CC BY
7
В результате возникновения при нагреве стержня сжимающих этот стержень усилий, появляются как упругие, так и пластические деформации укорочения стержня. Это явление аналогично явлению пластического укорочения свариваемой кромки еще на стадии ее нагрева. Эта пластическая деформация укорочения свариваемой кромки проявляется после полного охлаждения сварного соединения. Так и в результате нагрева и охлаждения стержня прибора, стержень становится короче первоначальной длины и при охлаждении самопроизвольно выпадает из окна прибора, что наглядно показывает и убеждает исследователей в наличии продольной усадки свариваемых кромок при дуговой сварке конструкции.
Результаты многочисленных опытов с замерами как первоначальной, так и окончательной длины стального стержня после полного охлаждения подтверждают его укорочение е = 0,5 - 1,0 %.
По результатам работ составлена заявка и получен в 2014 году патент на полезную модель [2].
Вывод
Применение прибора для демонстрации деформаций при сварке дает наглядное представление о деформациях укорочения, возникающих в металле шва и свариваемых кромках. Прибор компактен и может использоваться в лаборатории и лекционной аудитории, наглядно демонстрируя термомеханические процессы в сварном соединении.
Список литературы
1. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х томах / Под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. -М.: Машиностроение, 2004. Т.1 / Н.П.Алешин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков и др. - 624 с.
2. Учебный прибор для демонстрации деформаций. Патент на полезную модель № 136621 Автор: Казаков Сергей Иванович (ЯИ) Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 января 2014 г.
ДИНАМИКА МИКРОСБОРОК ПРЯМОУГОЛЬНОГО ТИПА
Хади Одей Шакер,
ассистент Технологического Университета, г. Багдад (Ирак);
Литвинов Александр Николаевич,
профессор, д.т.н., Пензенский государственный университет, г. Пенза (Россия).
THE DYNAMICSMICROASSEMBLY RECTANGULAR TYPE
Auday Shaker Hadi, Assistant Lecturer, Ph.D student, University of Technology, Iraq Aleksandr Nikolaevich Litvinov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Penza State University, Russia АННОТАЦИЯ
Рассматриваются микросборки замкнутого типа, имеющие прямоугольную форму и подверженные динамическому нагружению. Выполнено математическое моделирование форм собственных колебаний и определены собственные частоты колебаний элементов микросборок, имеющих различные типоразмеры.Дан анализ динамической виброустойчивости микросборок.
Ключевые слова: микросборка, гетерогенная структура, собственные частоты, формы колебаний, виброустойчивость.
ABSTRACT
Considered microassemblies of a closed type, which have of a rectangular shape and exposed to dynamic work-worn. Mathematical modeling of forms of natural oscillations and definitely natural frequencies of micro-elements having different sizes. Analysis the dynamic vibration resistance of microassemblies.
Keywords: microassembly, heterogeneous structure, natural frequencies, mode shapes, vibration resistance
Одной из важнейших задач развития научных основ конструирования и технологии изготовления изделий различного назначения является создание адекватных математических моделей, описывающих поведение и состояние конструкций и их отдельных элементов в процессе их производства, испытаний, транспортировки, хранения и эксплуатации.
Нарастающая сложность конструкций изделий различного назначения приводит к серьезным экономическим потерям в производстве и эксплуатации. Анализ отказов изделий и их составных частей позволяет утверждать, что одной из основных причин снижения их надежности, полных или частичных отказов являются процессы, происходящие в соединениях разнородных материалов под действием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов. При этом основными являются статические, динамические и тепловые воздействия, возникающие на всех стадиях жизненного цикла изделия: технологические операции в производстве, испытания, хранение, транспортировка и эксплуатация [1,с. 10; 2,с.8].
Анализ конструктивных особенностей современных изделий приборостроения и их составных частей показывает, что большинство из них предоставляет собой гетерогенные структуры, сочетающие в себе материалы с различными физико-механическими свойствами, обеспечивающими требуемую надежность и безопасность изделия в заданных режимах эксплуатации [3,с. 3].
Для исследования процессов, происходящих в структурах этих изделий под действием внешних факторов, необходима разработка математических моделей и комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительных экспериментов, позволяющих адекватно описывать процессы и напряженно - деформированное состояние (НДС) на всех этапах их жизненного цикла [4,с. 147].
Рассмотрим это на примере микросборок прямоугольного типа, имеющих широкое практическое применение в приборостроении и изделиях радиоэлектроники. На одной или нескольких гранях внутри микросборки размещаются платы с резистивными элементами, обеспечивающие требуемые выходные параметры микросборки.
Эти микросборки представляют собой многослойные гетерогенные системы, которые в процессе их изготовления и эксплуатации подвергаются тепловым и механическим воздействиям.Для проверки герметичности при изготовлении они подвергаются технологической опрессовке внешним избыточным давлением, под действием которого происходит деформация граней корпуса и плат с ре-зистивными элементами, что вызывает изменение их выходных электропараметров.
Для анализа НДС таких микросборок и их элементов предложены различные модели, позволяющие моделировать их состояние при технологический опрессовке корпусов и научно-обоснованно определять предельно допустимое давленние с учетом их конструктивных особенности [5,с.102;6,с.87;7,с.191]. Аналогичные исследования проведены и при тепловых технологических и эксплуатационных воздействиях на микросборки [4,с. 146]. Вопросы моделирования и исследования динамических процессов, происходящих в микросборках при вибрационном воздействии, а настоящее время исследованы недостаточно.
Рассмотрим внешнее динамическое воздействие на микросборку.Типовая конструкция микросборки прямоугольного типа показана на рис.1. Микросборка крепится
к изделию винтами в четырех точках и имеет габаритные размеры корпуса по осям х,у,ъ соответственно ахЬхН,где ахЬ- размеры в плане; Н-высота корпуса микросборки.На основании корпуса (рис.1б) расположена плата,имеющая толщину И и размеры в плане апхЬп. Плата крепится к основанию паяным или клеевым швом толщиной кш. Материал платы характеризуется модулем Еп и коэффициентом Пуссона vп,а материал шва модулем сдвига Gш и коэффициентом Пуссона vш.
В общем случае считается, что грани корпуса микросборки изготовлены из различных материалов, механические свойства которых характеризуются модулями упругости Е] и имеют толщины И], где j = 1,2,..., 6 - номер грани. Для определённости будем считать, что ] = 6 соответствует крышке корпуса, ] = 1 - основанию с платой, ] = 2...5 - боковым стенкам корпуса.
Считается, что на плату со стороны корпуса изделия в направлении ъ действует гармоническая вибрация, при которой в процессе эксплуатации возможны резонансные явления, возникающие в элементах микросборки (крышка, боковые стенки, основание, плата, шов).
а)
б)
Рисунок 1.Конструкция микросборки; а-обший вид; б-основание с платой: 1-основание, 2-шов, 3-плата
В качестве адекватной молели, позволяющей исследовать динамические процессы в элементах микросборки, используется пространственная модель микросборки в виде гетерогенной структуры с использованием метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ANSYS аналогично [7,с.88].Такая модель позволяет учитывать взаимное влияние граней корпуса, реальные размеры плат и их места расположения на гранях,а также влияние физико-механических характеристик применяемых материалов плат,шва и граней корпуса. Кроме этого модель позволяет учитывать наличие внутри корпуса нескольких многослойных плат, в том числе расположенных на разных гранях корпуса, что может приводить к отсутствию симметрии в конструкции микросборки и усложнению ее НДС. Предложенная модель является пространственной и наиболее общей по сравнению с расчетными моделями, представленными в [2,с.148;6,с.192].
На основании предложенной модели были исследованы динамические характеристики различных типоразмеров микросборок рассматриваной конструкции. Установлено, что формы колебаний микросборок, их собственные частоты и места расположения наиболее
нагруженных зон их элементов, где возможно возникновение и развитие дефектов, существенно зависит от мас-согабаритных размеров микросборок и особенностей их конструктивного исполнения.
В качестве примера приведем некоторые результаты численного моделирования динамических характеристик для микросборки, имеющей следующие размеры: ах Ьх Н=(36х24х5) мм. Плата расположена в центре основания и крепится к нему клеем ВК -9.Корпус изготовлен из сплава 29НК (^=1,4.105 МПа, \д=0,3 при j=1,2,...,6); плата -из ситалла (Еп=9,693. 105 МПа, vп=0,25),а свойства шва характеризуется модулем сдвига Gш=1000МПа. Толщины элементов микросборки приняты следующими: Щ=0,4мм(при ]=1,2,..,6);И =0,6мм;hш=0,1мм. Рассмотрены два варианта микросборки:
- I вариант: плата имеет размеры апхЬп =(30х20) мм;
- II вариант: плата имеет размеры апхЬп =(15х10) мм.
В таблица для рассматриваемых микросборк приведены значения первых десяти резонансных частот и указаны наиболее нагруженные резонирующие элементы микросборки, соответствующие каждой частоте.
Собственные частоты fj и резонирующие элементы микросборки
Таблица 1
Номер частоты j Микросборка I Микросборка II
fj (Гц) Элемент f КГц) Элемент
1 3252 крышка 3210 крышка
2 5234 крышка 4028 крышка и основание с платой
3 5671 основание с платой 5181 крышка и основание с платой
4 7362 крышка 6286 крышка и основание с платой
5 8478 крышка 7301 крышка и основание с платой
6 10010 крышка 8454 крышка
7 10125 основание с платой 8769 крышка и основание с платой
8* 10938 крышка и основание с платой 9953 крышка
9 12852 крышка и основание с платой 11944 основание с платой
10 12910 крышка 12339 крышка и основание с платой
Анализ анимационной картины деформаций элементов конструкций микросборок показал:
- резонансов боковых стенок микросборок в рассматриваемом диапазоне частот не наблюдается;
- спектр резонансных частот элементов микросборки является достаточно плотным;
- основными резонирующими элементами являются крышка и основание с платой;
- основными формами колебаний крышка и основание с платой являются их изгибные колебания по оси 7;
- на частотах, отмеченных звездочкой (*), наблюдаются изгибно- крутильные колебания всей микросборки относительно оси х: для микросборки I =18= 10938 Гц, а для микросборки II изгибно- крутильные колебания имеют место на более высокой частоте 1* =114 = 14967 Гц;
- значения резонансных частот элементов микросборки и соответствующие им формы колебаний наиболее нагруженых элементов существенно зависит от размеров платы, установленной на основании. При увеличении размеров платы величины резонансных частот уменьшаются, т.к. приведенная жесткость основания с платой уменьшается;
- наиболее опасными являются резонансные явления, возникающие в основание с платой, т.к. в этом случае возможно возникновение и развитие дефектов в виде микротрещин в клеевых (или паяных) швах, а также ухудшение метрологических характеристик микросборки из -за повышенной деформации резистивных элементов, расположенных на поверхности платы;
- собственные частоты и соответсвующие им формы колебаний зависят от способа крепления микросборки к ответной части изделия.
На рис.2 для микросборки II показаны первые пять форм колебаний, характеризующиеся вертикальными прогибами в направлении оси z (рис.1). Боковые стенки корпуса на рис.2 условно не показаны.
Анализ НДС элементов микросборки на резонансных частотах проводился по эквивалентным напряжениям, которые определялись по критерию Мизеса при действующем ускорении, равном 10 g, где g -ускорение свободного падения. Флажками на рис.2 показаны точки элементов микросборки, в которых достигаются максимальные эквивалентные напряжения (max с) при резонансе на различных формах колебаний.
№. формы колебаний
Форма колебаний, микросборки II
Рисунок 2.Формы колебаний для микросборки II
Численное моделирование НДС, проведенное для различных типоразмеров микросборок, показало:
- наиболее нагруженными элементами микросборки в зависимости от внешнего частотного воздействия являются крышка, основание, плата и шов, соединяющий плату с основанием;
- НДС существенно зависит от геометрических размеров корпуса и платы, а также частоты внешнего воздействия;
- положение наиболее нагруженной точки конструкции существенным образом определяется формой колебаний, реализуемой в элементах конструкции при динамическом воздействии.
С точки зрения обеспечения надежности микросборки при эксплуатационных динамических воздействиях наибольший интерес предоставляет анализ НДС платы, шва и основания микросборки. Это анализ позволяет определить зоны возможного образования латентных дефектов уже на ранних этапах конструкторский разработки микросборок и принять соответствующие конструк-торско-технологические решения, обеспечивающие вибропрочность конструктивных элементов и микросборки в целом.
Обобщая проведенный анализ, укажем на то, что разработка и применение математических моделей и программно - ориентированных вычислительных комплексов, позволяет на ранних этапах конструирования и разработки технологических процессов изготовления обеспечивать требуемую надежность и виброустойчивость проектируемых конструкций. Выбор расчетной математической модели и её уровня сложности (одномерная, двумерная, трехмерная, учет гетерогенности и других конструктивных особенностей) определяется свойствами и требуемой точностью анализа НДС проектируемой конструкции.
Список литературы
1. Литвинов, А. Н., Литвинов М.А., Смогунов В.В. Прикладные модели механики гетерогенных структур изделий приборостроения: монография.-Пенза: Изд-во пенз.гос.ун-та. - 2009.-320с.
2. Литвинов, А. Н. Моделирование динамических процессов в изделиях приборостроения: монография.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 196 с.
3. Хади,О. Ш., Литвинов А.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния корпусов микросборок в процессе их изготовления и эксплуатации. Динамика и прочность(глава 1). Избранные труды всеросс.научн. конф. по проблемам науки и технологий. -М. :РАН,2013. -С.3 - 26.
4. Литвинов А.Н., Хади О. Ш., Юрков Н.К. Моделирование напряженно-деформированного состояния слоистых структур РЭС при технологических и эксплуатационных воздействиях. Известия вузов. Поволжский регион.Технические науки:Изд-во ПГУ, 2014.-№4.- С.146-157.
5. Hadi A. Sh., Litvinov A.N. Study of layer structures in the devices of instrument engineering for increasing safety in the process of their operational lifetime, ISJ theoretical & applied Science. 2015.-N 04 (24),-p.101-107.
6. Литвинов А.Н., Хади О. Ш. Оценка точности приближенного метода определения допустимого давления для корпусов микросборок. Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Междунар.научно-практ. конф. Юрга: Изд-во Юрг. гос.ун-та,2014.-С.191-194.
7. Хади,О. Ш., Литвинов А.Н. Исследование НДС микросборок при технологической опрессовке в программном комплексе ANSYS. Инженерные исследования и достижения-основа инновационного развития: Материалы IV Всеросс. научно- практ. конф. Рубцовск: Изд-во Рубцовский индустриальный институт,2014.-С.87-94
ПОФАКТОРНАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ТРУДА И ТРУДОВОГО ПРОЦЕССА ОПЕРАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕМ ПРЕДПРИЯТИИ
Харлашова Наталья Викторовна
Старший преподаватель кафедры химической техники и охраны труда УО «Полоцкий государственный
университет», г.Новополоцк, Беларусь Адамович Дмитрий Николаевич Магистрант кафедры ХТ и ОТ УО «ПГУ» г.Новополоцк, Беларусь
Трудовая деятельность человека связана с воздействием на него разнообразных факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса. Неоднократно доказано, что неблагоприятные производственные факторы оказывают негативное влияние на состояние здоровья работающих [1, с. 72 - 73; 3, с. 276 - 277].
Большая часть предприятий нефтеперерабатывающей промышленности Республики Беларусь относят к классу максимального профессионального риска, поскольку имеют высокую вероятность воздействия на работников опасных и вредных факторов производственной среды из-за наличия специфики профессии или особых условий труда [2, с. 46 - 47].
Условия и характер труда разных категорий и профессиональных групп работников нефтеперерабатывающих предприятий заслуживают пристального внимания в плане охраны их здоровья, поскольку они подвергаются воздействию различных неблагоприятных факторов производственной среды [4, с. 64-65].
В качестве объекта исследования было выбрано одно из основных производств нефтеперерабатывающего предприятия Республики Беларусь - производство №1 «Нефтяные топлива и ароматика» ОАО «Нафтан» г. Ново-полоцка Витебской области (производство топлив и растворителей). Оценка условий труда на изучаемом производстве проводилась в соответствии с СанПиН РБ № 132-2007 «Гигиеническая классификация условий труда».
