CC BY
34
СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НЕСУЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ РЭА
Петров Евгений Евгеньевич
Инж.-констр. 2-й кат., ФГУП "РНИИРС", г. Ростов-на-Дону Бутовченко Андрей Владимирович Канд. техн. наук, ФГБОУВО "ДГТУ", г. Ростов-на-Дону Скляров Максим Максимович ФГБОУ ВО "ДГТУ", г. Ростов-на-Дону DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2019.3.60.34-38
АННОТАЦИЯ.
Конструкция радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) - совокупность элементов различных форм и свойств, определённым образом находящихся в пространстве, которые имеют механическую, электрическую, электромагнитную, тепловую и другие связи. Эти связи обеспечивают надёжность, точность, стабильность функционирования в заданных условиях эксплуатации, обеспечивают возможность производства при заданных требованиях. Проектируемая конструкция должна обеспечить выполнение заданных требований, учитывать возможности производства (технологичность). Задача конструктора заключается в выборе наилучшего, из бесконечно большого количества возможных вариантов конструкции. Одним из важнейших аспектов, при проектировании РЭА являются прочностные расчёты. Однако, на практике, им не уделяется должного внимания. Это, в свою очередь, может способствовать тому, что в процессе эксплуатации, изделие с большей вероятностью придёт в негодность, что неизбежно приведёт к дополнительным затратам. В связи с этим, тема данной работы является актуальной. В статье рассмотрены варианты расчёта несущих конструкций РЭА, с учётом статических и динамических нагрузок.
ABSTRACT.
The design of electronic equipment (EE) - a set of elements of different shapes and properties, in a certain way are in space, which have mechanical, electrical, electromagnetic, thermal and other connections. These connections provide reliability, accuracy, stability of functioning in the set operating conditions, provide an opportunity of production at the set requirements. The designed design should ensure the fulfillment of the specified requirements, take into account the possibility of production (manufacturability). The task of the designer is to choose the best of an infinitely large number of possible design options. One of the most important aspects in the design of EE are strength calculations. However, in practice, they are not given due attention. This, in turn, can contribute to the fact that in the process of operation, the product is more likely to become unusable, which will inevitably lead to additional costs. In this regard, the topic of this work is relevant. The article describes the options for calculating the load-bearing structures of EE, taking into account static and dynamic loads.
Ключевые слова: статический расчёт, динамический расчёт, прочность, несущая конструкция, вибрация, удар, центр масс.
Keywords: static calculation, dynamic calculation, strength, bearing structure, vibration, impact, center of mass.
Функцию несущих конструкций в РЭА выполняют печатные платы, рамки, теплоотводящие основания печатных плат, шасси, каркасы оснований. Несущие конструкции РЭА должны выдерживать статическую нагрузку от элементов, а РЭА, испытывающие вибрации и удары, должны выдерживать динамические нагрузки. На практике, приходится иметь дело с обоими случаями. Рассмотрим их подробно.
Статический расчёт.
Для стационарной РЭА, не испытывающей ударов и вибраций, целесообразно выполнять статический расчёт на нагрузку несущей конструкции от силы тяжести элементов:
^ = т ■ % , Н, (1)
где: т — масса элементов, установленных на несущей конструкции РЭА, кг;
g — ускорение свободного падения, м/с2.
Рассмотрим подробно статический расчёт несущей конструкции РЭА, на примере наиболее часто встречающегося, на практике, случая — определения параметров ручек блока РЭА. Схема сил, действующих на блок РЭА, представлена на рис. 1.
Шпнпя
Рис. 1. Схема сил, действующих на блок РЭА в момент транспортирования за ручки: Ц.М. — центр масс блока; Ет — сила тяжести, действующая на блок РЭА, Н; И — высота ручки, м; Ыа,
Ыв — силы реакций, действующие на каждую из ручек, Н; Яа , Яв — вертикальные составляющие от силы тяжести Р, возникающие в каждой из ручек, Н; ЫЗ — сила, возникающая в соединении ручки и элемента её крепления, Н; I — расстояние от центра масс до передней панели блока РЭА, м
Целью расчёта является выбор материала ру- Рассмотрим подробно силы, действующие на
чек и диаметра их резьбового окончания, в зависи- блок РЭА.
мости от силы тяжести, действующей на блок РЭА. На блок РЭА действует сила тяжести Ет (1),
приложенная к центру масс с координатами:
п п п
X ■ т X У' т X• т
V — _ V — _ 7 _ ^=1__(2)
Х Ц.М. п , 1 Ц.М. п , ^ Ц.М. п , (2)
X тг X тг X тг
'=1 '=1 ' =1
где: mi — масса 1-го элемента блока РЭА; х, уI, — координаты центров масс элементов блока РЭА по осям X, У,
п — количество элементов блока РЭА. Силы реакций Ыа и Ыв направлены по оси задела каждой из ручек, при этом Ыа=Ыв. Вертикальные составляющие Яа и Яв направлены по оси У, противоположно силе тяжести Ет. Сила Ыз зависит от составляющих Яа и Яв и коэффициента трения
передней панели и шайбы элемента крепления ручки ц.
Для того, чтобы выбрать диаметр резьбового окончания ручки, необходимо рассчитать силы реакций, приходящиеся на него. Составим уравнение равновесия сил и моментов сил реакции в этих точках.
Для удержания блока РЭА в равновесии, необходимо выполнение следующих условий:
Рт =КА + КБ ;
М0 =МУ.
(3)
(4)
Опрокидывающий момент: Момент удержания блока РЭА в равновесии:
М0 = ^ ' I, Нм.
(5)
Му = 2N ■ И, Нм.
(6)
Исходя из условий (4) — (6), и Ыв определятся из соотношения:
Н.
К ■ I
N = = К 1
2И
(7)
Для случая, когда центр масс находится на пересечении осей симметрии блока РЭА (см. рис. 1):
К
яА = яв = К-, Н.
(8)
Для случая, когда центр масс смещён относительно продольной оси симметрии блока РЭА (см. рис.
2):
К А = КВ = '
а + Ь
где: а — расстояние от центра масс до оси задела ручки А, м; Ь — расстояние от центра масс до оси задела ручки В, м.
Рис. 2
(9)
Условие, при котором элемент крепления одной из ручек не будет перемещаться в отверстии передней панели в момент транспортирования блока РЭА за ручки:
К
N =■
2^
Н,
(10)
где: ^ — коэффициент трения для пары трения материалов «ручка-панель». Для пары трения сталь углеродистая сернистая А12 ГОСТ 1414-75 — АМг2.М ГОСТ 21631-76 ^ = 0,18 ... 0,21 [2, 3]. Результирующая сила Ырез, направленная по оси резьбового окончания ручки на разрыв ручки А:
Nрез = NА + N3 , Н.
(11)
В резьбовом окончании ручки возникают напряжения:
4 N ■В
рез г
а = ■
п ■ (
кгс/м2
(12)
где: йв — диаметр резьбового окончания ручки по внутренней канавке резьбы, м; в — коэффициент запаса прочности резьбового окончания ручки (1,5 ... 2). Разрыва ручки не произойдёт, при условии:
Ь
4Npeз В г п
а =-<[адоп\, (13)
п (в
где: [бдоп] — допустимое напряжение на разрыв выбираемого материала ручки, кгс/м2. Тогда:
^ >
1
4 N -В
рез г
Л - (
[(доп ]
(14)
Выражение (14) [8] позволяет подобрать соответствующий параметр метрической резьбы и рассчитать наружный диаметр ручки d (для ручки квадратного сечения параметр d соответствует диаметру вписанной окружности):
, d
d >—— , м. (15)
0,85
Выражения (1) — (15) позволяют осуществить подбор корректных параметров ручек блока стационарной РЭА, обеспечивающих необходимый, для его эксплуатации, запас прочности.
Динамические расчёты. Вибрационный расчёт.
При наличии ударов и вибраций для РЭА подвижных объектов (автомобильного, морского, лётного и других исполнений) выполняют динамический расчёт с учётом перегрузок, при ударах и вибрациях. Динамические расчёты, можно разделить на вибрационные и ударные. Рассмотрим их подробно.
Сила, тяжести действующая на элементы конструкции РЭА Е, при внешних воздействиях, рассчитывается по формуле:
Ет = m -1, Н
(16)
где: I — ускорение при механическом воздействии, м/с2.
Например, для группы Б2 исполнения РЭА (диапазон частот вибраций 10 ... 500 Гц), согласно ГОСТ Р 52931-2008, !=19,6 м/с2[4]. Конструкцию следует проектировать с учётом резонанса в заданных значениях частот ударов и вибраций.
В случае наличия ударов и вибраций, нагрузка от элементов блока РЭА существенно увеличивается относительно статического режима. При этом, во избежание резонансных колебаний при вибрационных воздействиях, несущие конструкции должны иметь собственную частоту механических колебаний выше верхней частоты возмущающих вибраций в 1,5 ... 2 раза [8]:
Ло >Лив -(1,5...2).
В случае плоской конструкции несущего элемента собственная частота может быть найдена из соотношения:
Л0 =
12
2-л-а
Гц
(17)
где: I — глубина плоской конструкции, м; а — коэффициент, зависящий от способа крепления;
D — изгибная жёсткость, Н/м; т — масса единицы площади поверхности плоской конструкции, кг.
Под изгибной жёсткостью, в данной работе понимается величина, характеризующая жёсткость плоской конструкции при её изгибе.
Плоскую конструкцию можно представить как совокупность балок единичной ширины, соединённых друг с другом боковыми поверхностями. Как известно [10], для балки прямоугольного поперечного сечения единичной ширины жёсткость на из-
Е - Нъ
гиб определяется величиной ———, а взаимодействие балок учитывается множителем ( — V2 ). Исходя из вышеизложенного, изгибная жёсткость может быть найдена из выражения:
Е - Нъ
Н/м, (18)
В =
12-(1—V2)
где: E — модуль Юнга, Па; и — толщина плоской конструкции, м; (1- V2) — множитель, учитывающийся в выражении изгибной жёсткости плоской конструкции.
При этом, определение изгибной жёсткости — вопрос отдельный, который подробно рассмотрен в работах [1, 5 — 7, 9].
Динамические расчёты. Ударный расчёт. Если блок РЭА предназначен для ношения, он должен обладать ударопрочностью и выдерживать падение с высоты Н=0,5 ... 0,7 м [8]. При наличии ударных воздействий, корпус блока РЭА целесообразно рассчитывать на силу соударения с поверхно-
стью:
^СОУД т
VН — VК
Н,
(19)
где: ун = у/2 - § - Н — начальная скорость
блока РЭА в момент соударения с поверхностью,
м/с;
= —- к — конечная скорость отскока блока РЭА в момент соударения с поверхностью,
м/с;
к — коэффициент, зависящий от жёсткости поверхности, на которую падает блок РЭА (например, для сухого грунта к=0,65);
Г
И
ТИ — длительность ударного импульса (время соприкосновения с поверхностью при ударе), с.
После выполнения элементарных преобразований, получим выражение для определения силы соударения с поверхностью для скалярных значений скоростей:
КСОУД т'
(1+ У 2-g■H)
Т
Н. (20)
И
Элементы внутри РЭА, при соударении, испытывают меньшую силу:
7- тЭ 71 =—— ■ 1 н
1 ЭЛ 1 СОУД ,Н,
т Д
(21)
где: т— — масса элемента, кг. Выражения (16) — (18) позволяют осуществить расчёт блока РЭА, с учётом вибрационных воздействий, а выражения (19) — (21) — с учётом ударных.
Падение блока РЭА недопустимо, однако расчёты на удар необходимо производить в любом случае, с целью подбора таких параметров, при которых силы соударения, а следовательно, и повреждения блока РЭА при падении будут минимальны. Выводы.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- предложены варианты статического расчёта для различных случаев расположения центра масс блока РЭА (1) — (15), позволяющие осуществить подбор конструктивных параметров блока РЭА, обеспечивающих необходимый для его эксплуатации запас прочности;
- предложены варианты вибрационного (16) — (18) и ударного (19) — (21) динамических расчётов, позволяющих осуществить расчёт блока РЭА с учётом вибрационных и ударных воздействий;
- полученные результаты могут быть полезны для специалистов, занимающихся проектированием РЭА.
Список использованных источников:
1. Гольденвейзер, А.Л. Теория упругих тонких оболочек / А.Л. Голденвейзер. - М.: Наука, 1976. -512 с.
2. ГОСТ 1414-75 Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия. - М.: ИПК издательство стандартов, 2004. - 16 с.
3. ГОСТ 21631-76 Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия. - М.: ИПК издательство стандартов, 2008. - 29 с.
4. ГОСТ Р 52931-2008 Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2009. - 28 с.
5. Доннел, Л.Г. Балки, пластины и оболочки / Л.Г. Доннел. - М.: Наука, 1982. - 567 с.
6. Корнишин, М.С. Гибкие пластины и панели / М.С. Корнишин, Ф.С. Исанбаева. - М.: Наука, 1968.
7. Огибалов, П.М., Колтунов М.А. Оболочки и пластины / П.М. Огибалов, М.А. Колтунов. - М.: МГУ, 1969.
8. Панков, Л.Н. Основы проектирования электронных средств / Л.Н. Панков, В.Р. Асланянц, Г.Ф. Долгов и др. - Владимир: ВГУ, 2007. - 260 с.
9. Погорелов, В.И. Строительная механика тонкостенных конструкций / В.И. Погорелов. -СПб.: БХВ-Петербург, 2007.
10. Феодосьев, В.И. Сопротивление материалов / В.И. Феодосьев. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 590 с.
УДК 621.7.092
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВЕННО-ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИИ ИЗ МЕДИ С ПОМОЩЬЮ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НИКЕЛЕМ И ТЕРМООБРАБОТКОЙ
Краснова Марина Николаевна
к.т.н., доцент Рассказов Александр Сергеевич
магистрант группы МПм-11 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» Воронеж
РР1: 10.31618/Б8и.2413-9335.2019.3.60.38-41
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены варианты использования гальванического никелевого покрытия в совокупности с термической обработкой в целях повышения качественно-точностных характеристик деталей и улучшения физических свойств.
Ключевые слова: гальваника, электрохимический метод, никелирование, термическая обработка.
Под защитным покрытием понимают именно защиту от коррозии и других вредных факторов окружающей среды: влажности, пыли. Свойства того или иного покрытия перед внесением его в конструкторскую документацию детали, работающей в определенных эксплуатационных условиях.
Так же важно наблюдать, чтобы покрытие после его нанесения отвечало требованиям ГОСТ 9.301-86.
Технические характеристики медных деталей после покрытия никелем
ш Покрытие обладает повышенной твердостью и износостойкостью и рекомендуется для деталей, работающих в условиях трения, особенно
