности до, g2/Гц	0,17

Рисунок 2.2 График воздействия случайной вибрации

2.2.3 Одиночный удар

Ниже в таблицах 2.4 и 2.5 представлено описание одиночного удара, он характеризуется диапазонами времени ударного воздействия и ускорения, а также величиной интервала затухания удара. График механического воздействия представлен на рисунке 2.3.

Таблица 2.4 Параметры воздействия одиночного удара

Параметр воздействия	Значение параметра
Диапазон времени ударного воздействия от, мс	0,00
Диапазон времени ударного воздействия до, мс	5,00
Шаг по времени, мс	0,05
Диапазон по ускорению от, g	0,00
Диапазон по ускорению до, g	500,00
Интервал затухания, мс	0,15

Таблица 2.5 Значения ускорения одиночного удара в разные моменты времени

Время, мс	Ускорение, g
0	0
0,5-4,5	500
5,0	0

Рисунок 2.3 График воздействия одиночного удара

2.2.4 Многократный удар

Многократный удар, в отличие от одиночного, помимо совпадающих параметров, описывается так же количеством импульсов и временными интервалами между этими импульсами. Описание заданного воздействия многократного удара представлено в таблицах 2.6 и 2.7, а его график - на рисунке 2.4.

Таблица 2.6 Параметры воздействия многократного удара

Параметр воздействия	Значение параметра
Диапазон времени ударного воздействия от, мс	0,00
Диапазон времени ударного воздействия до, мс	10,00
Шаг по времени, мс	0,10
Диапазон по ускорению от, g	0,00
Диапазон по ускорению до, g	40,00
Количество импульсов	3
Шаг между импульсами, мс	0,15
Интервал затухания, мс	0,50

Таблица 2.7 Значения ускорения многократного удара в разные моменты времени

Время, мс	Ускорение, g
0	0
5	40
10	0

Рисунок 2.4 График воздействия многократного удара

2.2.5 Линейное ускорение

Линейное ускорение, воздействие которого на данный печатный узел, задавалось следующими параметрами (таблица 2.8 и рисунок 2.5):

Таблица 2.8 Параметры воздействия линейного ускорения

Параметр воздействия	Значение параметра
Диапазон времени воздействия от, мс	0,00
Диапазон времени воздействия до, мс	6,00е+04
Шаг по времени, мс	600,00
Диапазон по ускорению от, g	0,00
Диапазон по ускорению до, g	10,00

Рисунок 2.5 График воздействия линейного ускорения

2.2.6 Акустический шум

Воздействие же акустического шума, в свою очередь, определяется частотами шума и его давлением - эти данные представлены в таблице 2.9, а на рисунке 2.6 изображена зависимость давления шума от его частоты.

Таблица 2.9 Параметры воздействия акустического шума

Параметр воздействия	Значение параметра
Диапазон частоты шума от, Гц	50,00
Диапазон частоты шума до, Гц	2,00е+04
Шаг по частоте, Гц	199,50
Диапазон по давлению от, дБ	0,00
Диапазон по давлению до, дБ	140,00

Рисунок 2.6 График воздействия акустического шума



Глава 3. Моделирование механических воздействий

В данной главе будет описана практическая часть ВКР, в ходе которой были проведены расчёты надёжности платы коммутации фидеров в среде моделирования АСОНИКА-ТМ.

Фидеры - это электрические цепи и связанные с ними вспомогательные устройства, которые предназначены для передачи энергии радиочастотного сигнала между антенной и радиопередатчиком/радиоприёмником [7]. Таким образом, плата коммутации фидеров - один из основных элементов в цепи передачи сигналов спутника связи, распределяющая и направляющая сигналы по заданным маршрутам.

3.1 Описание объекта исследования

· Габаритные размеры платы коммутации фидеров МФ1 - 200х140х2 мм.

· Масса платы коммутации фидеров МФ1 - 0,637 кг.

· Допустимый коэффициент нагрузки - 0,75 относительных единиц.

· Плата коммутации фидеров выполнена из материала СОНФМ-2.35, его свойства описаны в таблице 3.1

Таблица 3.1 Свойства материала платы коммутации фидеров

Материал	СОНФМ-2.35
Плотность, кг/м3	2135
Модуль упругости, ГПа	19,6
Коэффициент Пуассона	0,22
КМП	для вибрации	0,0100
	для удара	0,0120
Коэффициент зависимости КМП от напряжения, 1/Па	для вибрации	4,3Е-08
	для удара	8,1Е-06
Предел прочности, МПа	300

Общий вид модуля коммутации фидеров МФ1 представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Плата коммутации фидеров (общий вид)

Плата коммутации фидеров имеет семь точек крепления, которыми она жёстко прикреплена к корпусу блока, поэтому все моделируемые воздействия подаются на плату именно через на них. На рисунке 3.2 (а, б) изображены плата коммутации фидеров и расположение точек крепления на ней.

Рисунок 3.2, а. Крепления платы коммутации фидеров (первая сторона)

Рисунок 3.2, б. Плата коммутации фидеров (вторая сторона)

3.2 Последовательность моделирования

Для исследования надёжности данного печатного узла производилось моделирование механических воздействий, описанных в главе 2, а именно:

· гармоническая вибрация;

· случайная вибрация;

· однократный удар;

· многократный удар;

· линейное ускорение;

· акустический шум.

На первом этапе моделирования данным воздействиям подвергался исходный вариант печатного узла, а затем в строение исследуемого объекта вносились изменения с целью повышения его устойчивости к моделируемым воздействиям. Этап внесения корректировок устройства печатного узла производился до тех пор, пока значения коэффициентов нагрузки были минимизированы до уровня, обозначенного в ТЗ проекта допустимым, эта величина составляет 0,75. Коэффициент нагрузки - это отношение значения выходной величины (например, виброускорения на элементе) к величине, заданной в нормативно-технической документации (НТД). Для определения устойчивости печатного узла к заданным нагрузкам после каждого изменения в его конструкции производилось моделирование всех вышеперечисленных нагрузок.

В ходе моделирования выяснилось, что при моделировании воздействия акустического шума на данный узел с любыми вносимыми в него изменениями не превышает значений, способных в значительной степени повлиять на работоспособность исследуемого объекта. В связи с этим моделирование данного воздействия далее будет освещено в значительной степени меньше остальных.

Обработка результатов каждого опыта включала в себя несколько стадий. На первой из них основное внимание было уделено амплитудно-частотной характеристике, с помощью которой выявлялись частоты, на которых печатный узел испытывает максимальные нагрузки. Затем с помощью соответственного инструмента выбирался режим работы, для которого выводились значения нагрузок: фактических и допустимых по НТД, а также значения коэффициентов нагрузки.

Из ранжированного по величине коэффициента нагрузки списка отбирались особенно уязвимые элементы печатного узла, что позволяло сделать предположение о том, какие именно его области нуждаются в защите от механических воздействий. Расположение таких элементов в конструкции объекта, выделенное на изображении печатного узла цветом, позволяло сделать предположение, каким именно методом стоит попытаться увеличить устойчивость печатного узла к механическим нагрузкам.

После применения различных методов повышения надёжности печатного узла вновь проводилось моделирование, что позволяло выяснить, удалось ли достигнуть желаемого результата или нет, что влекло за собой принятия решения о необходимости дальнейшего поиска способа повышения надёжности исследуемого объекта.

Печатный узел можно считать успешно прошедшим моделирование на механические воздействия, если коэффициент нагрузки каждого из его элементов не будет превышать значения 0,75.

3.3 Исследование свойств исходной модели печатного узла

На первом этапе было произведено моделирование механических воздействий на печатный узел в его изначальном конструктивном виде. Ниже будут представлены результаты моделирования различных воздействий с краткими описаниями.

3.3.1 Гармоническая вибрация

В результате проведения расчета из амплитудно-частотной характеристики было выявлено, что наибольшие ускорения элементы печатного узла испытывают на частоте 1980 Гц. В таблице 3.2 представлены первые десять по величине коэффициента нагрузки элементов и значения их нагрузок.

Таблица 3.2 Карта механических режимов работы исходной версии ЭРИ при воздействии гармонической вибрации

Обозначение ЭРИ	Ускорение	По НТД	Коэф.нагрузки	Перегрузка
D2	24,32	20,00	1,22	4,32
C10	33,84	40,00	0,85
C11	31,05	40,00	0,78
C18	31,05	40,00	0,78
R46	31,04	40,00	0,78
C1	30,34	40,00	0,76
D22	29,79	40,00	0,74
VD22	28,07	40,00	0,70
R24	27,95	40,00	0,70
R21	27,95	40,00	0,70

Как видно из таблицы 3.2 один элемент, а именно D2, испытывает перегрузку, также пять элементов: C10, C11, C18, R46 и C1 - имеют нагрузку выше 75% от допустимой по НТД. Из этого можно сделать вывод о том, что печатный узел в данной конфигурации не выдерживает заданного воздействия, так как один из его элементов перегружен, и ещё пять элементов приближаются к состоянию перегрузки. На рисунке 3.3 можно увидеть расположение элементов на второй стороне печатной платы, чем ближе к красному цвету тот, которым обозначен на ней элемент, тем большему ускорению он подвергается.

Рисунок 3.3 Поля ускорений элементов платы коммутации фидеров при воздействии гармонической вибрации (вторая сторона)

3.3.2 Случайная вибрация

При моделировании воздействия случайной вибрации на данный печатный узел выяснилось, что ни один из его элементов не испытывает перегрузок, а наибольшим коэффициентом нагрузки, равным 0,57, обладает элемент D2. Поля виброускорений на первой стороне печатного узла, возникающих под воздействием случайной вибрации, показаны на рисунке 3.4.



Рисунок 3.4 Поля ускорений элементов платы коммутации фидеров при воздействии случайной вибрации (первая сторона)

3.3.3 Одиночный удар

Согласно полученным результатам моделирования воздействия одиночного удара, в момент времени 1,70 мс, когда, судя по АЧХ, печатный узел испытывает максимальные ускорения, один элемент (D1) испытывает перегрузку, и ещё 18 элементов (D9, D2, D20, VD12, VD35, VD9, VD13, VD34, VD30, D7, D18, X1, VD14, VD33, D11, D14, VD8, VD31) имеют коэффициент нагрузки 0,75 и выше. Вышеперечисленные элементы, их ускорения и коэффициенты нагрузки представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 Карта механических режимов работы исходной версии ЭРИ при воздействии одиночного удара

Обозначение ЭРИ	Ускорение	По НТД	Коэф.нагрузки	Перегрузка
D1	1072,20	1000,00	1,07	72,20
D9	948,44	1000,00	0,95
D2	933,08	1000,00	0,93
D20	917,10	1000,00	0,92
VD12	902,49	1000,00	0,90
VD35	897,17	1000,00	0,90
VD9	844,13	1000,00	0,84
VD13	838,99	1000,00	0,84
VD34	830,71	1000,00	0,83
VD30	814,74	1000,00	0,81
D7	805,09	1000,00	0,81
D18	784,85	1000,00	0,78
X1	781,46	1000,00	0,78
VD14	781,04	1000,00	0,78
VD33	771,24	1000,00	0,77
D11	769,11	1000,00	0,77
D14	768,03	1000,00	0,77
VD8	760,44	1000,00	0,76
VD31	746,01	1000,00	0,76

На рисунке 3.5 изображена карта ускорений печатного узла (вторая сторона) при моделировании одиночного удара. Из неё хорошо видно, что большинство высоких ускорений пришлось на центральную часть платы коммутации фидеров, из чего можно сделать вывод об уязвимости именно этой области.

Рисунок 3.5 Поля ускорений элементов платы коммутации фидеров при воздействии одиночного удара (вторая сторона)

3.3.4 Многократный удар

По результатам моделирования воздействия многократного удара на печатный узел, ни один из его элементов не испытывает перегрузок, максимальный коэффициент нагрузки - 0,42 - принадлежит элементу R10. Поля ускорений на второй стороне платы коммутации фидеров показаны на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 Поля ускорений элементов платы коммутации фидеров при воздействии многократного удара (вторая сторона)

3.3.5 Линейное ускорение

При моделировании линейного ускорения перегрузок также не возникло, наибольшее ускорение приходится на элемент D1 и составляет 18,14 g в момент времени 5,88е+04 мс; коэффициент нагрузки данного элемента - 0,12. Карта ускорений первой стороны печатного узла показана на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 Поля ускорений элементов платы коммутации фидеров при воздействии линейного ускорения (первая сторона)

3.3.6 Акустический шум

Моделирование воздействия акустического шума на печатный узел также не повлекло за собой возникновения перегруженных элементов, более того, максимальный коэффициент нагрузки, принадлежащий элементу VT13, составил пренебрежимо малую величину - 3,91е-05.

Таким образом, по результатам всех исследований, печатный узел в изначальной его конфигурации имеет неудовлетворительные характеристики устойчивости при моделировании воздействий гармонической вибрации и однократного удара: элементы D2 и D1 соответственно испытывают перегрузки, и ещё целый ряд элементов нагружен свыше 75% от допустимого по НТД уровня.

3.4 Корректировка способа крепления ПУ

Из рисунков 3.5 - 3.7 можно сделать вывод о том, что наибольшие ускорения приходятся на элементы, расположенные в центральной части печатного узла. В связи с эти было принято решение об увеличении радиусов креплений - EX4 и EX5 (рисунок 3.8), наиболее приближённых к это части, с целью увеличения площади касания печатного узла с корпусом прибора, а следовательно, повышения его жёсткости.

Рисунок 3.8 Изменённые крепления на первой стороне платы

Изделие изначально имело радиусы креплений 1,5 мм, они были изменены таким образом, что их радиусы стали составлять 2,0 мм.

Далее будут представлены результаты моделирования механических воздействий на печатный узел, модифицированный описанным выше образом.

3.4.1 Гармоническая вибрация

По результатам моделирования воздействия гармонической вибрации на печатный узел с изменённым методом крепления, печатный узел показал более высокий уровень устойчивости к такому виду воздействий, однако полученный результат нельзя назвать безупречным.

Из АЧХ следует, что частота, на которой печатный узел испытывает наибольшие ускорения изменилась и теперь составляет 1180 Гц. На этой частоте всего один элемент - D2 - имеет коэффициент нагрузки выше 0,75, его ускорение составило 16,83 g, а коэффициент нагрузки - 0,84, что является слишком высоким показателем для того, чтобы считать данный элемент достаточно устойчивым.

3.4.2 Случайная вибрация

Интересно так же отметить, что, по результатам моделирования воздействий случайной вибрации, коэффициенты нагрузок элементов никоим образом не изменились, то есть изменение радиусов не повлияло на распределение ускорений по поверхности печатного узла.

3.4.3 Одиночный удар

Влияние одиночного удара также не изменилось после изменения способа крепления платы коммутации фидеров к корпусу. Значения ускорений и, соответственно, коэффициентов нагрузки элементов повторяют значения, полученные ранее и зафиксированные в таблице 3.3. Следовательно, 18 элементов платы снова имеют коэффициенты нагрузки, превышающие пороговое значение 0,75, а элемент D1 и вовсе перегружен.

3.4.4 Многократный удар

По результатам моделирования воздействия многократного удара на печатный узел не было выявлено отличий в значениях коэффициентов нагрузки, по сравнению с результатами, полученными при моделировании воздействий на плату в её первоначальном виде.

3.4.5 Линейное ускорение

Как и в случаях со случайной вибрацией, одиночным и многократным ударами, изменение радиусов креплений не возымело никаких результатов ни в виде изменения частоты, на которой печатный узел испытывает максимальные нагрузки, ни в виде уменьшения коэффициентов нагрузки элементов.

3.4.6 Акустический шум

Максимальный коэффициент нагрузки, полученный при моделировании акустического шума, увеличился, теперь он составляет 5,1е-05 и принадлежит элементу C2. Однако такое значение по-прежнему остаётся в пределах пренебрежимо малых значений, и такое понижение уровня устойчивости можно не учитывать.

Из проведённых экспериментов можно сделать вывод, что такой метод повышения устойчивости печатного узла к механическим воздействиям за счёт повышения его жёсткости посредством увеличения размеров креплений имеет положительные, но не удовлетворительные результаты применительно к данной плате. Ввиду малой целесообразности, от применения увеличенных креплений при дальнейшем поиске технического решения задачи повышения устойчивости печатного узла к механическим воздействиям пришлось отказаться.

3.5 Изменение толщины платы

Ввиду несостоятельности гипотезы о возможности увеличения надёжности платы посредством увеличения радиусов её креплений к корпусу было выдвинуто предположение о том, что повысить устойчивость печатного узла к механическим нагрузкам можно с помощью увеличения её толщины.

Изначально толщина печатной платы составляла 2,00 мм, она была увеличена в полтора раза и составила 3,00 мм. После внесения изменений были промоделированы те же, что и в первых двух случаях, далее будут представлены их результаты.

3.5.1 Гармоническая вибрация

При моделировании воздействия гармонической вибрации на утолщённый печатный узел было получено, что наиболее высокие значения ускорений в нём достигаются при частоте 1100 Гц, поэтому именно этот режим был выбран для дальнейшего изучения.

Ни один элемент печатного узла не испытывает перегрузок при воздействии на него гармонической вибрацией, однако 24 элемента имеют коэффициент нагрузки свыше 0,75, а коэффициент нагрузки элемента R1124 и вовсе почти равен единице, значения их ускорений и коэффициентов нагрузки представлены в таблице 3.4. Полученные результаты надёжности лучше, чем в изначальной конфигурации устройства, однако их всё же нельзя назвать качественными.

Таблица 3.4 Карта механических режимов работы утолщённой версии ЭРИ при воздействии гармонической вибрации

Обозначение ЭРИ	Ускорение	По НТД	Коэф.нагрузки
R1124	39,30	40,00	0,98
R56	37,73	40,00	0,94
C16	37,59	40,00	0,94
R1123	36,69	40,00	0,92
R7	36,20	40,00	0,91
C6	36,20	40,00	0,91
R6	35,83	40,00	0,90
R8	35,83	40,00	0,90
R53	35,50	40,00	0,89
R59	35,50	40,00	0,89
R44	35,09	40,00	0,88
R41	34,92	40,00	0,87
X1	34,77	40,00	0,87
C24	34,16	40,00	0,85
C28	34,15	40,00	0,85
C17	33,09	40,00	0,83
R1122	33,09	40,00	0,83
R57	32,52	40,00	0,81
R60	32,52	40,00	0,81
R39	32,14	40,00	0,80
R42	32,14	40,00	0,80
R12	31,44	40,00	0,79
C13	30,81	40,00	0,77
C21	30,77	40,00	0,77

На рисунке 3.9 изображено распределение ускорений по поверхности второй стороны печатного узла, из него видно, что большая часть нагрузки приходится на середину нижней части платы.

Рисунок 3.9 Поля ускорений элементов утолщённой платы коммутации фидеров при воздействии гармонической вибрации (вторая сторона)

3.5.2 Случайная вибрация

По сравнению с результатами, полученными в ходе моделирования такого же воздействия на печатный узел до внесения изменений и после внесения корректировок в схему его крепления, данная конструкция печатного узла оказалась наименее устойчивой. Так, ускорение элемента D2 составило 14,98 g, а его коэффициент нагрузки - 0,75 против полученных в первых двух случаях 11,32 g и 0,57 соответственно.



3.5.3 Одиночный удар

Изменив толщину платы, удалось достигнуть отсутствия перегрузки на его элементах при моделировании одиночного удара, но полученное повышение надёжности всё-таки нельзя считать достаточным: в момент времени 1,20 мс с начала воздействия, в который достигается максимальное ускорение, элементы D1, D2, D9, D20, VD35, VD12 и VD9 имеют значения коэффициента нагрузки, равные или превышающие 0,75 (таблица 3.5).

Таблица 3.5 Карта механических режимов работы утолщённой версии ЭРИ при воздействии одиночного удара

Обозначение ЭРИ	Ускорение	По НТД	Коэф.нагрузки
D1	955,11	1000,00	0,96
D2	844,60	1000,00	0,84
D9	832,88	1000,00	0,83
D20	814,17	1000,00	0,81
VD35	790,79	1000,00	0,79
VD12	789,07	1000,00	0,79
VD9	745,75	1000,00	0,75

Изображение печатного узла с показанными на нём цветом ускорениями представлено на рисунке 3.8 (а,б). Из рисунка видно, что наибольшие ускорения по-прежнему испытывают элементы, расположенные в центральной части платы.

Рисунок 3.10, а. Поля ускорений элементов утолщённой платы коммутации фидеров при воздействии одиночного удара (первая сторона)	Рисунок 3.10, б. Поля ускорений элементов утолщённой платы коммутации фидеров при воздействии одиночного удара (вторая сторона)

3.5.4 Многократный удар

Из данных, полученных в ходе моделирования многократного удара, следует, что путём изменения толщины платы удалось незначительно снизить максимальный коэффициент напряжения в схеме с 0,42 до 0,40.

На рисунке 3.11 показаны ускорения, возникшие в печатном узле (первая сторона), из рисунка видно, что наибольшие нагрузки так же, как и в предыдущих случаях локализуются в центральной части платы коммутации фидеров.

Рисунок 3.11. Поля ускорений элементов утолщённой платы коммутации фидеров при воздействии многократного удара (первая сторона)

3.5.5 Линейное ускорение

Моделирование воздействия линейного ускорения на плату коммутации фидеров показало, что утолщение платы не приводит к изменению значений коэффициентов нагрузки: как и прежде, максимальный из них составил 0,12.

3.5.6 Акустический шум

Утолщённый печатный узел продемонстрировал повышенную, по сравнению с первыми двумя вариантам платы, устойчивость к воздействию акустического шума: теперь максимальный достигаемый коэффициент нагрузки имел значение 2,4е-05, однако значения нагрузок и прежде были очень малыми.

Таким образом, метод повышения устойчивости платы коммутации фидеров к механическим воздействиям путём увеличения её жёсткости посредством увеличения толщины платы не оправдал возложенных на него ожиданий, так как при моделировании воздействий гармонической и случайной вибраций, а также одиночного удара возникали коэффициенты напряжения, равные значению 0,75 или превышающие его.

Так как повышение устойчивости платы коммутации фидеров не было достигнуто в достаточной степени за счёт увеличения толщины платы, а в случае со случайной вибрацией, надёжность платы вовсе снизилась, толщина платы была скорректирована обратно, и снова составила 2,00 мм.

3.6 Добавление рёбер жёсткости

Следующий из опробованных способов повышения надёжности печатного узла - добавление к нему рёбер жёсткости. Из рисунков 3.5 - 3.7, 3.10 (а, б) и 3.11 видно, что наиболее сильным ускорениям подвергаются центральные участки печатного узла, а также из рисунков 3.3, 3.4 и 3.9 легко определить, что нижняя часть в целом, а в особенности её левая часть (со стороны 2), потенциально также подвержены повышенным нагрузкам.

Из полученных графическим и аналитическим путями данных был сделан вывод о расположении добавочных рёбер жёсткости, выбор второй стороны печатного узла при этом был продиктован тем, что на первой стороне не было достаточного количества места для их расположения. На рисунке 3.12 изображено положение добавленных рёбер жёсткости (РЖ4 и РЖ5), ниже в таблице 3.6 представлено их описание.

Рисунок 3.12 Расположение добавленных рёбер жёсткости



Таблица 3.6 Свойства добавленных рёбер жёсткости

Параметры	Имя	РЖ 4	РЖ 5
	Позиция по оси X, мм	62,75	154,00
	Позиция по оси Y, мм	3,25	2,50
	Размер по оси X, мм	75,00	35,00
	Размер по оси Y, мм	4,00	4,00
	Толщина, мм	2,50	2,50
	Масса, г	6,70	3,13
	Материал	Медь	Медь

Далее будут представлены результаты моделирования механических воздействий на печатный узел с добавленными в его конструкцию рёбрами жёсткости.

3.6.1 Гармоническая вибрация

Из рисунка 3.13 с изображением первой стороны платы коммутации фидеров, полученного путём моделирования воздействия гармонической вибрации на эту плату с добавленными в неё рёбрами жёсткости, видно, что ускорения стали распределяться по поверхности печатного узла более равномерно.

Рисунок 3.13 Поля ускорений элементов платы коммутации фидеров с добавленными рёбрами жёсткости при воздействии гармонической вибрации (первая сторона)

Максимальные ускор...