Разработка новой несущей конструкции печатных плат, а также ее механический анализ для электронных модулей в космических аппаратах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

рование для всей системы, а в сложных системах вводится различное демпфирование для каждой из подсистем.

Следует заметить, что результаты экспериментов могут содержать существенные погрешности, поэтому до начала процедуры верификации необходимо проанализировать полученные данные.

В докладе приводятся результаты механического анализа различных приборов, даются рекомендации по выбору типов КЭ при построении КЭМ.

Библиографические ссылки

1. Орлов С. А., Копытов В. И. Нормирование и отработка бортовой аппаратуры космических аппаратов на механические воздействия // Вестник СибГАУ. Красноярск, 2013. Вып. 1(47). С. 125-129.

2. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L. The Finite Element Method. Fifth edition. Vol. 1. The Basis. Butterworth Heinemann, 2000. 707 p.

3. Wijker J. Random Vibrations in Spacecraft Structures Design. Springer Science, 2009. 516 p.

4. Babuska I., Oden J. T. Verification and validation in computational engineering and science: basic concepts. Computer Method in Applied Mechanics and Engineering. Eng. 193 (2004). Р. 4057-4066.

References

1. Orlov S. A., Kopytov V. I. Normirovanie i otrabotka bortovoj apparatury kosmicheskih apparatov na mehanicheskie vozdejstvija // Vestnik SibGAU. Krasnojarsk, 2013. Vyp. 1(47). S. 125-129.

2. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L. The Finite Element Method. Fifth edition. Vol. 1: The Basis. Butterworth Heinemann, 2000. 707 p.

5. Wijker J. Random Vibrations in Spacecraft Structures Design. Springer Science, 2009. 516 p.

6. Babuska I., Oden J. T. Verification and validation in computational engineering and science: basic concepts. Computer Method in Applied Mechanics and Engineering. Eng. 193 (2004). Р. 4057-4066.

© Дмитриев С. В., Орлов А. С., Орлов С. А., 2013

УДК 621.396

РАЗРАБОТКА НОВОЙ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, А ТАКЖЕ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ В КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

В. М. Карабан\ И. Д. Зырин1 2

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 40 2ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Разработана новая несущая конструкция в виде рамки для печатных плат. Построены эквивалентные модели применяющейся и новой рамки печатных плат для электронных модулей из алюминия АМГ6. Проведено моделирование на увеличенную нагрузку с линейным ускорением 30 g по различным осям и на собственную резонансную частоту. Проведено внесение дополнительных конструктивных улучшений на основе результатов анализа.

Ключевые слова: рамка, несущая конструкция, ANSYS, печатная плата, резонансная частота, линейное ускорение.

A NEW PRINTED BOARD SUPPORT STRUCTURE DEVELOPMENT AND ITS MECHANICAL ANALYSIS FOR ELECTRONIC MODULES IN SPACECRAFT

V. M. Karaban1, I. D. Zyrin1,2

1Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics 40, Lenina prosp., Tomsk, 634050, Russia

2JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

A new printed circuit board equipment practice in the form of a frame was developed. Equivalent models of prior (used today) and new frames for electronic modules on the basis of AMG6 aluminum were constructed. Simulation of power increasing with 30 g linear acceleration along different axes and natural resonance frequency was implemented. Some construction improvements were made on the basis of results analysis.

Keywords: frame, equipment practice, ANSYS, printed circuit board, resonant frequency, linear acceleration.

Решетневскуе чтения. 2013

Актуальность. Современные и перспективные космические аппараты (КА) отечественного производства для сохранения конкурентоспособности на рынке используют в своей радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) для крепления печатных плат несущие конструкции в виде рамок с металлическим основанием, которые в свою очередь имеют значительную массу, требуют изготовления двух печатных плат и использования Е-переходов для их соединения. Такие рамки вносят значительные ограничения при проектировании быстродействующих модулей, а также делают невозможным применение компонентов, монтируемых в отверстия.

Цель. Разработка несущей конструкции для печатных плат в виде рамки меньшей массы, под одну многослойную печатную плату и достаточными механическими характеристиками.

Опыт зарубежных производителей несущих конструкций в виде рамок с перегородками в виде ребер показал, что такие рамки выдерживают космические нагрузки и позволяют значительно снизить массу прибора.

Исследования. Для достижения поставленной цели был разработан новый конструктив рамки с перегородками в виде ребер и построены трехмерные модели применяющейся несущей конструкции (рамка 1) и новой несущей конструкции (рамка 2) (см. рисунок).

Трехмерная модель рамки 2

На основе трехмерных моделей были посчитаны занимаемый объем и масса при выполнении из сплава алюминия АМГ6 плотностью 2 700 кг/м3 (см. табл. 1).

Анализ табл. 1 показал, что рамка 2 позволяет получить выигрыш по массе на 147,61 грамма, или на 41,9 %. Однако снижение количества металла в рамке 2 мо-

Итоговые значения анализа несу

жет привести к снижению механической устойчивости рамки. Проверим характеристики рамки 1 и рамки 2 на деформацию и возникающие напряжения при линейном ускорении в 30 g по осям ОХ, ОУ, О2 в оба направления. Также проведем анализ на собственные резонансные частоты.

Таблица 1

Объём и масса рамки 1 и рамки 2

Характеристика Рамка 1 Рамка 2

Объем, мм3 130 478,03 75 806,42

Масса, г 352,29 204,68

Для проведения механического анализа рамок построена расчетная модель, имитирующая упрощенный вид электронного модуля. Эквивалентная модель для рамки 1 имеет две печатные платы толщиной 1 мм и электрорадиоэлементы массой 120 г. Эквивалентная модель для рамки 2 имеет одну печатную пату толщиной 2 мм и электро-радио элементы массой 120 г.

Далее на основе эквивалентных моделей построены конечно-элементные модели рамок, установлены граничные условия в виде линейного ускорения по осям ОХ, ОУ, 02 в двух направлениях, равного 30 g, или 294 м/б2 жесткой фиксации в местах крепления и ограниченного перемещения нижней поверхности по оси 02.

Далее проведены расчеты деформации и возникающей напряженности. Для космической аппаратуры не мене важным параметром является собственная резонансная частота. Этот параметр должен быть не менее 150 Гц, а также иметь небольшой запас. Проведен анализ на собственные резонансные частоты.

В ходе анализа результатов моделирования на основе анализа деформации была выявлена возможность повысить ее механические характеристики за счет добавления четырех точек крепления и переноса одной в откорректированное положение.

С учетом принятых решений была доработана трехмерная модель рамки (рамка 3), для которой также были построены эквивалентная и конечно-элементная модели.

Полученные значения деформации и напряженности для рамок 1, 2 и 3 приведем в виде табл. 2.

Полученные результаты показывают, что с увеличением массы на 7 г механические характеристики, рамки 2 значительно улучшились.

Таблица 2

конструкций при ускорении в 30g

Массовые характеристики

Объект измерения Масса, г Объём, мм3

Рамка 1 352.29 130 478.03

Рамка 2 204.68 75 806.42

Рамка 3 211.91 78 485.60

Анализ при линейном ускорении в 30 g

Вид искажения ОХ ОУ О2 -ОХ -ОУ -О2

Деформация рамки 1 (мкм) 40,29 4,065 4,058 48,49 4,062 4,059

Деформация рамки 2 (мкм) 49,74 6,409 5,696 41,90 6,419 5,511

Окончание табл. 2

Деформация рамки 3 (мкм) 25,42 2,465 2,371 21,02 2,441 2,379

Упр. деформация рамки 1 (мкм/мкм) 255,4 56,90 53,75 270,2 54,35 56,60

Упр. деформация рамки 2 (мкм/мкм) 247,6 102,6 84,19 235,4 112,4 93,33

Упр. деформация рамки 3 (мкм/мкм) 169,2 76,37 49,83 150,2 76,01 71,92

Напряженность рамки 1 (МПа) 14,80 2,836 2,848 15,80 3,065 3,046

Напряженность рамки 2 (МПа) 14,00 5,931 5,910 13,29 5,980 6,053

Напряженность рамки 3 (МПа) 10,17 2,794 2,765 9,790 2,926 3,191

Анализ на резонансную частоту

Объект измерения Мод. 1 Мод. 2 Мод. 3 Мод. 4 Мод. 5 Мод. 6

Рамка 1 (Гц) 496,2 731,1 1 234 1 352 1 557 1 890

Рамка 2 (Гц) 537,8 573,6 710,0 715,5 943,7 1 072

Рамка 3 (Гц) 745,2 795,5 855,6 868,5 1 225 1 344

Таким образом, на основе полученных результатов следует, что использование доработанной рамки 2 с ребрами вместо рамки с основанием позволяет:

- выиграть по массе на 39,8 %;

- снизить значение максимальной деформации по оси ОХ в среднем на 37 %;

- снизить максимальную напряженность по оси ОХ в среднем на 35 %;

- получить дополнительный запас по резонансной частоте первой моды на 249 ГЦ;

- использовать печатные платы с двусторонним монтажом элементов;

- применять компоненты, монтируемые в отверстия.

© Карабан В. М., Зырин И. Д., 2013

УДК 531.7

АВТОНОМНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПОВЕДЕНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА НА ПРИМЕРЕ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Ю. В. Коловский

Филиал Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 662971, г. Железногорск Красноярского края, ул. Советская, 27. E-mail: kolovskiuv@gmail.com

Качество процессов изготовления и эксплуатации сложных технических объектов наряду с новыми, наукоёмкими технологиями определяет информационное обеспечение, включающее широкий спектр методов и средств мониторинга, измерения, испытания, экспертизы, диагностирования, прогнозирования, принятия решений, управления и т. д. Возникающие потребности информационного обеспечения новых технологий и жизненного цикла технических систем часто не могут быть реализованы в необходимом и достаточном объеме из-за их громоздкости, сложности, высокой стоимости и ограниченности ресурсов. При массовом производстве изделий проблема находит своё разрешение, а для уникальных, единичных объектов, как правило, становится основным препятствием в обеспечении надлежащего качества изготовления и эффективного использования.

В работе под уникальными объектами понимаются крупногабаритные объекты энергетической (гидросооружения), строительной (мосты), авиационно-космической, транспортной и ряда других отраслей. Во многих случаях решение может быть получено по результатам мягкого интегрального контроля «поведения» подобных объектов либо их важнейших составных частей, опирающегося на мониторинг формы, текстуры поверхности и других функционально значимых свойства.

Ключевые слова: бионика, квалиметрия, мягкий контроль, нанофотоника, наноэлектроника, нейрокиберне-тика, обработка изображений, распознавание образов.

INDEPENDENT COMPLEX OF BEHAVIOUR CONTROL OF TECHNICAL OBJECT ON THE EXAMPLE OF ANTENNA SYSTEM OF THE SPACE VEHICLE

Y. V. Kolovskiy

Branch of Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 27, Soviet str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662971, Russia. E-mail: kolovskiuv@gmail.com

Quality of processes to manufacture and operate complex technical objects, along with new high technologies defines information supply including a wide spectrum of methods and means of monitoring, measurement, test, examina-