§ 5.3. Обеспечение прочности и жесткости элементов конструкции рэс

Введение амортизаторов между РЭС и объектом установки ослабляет амплитуду внешних механических воздействий, но не уничтожает их полностью. В тех случаях, когда для обеспечения приемлемого ослабления требуются амортизаторы с очень боль­шим свободным ходом или недостаточно эффективны вибропог-лощающие структуры, надежность работы РЭС обеспечивается прочностью и жесткостью элементов конструкции, а также исключением резонансов.

Прочностные параметры материалов конструкций РЭС. Проч­ность и жесткость элементов конструкции в значительной степени зависят от используемых материалов, их обработки, а также от геометрических размеров самих элементов, их формы и способов крепления.

Эксплуатационные возможности материалов, используемых в конструкциях РЭС, характеризуются рядом параметров, на­иболее важными из которых являются предел прочности при растяжении , сжатии и изгибе ; предел текучести ; предел выносливости при симметричном цикле ; модуль упругости Е (модуль Юнга); удельные значения этих парамет­ров у, равные их отношению к плотности материала. Пре­делом прочности при растяжении называют напряжение, рав­ное отношению наибольшего растягивающего усилия к пер­воначальной площади поперечного сечения образца. Анало­гично определяются и . Пределом текучести на­зывают напряжение, при котором образец заметно удлиняется (например, на 0,2%) без увеличения напряжения. При удлинении на 0,2% предел текучести обозначают . Величина зависит от числа циклов нагружения знакопеременной нагрузкой. Установлено, что деталь из стали, выдержавшая 2-10 циклов, может выдержать любое число циклов; для деталей из цветных металлов это число увеличивается до 5 *10 циклов (рис. 5.22). Модуль упругости определяется фор­мулой , где — предел упругости, ГПа; — от­носительное удлинение ( —относительное удлинение образца, —его длина).

Значения этих параметров для некоторых материалов пред­ставлены в табл. 5.5. и 5.6. Из рассмотрения этих таблиц можно сделать следующие выводы: 1) от состояния металлов и сплавов (отожженный, закаленный и т. д.) зависит не только предел прочности, но и удельная прочность при растяжении и изгибе; 2) среди материалов, предназначаемых для работающих на растяжение деталей, максимальную удельную прочность имеют бериллий, титановый сплав ВТЗ-1, алюминиевый сплав В-95, сталь 45, минимальную удельную прочность — алюминиевый сплав АД-1, латунь Л-63 и др. Модуль упругости металлов и сплавов не зависит от состояния материала, поэтому удельная жесткость Е_уд также не зависит от состояния материала.

Рис. 5.22. Кривые усталости для стали (кривая 1, левая шкала) и для демпфирующего алюмини­евого сплава (кривая 2, правая кала)

Среди неметаллических материалов, предназначенных для работающих на растяжение/сжатие деталей, максимальной удель­ной прочностью обладают стеклопластик СВАМ и пресс-материал АГ-4С; минимальной удельной прочностью — фторопласт-4, пенопласт ПС-1-350 (последний имеет малую плотность у = 0,35 г/см³); из материалов, выбираемых для работающих на изгиб деталей, максимальную удельную прочность ст_уд имеют стеклопластик СВАМ и пресс-материал АГ-4С; удельная прочность минимальна у фторопласта и фенопласта К-21-22.

Таблица 5.5 Удельные прочность и жесткость металлов и сплавов

Металл или сплав	Состояние материала	Предел прочно-сти , МПа	Модуль упруго- сти, ГПа	Удельная проч- ность		Удель- ная жест- кость Е уд
Сталь углеродистая Ст. 10 Ст. 45 Сталь легиро- ванная: 4X13 30ХГСА Алюминиевый сплав: АД-1 . В-95 Магниевый сплав: МА2-1 МА-8 Медный сплав: латунь Л-63 бронза Бр.Б2 Титановый сплав: ВТ 1-0 ВТЗ-1 Бериллий Алюминиево-бе- риллиевые спла- вы (40...80% Be)	Нормализованный Холоднотянутый Нормализованный После закалки и отпуска Отожженный После закалки и отпуска Нормализованный После закалки и отпуска Отожженный Нагартованный Отожженный Закаленный и со- старенный Без термообра- ботки Закаленный Мягкий Твердый Мягкий Твердый Отожженный Закаленный и со- старенный Горячевыдавлен- мй через матрицу Горячепрессован- ный, выдавленный а отожженный —	334 412 600 1176 540 930 490 1080 58 147 275 490 255 275 294 490' 392 735 687 981 1176 480 390... 620 490	203 200 193 198 69,6 69,6 40,7 40,2 103 115 113 290 280... 300 132	42,5 52,5 76,5 150 69,7 120 62,4 137,5 21,4 54,3 96,5 172 142 154 35 58,2 47,7 89,2 152 218 262 260 210... 335 210	12,3 14 18 28,2 16,9 24,3 15,7 26,6 7,7 14,3 21 30,9 27,2 28,7 10,7 15 13,1 20 28,5 36,2 40,9 — —	25,9 25,5 94 Q 25,3 25,7 .. . 22,7 22,4 12,2 14,0 25,0 0*\ 1 ZJ, 1 158 152 163 56

Среди материалов для деталей, рассчитывемых на жесткость, максимальную удельную жесткость имеют пресс-материал АГ-4С и гетинакс II; удельная жесткость минимальна у фторопласта-4, пенопласта ПС-1-350. К наиболее перспективным материалам относятся бериллий, алюминиево-бериллиевые и магниево-литие-вые сплавы. Ввиду высокой стоимости бериллий и его сплавы находят ограниченное применение (в основном в авиационной и космической технике). Достоинствами бериллия являются высокие прочность (рессоры из бериллия выдерживают 20 млрд. толчков, из обычного материала — 850 тыс.), термостойкость (до 700...800 °С), теплопроводность. К недостаткам относятся хруп­кость (это затрудняет его прокатку, ковку, резание; детали обычно получают методом порошковой металлургии), токсичность, высо­кая стоимость. Алюминиево-бериллиевые и магниево-литиевые сплавы несколько дешевле и лучше поддаются обработке, но тоже довольно дороги и дефицитны. В конструкциях РЭС бериллий и его сплавы используют в исключительных случаях.

Обеспечение прочности и жесткости элементов конструкций РЭС затруднено рядом причин, прежде всего сложностью кон­струкции РЭС, которая является многокомпонентной системой. Каждый компонент может иметь несколько основных резонансных частот (для каждого элемента конструкции, для каждой степени свободы, для каждой гармоники спектра колебаний). В ряде случаев необходимо увеличивать прочность и жесткость при сохранении или даже уменьшении массы и габаритов раз­рабатываемой конструкции по сравнению с прототипами. Это особенно актуально с точки зрения снижения массы бортовых РЭС, сохранения природных ресурсов, возрастания удельной доли несущих конструкций в общей массе конструкций РЭС (30...40% для РЭС первых поколений, до 70% для РЭС четвертого поколения), уменьшения времени на обработку деталей.

Таблица 5.6 Исходные данные для составления расчетных схем прочности конструкции РЭС

Наименование узла, позиция сборочного чертежа	Вид и направление сил	Место (способ) крепления	Расчетная модель	Источник
Кронштейн крепления кор­пуса, поз. 9	Статическая си­ла, действующая в плоскости основания	К корпусу (прилив), к объекту (бол­том)	Балка, за­щемленная на одном конце и нагруженная на другом	Масса при­бора с учетом кронштейнов и перегрузки
Печатная плата в сборе, поз. 5	Вибрации, дей­ствующие в на­правлении, пер­пендикулярном плоскости платы	Сзади (сое­динителем), спереди (план­кой с винтами), сверху и снизу (направляю­щими	Пластина, жестко закре­пленная по ко­ротким сторо­нам, с опорой по длинным сторонам	Масса пе­чатной платы и ЭРЭ с уче­том вибрации частотой 20... 70 Гц, ампли­тудой 0,5 мм

В других случаях сложность обеспечения прочности и жест­кости элементов конструкции определяется сложностью расчет­ного обоснования прочности и жесткости из-за того, что расчетные модели конструкций в виде рам чаще всего являются статически неопределимыми системами. Расчетная модель конст­рукции РЭС в большинстве случаев содержит значительное число степеней свободы и оказывается сложной для аналитического расчета. Это затрудняет получение модели простой и в то же время достаточно точной. Используемые машинные методы — конечных разностей, конечных элементов и различные вариацион­ные методы — также имеют недостатки. Недостатком метода конечных разностей является большая трудоемкость составления конечно-разностных уравнении при подготовке задачи к решению на ЭВМ. В связи с этим применение этого метода ограничивается только простыми конструкциями (например, не имеющими ступенчатого изменения жесткости). С помощью метода конечных элементов можно решать задачи для конструкции любой сложности, но трудоемкость подготовки исходных данных также велика. Метод возник как результат аппроксимации сплошной среды элементами конечных размеров. Используется он в тех случаях, когда нельзя произвести расчеты другими методами. Имеются трудности и при использовании аналоговых моделей.

Целесообразен следующий порядок работ по обеспечению рочности и жесткости РЭС: 1) составление расчетной схемы бока (узла), выявление действующих сил и элементов конструкции, в которых напряжения и деформации могут достигать недопустимо больших значений; 2) выбор расчетных моделей для критичных узлов; 3)чет собственной частоты узлов инапряжений и сравнение их с допустимыми; 4) аботка мероприятий по обеспечению есткости и прочности узлов.

Рис. 5.23. Зависимость площади стеклотексто-литовой платы толщиной 1,5 мм, закрепленной по углам, от собственных частот

При определении расчетной схемы и расчетных оделей исходная информация представляется в виде таблицы, например табл. 5.6.

Таблица 5.8

Жесткость конструкции (или ее элемен­тов) обеспечивается при собственной ее частоте (или элементов) выше действующей, что исключает работу в резонансном режиме.

Особое значение прочностные расчеты имеют для бортовых РЭС, где нежелательны излишние запасы прочности (вывод на орбиту 1 кг груза ракетой «Сатурн-5» составляет около 10000 долл., снижение массы полезного груза на 1 кг позволяет уменьшить количество топлива на 42 кг). Прочностные расчеты выполняются методами, основанными на теории сопротивления материалов. Обеспечить заданную прочность при минимальной массе можно с помощью следующих конструкторских мер:

1. выбором наиболее прочных материалов (см. табл. 5.5 и 5.6);

2. обеспечением равнопрочности элементов конструкции путем даления малонагруженного материала (рис. 5.25); 3) обеспечением равнопрочности сечений элемента конструкции благодаря динаковому сечению детали при работе на растяжение/сжатие рис. 5.26, а) или равнопрочности сечения при изгибе (рис. 5.26,6, ); 4) выбором конструкций с максимальным моментом сопротивления (рис. 5.25—5.28); 5) заменой работы элементов конструкции на изгиб работой на растяжение/сжатие (рис. 5.29); ) дополнительным креплением узлов и компонентов с помощью ержателей, ниток, клея, мастики; заливкой пенопластом и т. д.

Значительные перегрузки могут испытывать объемные провод­ники микросборок, что требует расчета их параметров. Для монолитных проводников без изоляции допустимая длина (мм) между двумя точками жесткого закрепления при условии от­сутствия резонанса может быть определена по формуле

,

где Е—модуль упругости проводника, Н/м²; f-астота колебаний, Гц; -погонная масса проводника, Н-с²/мм²- у_пр — его плотность, Н/мм³; g—ус­корение силы тяжести, мм/с , J_z = nd^A/64— момент инерции сече­ния круглого проводника, м⁴. С учетом запаса на контактирование длина проводника между контактами l = 0,8/. Расчет на уста­лостную прочность сводится к определению максимальных на­пряжений (Н/м) в проводниках _max = 0,667mgnl²d^-3Проводник сохраняет прочность в условиях усталостной нагрузки.медных проводников при симметричном цикле (равенстве амплитуд относительно начального состояния) 55 МПа. Обычно допустимыми считаются размеры пере­мычек и выводов при длине l<0... 100 , где d—диаметр проводника.

Рис. 5.26 Обеспечение равнопрочности деталей, работающих на растяжение (а) и на изгиб (б, в): 1—крестообразное сечение; 2—трубчатое сечение

Если консольность превышает допустимую, то необходимо дополнительное крепление в про­межуточных точках с помощью клея или покрытие лаком. Для микросборок максимальная длина перемычек из объемного провода без дополнительного крепления составляет 3 мм. При­веденные соотношения справедливы для проводников без изо­ляции. Наличие изолирующей оболочки снижает собственную путем выбора вида типовой кон­струкции, марок материалов, способов формообразования, снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления, спо­собов упрочнения поверхности для увеличения предела вынос­ливости.

Рис. 5.27. Конфигурации выдавок

Рис. 5.28. Усиление стенок герметичных кожухов РЭС с помощью ребер (а) и виды днищ (б): /, 2—ребра

Наиболее технологич­ными являются типовые (базо­вые) конструкции, в которых ма­териалы выбраны с учетом их прочности, способов формообра­зования, снижения материалоем­кости и трудоемкости. Типовые конструкции с заменой работы пользованием типовых техноло­гических процессов, хорошо оснащенных и отработанных. Для нетиповой конструкции вы­бор материалов осуществляется с учетом типа производства (способов формообразования), легкости их обработки с заданной точностью и шероховатостью, минимальной толщиной стенок.

Рис. 5.29.Обеспечение прочности несущеи конструкции заменой работы заклепки на изгиб (а) работой тяги на растяжение/сжатие (б): 1—панель; 2—шасси; 3—заклепка; 4 — тя­га

Для индивидуального и мелкосерийного производства исполь­зуются материалы, пригодные для обработки на универсальном металлорежущем оборудовании (станках с ЧПУ), — алюминиевый сплав Д16, титановый сплав ВТ4 и др. Для массового произ­водства используются материалы, пригодные для обработки высокопроизводительным способом штамповки (сталь 08кп, титан ВТ4 и ВТ5, алюминиевые сплавы АМг, АМц); шероховатость обрабатываемых поверхностей Ra = 3,2...1,6 мкм, точность по квалитетам 6—9. Для литья под давлением используются маг­ниевые сплавы (МЛЗ, МЛ5, МЛ6, МА1, МАЗ, МА5), латуни (ЛС59-1Л, ЛН80-ЗЛ), алюминиевые сплавы (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ 11, АЛ28, АЛ32), толщина стенок которых может быть доведена до 0,5 мм.

Для повышения усталостной прочности деталей из металлов и сплавов иногда осуществляют поверхностное упрочнение путем поверхностной закалки токами высокой частоты, те­рмохимической обработки (азотирования, цементации), обкатки поверхности шариком или дробеструйной обработкой для по­лучения уплотняющего слоя. Повышению усталостной прочности способствуют увеличение плавности переходов между ступен­чатыми поверхностями, наличие галтелей и фасок, повышение чистоты обработки поверхности. Перспективно для массового производства использование металлических порошков и их смесей с неорганическими материалами для формования эле­ментов конструкции путем прессования с последующим спеканием в защитной атмосфере. Механические свойства изделий из порошков близки по свойствам к литым деталям, по отдельным параметрам они выше. Например, для алюминия а_в = 300...400 МПа по сравнению с 180...200 МПа. Насыпная плотность алюминиевых порошков составляет 0,7...0,8 г/см³ (ее постоянство определяет стабильность усадки при спекании). Однако детали, изготовленные из порошков, не могут иметь наружной и внутренней резьбы, должны иметь плавные переходы от тонких сечений к толстым и радиусы скругления не менее 1 мм. Методом литья под давлением и прессованием изготовляют детали из пластмассовых пресс-порошков, часто имеющих напол­нители (порошки, волокниты, стекловолокниты), с шерохо­ватостью поверхности Ra= 1,25...0,8 мкм, точностью размеров по 11...13-му квалитетам. Усадка может быть менее 0,1...0,16%. Для полиимидов и стеклопластиков допускается толщина до 0,3 мм при диаметре отверстий до 0,5 мм. К пластмассовым деталям предъявляется ряд ограничений: радиусы скруглений должны быть не менее 0,5... 1,0 мм для внутренних и 1...2мм для наружных поверхностей, не рекомендуются прямоугольная и мелкая резьба (с шагом менее 0,4 мм). Поверхность пластмас­совых деталей можно металлизировать. Чаще всего наносится слой меди толщиной от нескольких единиц до нескольких десятков микрометров с последующим электрохимическим нанесе­нием защитного слоя из сплавов олова, никеля, реже — золота. Способы металлизации — химическое осаждение, вакуумное или горячее распыление металлов.