Исследование механической прочности конструкций

2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

2.1 Классификация механических воздействий

       В процессе эксплуатации приборы подвергаются механическим воздей­ствиям. Характер и интенсивность воздействий зависят от вида источ­ников воздействия и их расположения относительно конструкций приборов. Наиболее часто источниками механических воздействий являются: ок­ружающая среда, силовые установки объекта, электромеханические ус­тройства с возвратно-поступательно движущимися массами или неуравновешенными вращающимися роторами и т. д.

К механическим воздействиям относятся: линейные перегрузки,
вибрации  и удары.        

       Непосредственное воздействие возмущающей силы на прибор (или на какой-либо элемент его конструкции) принято называть силовым воз­буждением. В случае, когда заданы законы движения отдельных точек системы (например, закон движения основания), силовое возбуждение называют кинематическим.

Все объекты, движущиеся с переменной скоростью, имеют линей­ное ускорение. Линейное ускорение деталей и электрорадиоэлементов конструкций РЭС обусловлено силами инерции, которые могут во мно­го раз превышать силы тяжести. Так, если на элемент с массой т в со­стоянии покоя действует сила тяжести G = mg, то при движении с уско­рением a (t) тот же элемент дополнительно подвергается воздействию силы инерции Ри = та (t). Тогда результирующая сила, действующая на элемент, Рр = mg +  та (t),  результирующее ускорение a(t) =g+a(t).

При движении объекта по криволинейной траектории, например по дуге окружности с радиусом R, элементы конструкции РЭС будут иметь центробежное ускорение а=т v2/Rf, где v— линейная скорость движения объекта.

Отношение действующего ускорения к ускорению свободного паде­ния называют перегрузкой.

Линейные перегрузки, за исключением кратковременных, не могут быть устранены или ослаблены. Поэтому работоспособность конструк­ций может быть обеспечена за счет повышения жесткости и прочности элементов, что, как правило, ведет к увеличению массы конструкций.

Под вибрацией РЭС понимают механические колебания ее элемен­тов или конструкции в целом. Вибрация может быть периодической или случайной. В свою очередь периодическая вибрация подразделяет­ся на гармоническую и полигармоническую, а случайная — на стацио­нарную, нестационарную, узкополосную и широкополосную. Гармони­ческая вибрация в реальных условиях встречается редко, но широко ис­пользуется при лабораторных испытаниях конструкций РЭС, теорети­ческом анализе вибраций, а также при определении динамических ха­рактеристик конструкций.

Вибрацию принято характеризовать виброперемещением, виброско­ростью и виброускорением.

  Виброперемещение при гармонической вибрации определяется как
z(f)=Zsinщt,

где Z — амплитуда виброперемещения;
  щ — частота вибраций.

  Виброскорость и виброускорение находят в результате дифферен­цирования

v (t) = z (t) = щ Z cos щ t;

  a(t) =z (t) = щ Z sin щt.

  Виброускорение при гармонической вибрации опережает по фазе виброперемещение на угол р, виброскорость на угол р /2. Амплитуды виброперемещения Z, виброскорости щZ, виброускорения щ2Z и угловая частота колебаний являются основными характери­стиками гармонической вибрации. Однако, кроме них гармоническую вибрацию можно характеризовать вибрационной перегрузкой

                                               nB = щ2Z /g/

Если в амплитуда виброперемещения выражена в мм, а ускоре­ние силы тяжести в мм/с 2, то соотношение для вибрационной пере­грузки можно записать в виде

nB = Zf2/250,

где f— круговая частота вибраций.

Полигармоническая, или сложная периодическая, вибрация может быть представлена в виде суммы гармонических доставляющих.

Для случайной вибрации характерно то, что ее параметры (амплиту­да виброперемещения, частота и др.) изменяются во времени случайно. Она может быть стационарной и нестационарной. В случае стационар­ной случайной вибрации математическое ожидание виброперемещения равно нулю, математические ожидания виброскорости и виброускоре­ния постоянны. В случае нестационарных вибраций статистические ха­рактеристики не постоянны.

Кроме вибрации, аппаратура может подвергаться ударным воздей­ствиям, возникающим при эксплуатации, транспортировке, монтаже и т. д. При ударе элементы конструкции испытывают нагрузки в течение малого промежутка времени т, ускорения достигают больших значений и могут привести к повреждениям элементов. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса.

Форма ударного импульса определяется зависимостью ударного ус­корения a(f) от времени (рисунок 1). При анализе ударных воздействий реальную форму ударного импульса заменяют более простой, напри­мер прямоугольной, треугольной, полусинусоиадальной.

Рисунок 1- Ударный импульс: а — форма реального ударного импульса; б — эквивалентные формы

За амплитуду ударного импульса принимают максимальное ускоре­ние при ударе. Длительностью удара т называют интервал времени, в течение кото­рого действует ударный импульс.

Последствием удара являются возникающие в элементах конструк­ции затухающие колебания. Поэтому на практике возникает необходи­мость в защите конструкций РЭС одновременно от ударов и вибраций. Правомерность такой постановки вопроса обусловлена и тем, что в ре­альных условиях эксплуатации конструкции могут подвергаться комп­лексным механическим воздействиям, что должно найти отражение при конструировании средств защиты. Приближенные значения от­дельных видов механических воздействий на РЭС, эксплуатируемых на подвижных объектах, приведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Значения от­дельных видов механических воздействий

Название группы РЭС	Уровни механических воздействий
Вибрации	Удары	Акустичес кий шум	Линей­ные пере­грузки
частота	ускоре­ние	ускорение	длите льностььность	частота		уско­рения
с-1	м/с2	м/с2	мс	мин-1	ДБ	м/с2
Возимые на транспорте: автомобильномгусеничном, железнодорожном	4…80 3…30 2…10	78,5  19,6 19,6	147 147 392	5…10 5…10 3…10	40…80 40…80 40…80	10 100 125	3,12 3,12
Судовые: большие суда, малые суда	4…10 5…150	78,5 58,9	147 147	5…10 5…10	40…80 40…80	140 140	3,12
Носимые и портативные на открытом воздухе	10...70	37	98	5... 10	40...80	85
Носимые и портативные в отапливаемом помещении	10...30	10,7	98	5... 10	40...80	85
Самолетные	5...2000	1 ... 196	117...736	5... 15	150
Ракетные	0...500	200	981	10...12	170
Космические	1 ...2500	4,9 ... 59	170

В результате механических воздействий в элементах конструкций РЭС могут происходить обратимые и необратимые изменения. Обратимые изменения характерны для электрорадиоэлементов и приводят к нарушению устойчивости и ухудшению качества функцио­нирования аппаратуры. В зависимости от физики протекающих в конст­рукции процессов факторы, вызывающие обратимые изменения, можно объединить в следующие группы:

- деформации в активных и пассивных элементах, приводящие к измене­нию их параметров (конденсаторы, катушки индуктивности, пьезоэлект­рические кварцевые резонаторы, электровакуумные приборы и др.);

- нарушение электрических контактов в разъемах и неразъемных сое­динениях, вызывающее изменение омического сопротивления контак­тов;

- изменение параметров электрических, магнитных и электромагнит­ных полей, которое может привести к нарушению условий электромаг­нитной совместимости в конструкции.

Необратимые изменения свойственны конструктивным элементам РЭС, связаны с нарушением условий прочности и проявляются в меха­нических разрушениях элементов. Разрушениям под влиянием механи­ческих воздействий наиболее подвержены элементы, предварительно нагруженные при их монтаже. Такими элементами являются болты, винты, заклепки в предварительно напряженном (затянутом) соедине­нии. Если запас прочности такой детали недостаточно велик, то при дополнительных нагрузках в результате механических воздействий мо­жет произойти ее разрушение. Нередки случаи разрушения сварных швов, в которых имеют место остаточные термические напряжения, об­рывы объемных проводников, соединяющих радиоэлементы, если при выполнении монтажа проводники получили излишнее натяжение.

К необратимым изменениям, происходящим в конструктивных эле­ментах РЭС при механических воздействиях, относятся усталостные разрушения. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряже­ний. Механизм этого процесса связан со структурной неоднородностью материала (отдельные зерна неодинаковы по форме и размерам, по-разному ориентированы в пространстве, имеют включения, структур­ные дефекты). В результате этой неоднородности в отдельных небла­гоприятно ориентированных зернах (кристаллитах) при переменных на­пряжениях возникают сдвиги, границы которых со временем расширя­ются, переходят на другие зерна и, охватывая все более широкую об­ласть, развиваются в усталостную трещину. Усталостная прочность ма­териалов зависит от величины и характера изменения напряжений, от числа циклов нагружения.

Конструкции РЭС, работающие в условиях механических воздейст­вий, должны отвечать требованиям прочности и устойчивости. Соглас­но ГОСТ 16962-71 под прочностью (вибро - и ударопрочностью) к воз­действию механических факторов подразумевается способность конст­рукций выполнять функции и сохранять значения параметров в преде­лах норм, установленных стандартами, после воздействия механиче­ских факторов.

Под устойчивостью (вибро - и удароустойчивостыр) к воздействию механических факторов понимают способность конструкции выпол­нять заданные функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных стандартами, во время воздействия механических фак­торов.