CC BY
49
УДК 621.396.2
Исследование высокодемпфированных многослойный ячеек РТУ с
вибропоглощающими слоями
Цедерштрем А. А.
Аннотация: Рассмотрена возможность применения четырехслойных
конструкций для защиты радиотехнических устройств от воздействия вибрации. Проведены исследования влияния геометрических параметров ячейки на коэффициент передачи.
Annotation: The possibility of application four-layer cells to protect radio engineering devices against vibration is considered. The influence of cell's geometrical parameters on transmission factor was researched.
Наиболее перспективным способом подавления резонансных колебаний в диапазоне частот до 2000 Гц, характерном для эксплуатации бортовой аппаратуры ракетной и авиакосмической техники, является применение полимерных демпферов (ПД) из вибропоглощающих материалов (ВП) [1,2].
В качестве ПД могут применяться демпфирующие слои (внешние или внутренние). Основным недостатком данного способа является зависимость демпфирующих и упругих свойств ВП материала демпфирующих слоев от частоты вибрации и особенно от температуры, которая может находиться в пределах от - 60 до +60 °С.
Как следует из работ [3,4], для обеспечения виброзащищенности ячеек РТУ с внешним или внутренним демпфирующим слоем, необходимы материалы с различными физико-динамическими характеристиками. Для конструкций с внешним слоем необходимы низкомодульные материалы с модулем упругости 105106 МПа, а для ячеек с внешним слоем более «твердые» полимеры с модулем упругости более 10 МПа. Так как необходимый модуль упругости для каждого из видов материалов демпфирующих слоев лежит в довольно узком диапазоне, то подобрать существующий демпфирующий материал, который бы уменьшал амплитуду резонансных колебаний (АРК) во всем частотном и температурном диапазоне эксплуатации бортовой аппаратуры ракетной и авиакосмической техники, представляется сложной задачей.
Большинство вибропоглощающих полимеров с уменьшением температуры окружающей среды становятся более упругими. Поэтому целесообразно применять сразу оба вида демпфирующих слоев для защиты ячеек РТУ. Это позволит выбирать демпфирующие материалы из существующей номенклатуры. Так, для внешнего слоя целесообразно применять материалы, у которых наблюдаются максимальные демпфирующие свойства в области отрицательных температур, а для внутреннего слоя в области положительных температур.
Поэтому, использование четырехслойных конструкций при проектировании бортовой аппаратуры ракетной и авиакосмической техники, представляется наиболее целесообразным.
Для повышения эффективности четырехслойных ячеек необходимо не только правильно подобрать демпфирующие материалы, но и ряд параметров самой ячейки РТУ.
Как показано в работах [1,2] увеличение толщины демпфирующих слоев приводит к уменьшению АРК ячейки РТУ. Однако, это приводит и к значительному росту массо-габаритных характеристик конструкции, особенно при увеличении толщины внешнего демпфирующего слоя. Поэтому, основными параметрами конструкции за счет которых можно добиться уменьшения АРК являются:
• Соотношение сторон платы;
• Расположение точек крепления;
• Количество точек крепления.
Варьирование данных значений не приводит к значительному увеличению массо-габаритных характеристик ячеек РТУ.
1.1 Соотношение сторон платы
Приведенное ниже исследование проводилось для конструкций ячеек с внешним и внутренним демпфирующими слоями с одинаковой площадью (0,0204 м2), но с различным соотношением сторон.
В таблице 1 приведены исходные данные используемые при расчете ячеек.
Таблица 1 - Исходные данные
+ + + + І і '1
а < ►
а, мм b, мм S, м2 f, Гц m
170 120 0,0204 184,36 7,85
204 100 0,0204 225,48 8,33
150 136 0,0204 174,16 7,78
185 110 0,02035 199,09 8,03
163 125 0,020375 179,09 7,80
Как видно на рис.1 для ячеек с «классическими» способами крепления наименьшее значение коэффициента передачи наблюдается у плат с соотношением сторон a/b близкое к единице. При точечном креплении наблюдается экстремум при определенном значение соотношения сторон ячейки, т.е. существует оптимальное значение.
Для нахождения экстремума автором предлагается использовать метод крутого восхождения с постоянным шагом. Это позволит минимизировать число итерации при расчете в СКЭА ANSYS, что приведет к сокращению времени нахождения экстремума.
Как показывают исследования за счет правильного выбора соотношения сторон ячейки РТУ можно достичь уменьшения коэффициента передачи в 2 и более раза.
1.2 Положение точек крепления
Одним из параметров, который может изменить степень виброзащищенности ячейки РТУ является расположение точек крепления. Влияние этого параметра было исследовано на примере 2 четырехслойных конструкций(150х 100мм и 150х150мм) с толщиной слоев 1 мм. Исследование проводится для четырех точечного крепления в СКЭА ANSYS, с использованием методики представленной в работе [5]. Для проведения исследования использовался элемент Solid186, который позволяется разбивать модель на КЭ прямоугольной формы. Точки крепления варьировались по диагонали с шагом 14 мм. Площадь точек крепления принималась равной нулю, т.е. конструкция крепилась точечно.
Как видно на рис.2, в обоих случаях присутствует наихудший случай крепления, а наименьшая амплитуда в центре ячейки наблюдается, когда точки крепления находятся ближе к центру. Поэтому при проектировании ячейки необходимо выбрать оптимальное расположение точек крепления. Оптимальный выбор расположения точек крепления позволит уменьшить амплитуду в центре ячейки до 3 раз по сравнению с наихудшим случаем.
1.3. Способы точечного крепления
Для исследования влияния количества и способов точечного крепления, была выбрана ячейка размером 150х 100мм с толщиной слоев 1 мм. Расчет производился в СКЭА ANSYS.
Как видно из таблицы 2, наиболее эффективным способом крепления является вариант пятиточечного крепления платы с точкой крепления по центру, при этом наибольший КП наблюдается ближе к краям платы, что увеличивает полезную площадь монтажа ячейки. При увеличении количества точек крепления в центре происходит увеличение КП до 11,53, что указывает на нецелесообразность увеличения точек крепления в центре.
Стоит отметить, что увеличение количества точек крепления по краю ячейки приводит к значительному увеличению СЧК, но при этом разница между коэффициентами передач по отношению к 4-х точечному креплению составляет не более 1-3%. Поэтому при креплении ячейки по краям, целесообразно использовать четырех точечное крепление.
Если не один из приведенных выше способов не смог уменьшить АРК ячейки, то практически единственным способом для снижения амплитуды является увеличение толщины демпфирующих слоев.
Таблица 2. Зависимость коэффициента передачи от способа точечного крепления
Способ крепления СЧК, Гц Ртах
Е•1 193,89 16,95
ГІ 361,07 6,82
„ГГ- 459,67 20,84
111 214,64 16,50
¥4 363,93 11,53
Таким образом, оптимизируя ячейки, установленные на стойках, по соотношению сторон плат,
расположению точек крепления, их количества и мест расположения, а также за счет оптимального выбора толщины платы можно значительно уменьшить АРК ячейки. На рассмотренном примере ячейки размером 150х100 возможно уменьшить амплитуду более 6 раз.
Список литературы:
1. Талицкий Е.Н. О показателях эффективности способов уменьшения резонансных колебаний субблоков РЭА . - Вопросы радиоэлектроники. Серия ТПО, 1981, вып. 2.- С. 17-22.
2. Ruzicka, J.E. Vibration control: Application. Electro-Technology.-1964.- vol. 1, N 73, p. 75-82.
3. Талицкий Е.Н. Определение требований к динамическим механическим характеристикам вибропоглощающих материалов для ячеек электронной аппаратуры/ Е.Н. Талицкий, А. А. Цедерштрем // Всероссийский НТЖ «Проектирование и технология ЭС», Владимир. -2009, №2
4. Талицкий Е.Н. Методика определения требований к динамическим
механическим характеристикам вибропоглощающих полимеров/ Е.Н. Талицкий,
А.А. Цедерштрем // Всероссийская научно-техническая конференция
«Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация информационноизмерительных устройств военной техники», Владимир. - 2010 г.
5. Цедерштрем А.А. Алгоритм расчета виброзащищенных ячеек радиоэлектронной аппаратуры с демпфирующими слоями / А.А. Цедерштрем, С.В. Шумарин // Н 34 Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов 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 Explorer 6.0 - Загл. с экрана. -№ гос. регистрации 0321000182.
Рис. 1. Зависимость коэффициента передачи m в центре ячейки площадью 0,0204 м2 от соотношения сторон при различных способах крепления.
—♦— Точечное крепление
■Свободное опирание
Рис.2 Зависимость коэффициента передачи в центре ячейки от места расположения точек крепления
—*-1Б-Эл1-Э-Э -И-1Б-Эя1Б-Э
