Расчет механических характеристик конструкции блока управления антенными переключателями

УДК 681.51

РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИИ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ АНТЕННЫМИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯМИ

Дубоделова Д. А., Иванов И. А., Увайсов Р. И., Увайсов М.М.

Московский государственный институт электроники и математики (ТУ),

Россия, г.Москва

В работе произведен расчет блока космической аппаратуры при воздействии на него механических воздействий в виде гармонической вибрации.

Ключевые слова: диагностика, космическая аппаратура, механические воздействия, гармоническая вибрация.

CALCULATION OF THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CONSTRUCTION CONTROL UNIT ANTENNA SWITCHES

Dubodelova D.A., Ivanov I.A., Uvaysov R.I. , Uvaysov M.M.

Moscow State University of Electronics and Mathematics,

Moscow, Russian Federation

We calculated the unit space-based sensors when subjected to mechanical stress, namely a harmonic vibration.

Key words: diagnosis, space equipment, mechanical effects, harmonic vibration.

Входные воздействия и выходные характеристики в РЭС являются случайными величинами или процессами, прежде всего из-за технологических разбросов параметров материалов, а также эксплуатационных разбросов параметров элементов под воздействием случайных внешних факторов. Поэтому на определенных этапах конструкторского и технологического проектирования РЭС необходимо проводить исследования разбросов параметров с применением вероятностных моделей. Если при конструировании РЭС возникает необходимость дополнительной защиты от механических воздействий, то конфликтными становятся ограничения по массе, особенно для авиационной и космической техники. Поэтому актуальной является задача оптимизации параметров конструкции РЭС, отвечающих требованиям НТД по механическим характеристикам, с целью снижения массы.

Указанные факторы определяют необходимость тщательной отработки конструкций и документации на всех этапах проектирования. Традиционная технология проектирования, где предпочтение отдавалось стендовым испытаниям, устарела. По оценкам специалистов до 50% летательных аппаратов приземляются с отказами аппаратуры. При этом 50% отказов вызвано несоответствием стендовых испытаний и реальных условий эксплуатации. Испытания, не интегрированные с расчетными экспериментами, являются малоинформативными из-за невозможности установить датчики во многих точках конструкции, не позволяют провести исследования в критических режимах работы изделия из-за его разрушения, не позволяют распространить результаты испытаний отдельных образцов на все другие экземпляры изделия данного типа из-за случайных значений разбросов параметров.

Следует отметить трудности, возникающие при постановке и решении задачи расчета механических характеристик конструкций РЭС. Известно, что моделирование механических процессов в конструкциях РЭС основано на решении сложных нестационарных краевых задач математической физики. Математические и вычислительные трудности решения подобных задач определяются, прежде всего, сложной и неоднородной структурой конструкции, нелинейными характеристиками материалов, а также сложным характером внешних механических возмущений, которым подвергается нестационарная аппаратура. Существует множество различных вариантов конструкций РЭС. Выбор того или иного варианта определяется назначением, использованием и транспортировкой аппаратуры.

Так как подавляющее большинство отказов РЭС, как указывалось выше, является результатом выхода за пределы, установленные НТД, механических характеристик конструкций РЭС, необходимо на ранних этапах проектирования сосредоточить все усилия на расчете механических характеристик РЭС - ускорений РЭ, времени до усталостного разрушения выводов, перемещений и напряжений в элементах конструкции. Для получения механических воздействий на РЭ необходимо провести расчет несущих конструкций аппаратуры при заданных воздействиях. Решение задачи обеспечения требований НТД по механическим характеристикам РЭС на ранних этапах проектирования требует, с одной стороны, упрощения процесса моделирования, а с другой стороны, учета всех изложенных выше факторов. Причем расчет должен проводиться для каждого вывода РЭ.

В связи с тем, что использование детальной модели требует большого объема вычислений, особенно при решении задач оптимизации, и, учитывая жесткие требования по срокам проектирования, для большинства просматриваемых вариантов структуры конструкций должна выполняться лишь ориентировочная оценка механических характеристик конструкций РЭС (вплоть до каждого РЭ) на основе макромоделей. Такая оценка позволит на ранних этапах проектирования без существенных затрат вычислительных ресурсов, исходя из требований НТД по механическим характеристикам, выбрать тип конструкции, элементную базу, размещение РЭ, варианты креплений, конструкционные материалы, отсеять большинство неперспективных вариантов и оставить для тщательного анализа малое число вариантов. Использование типовых конструкций - шкафов, стоек, блоков, ПУ, РЭ - приводит также к упрощению и ускорению проектирования: так, типовые конструкции, а значит и их макромодели, разрабатываются однократно, но в различных проектах применяются многократно.

Ввиду сложности конструкций РЭС (десятки тысяч РЭ) сама оценка возможна только при наличии средств автоматического перехода от реальной конструкции к макромодели, для чего, прежде всего, необходимо решить задачи формализации получения математических макромоделей механических процессов в типовых конструкциях РЭС. Входная информация должна задаваться в доступной для конструктора РЭС форме и с использованием привычной для него терминологии. Ввод графической и текстовой информации должен осуществляться на уровне конструкции РЭС, а не на уровне модели. Использование базы данных по конструкционным материалам и РЭ и интерфейса с системой P-Cad позволяет существенно сократить трудоемкость ввода данных о конструкции. Кром данных о конструкции, входная информация включает в себя условия эксплуатации, то есть заданные тепловые и механические воздействия, а также задание на расчет, содержащее информацию о цели расчета, о контролируемых параметрах. При этом в зависимости от типа конструкции, анализируемой пользователем, вида воздействия и цели расчета в программе должен включаться тот или иной алгоритм, который направляет пользователя по заранее продуманному пути. Выходная информация также должна выдаваться в доступной для конструктора РЭС форме.

В случае сложной конструкции РЭС (шкаф, стойка, блок) целесообразно представление конструкции в виде некоторой иерархической структуры, каждый следующий уровень которой входит в виде составной части в предыдущий уровень. Такое представление не только упрощает процедуру описания конструкции, но и существенно упрощает последующий процесс моделирования, анализа чувствительности, оптимизации, то есть всю процедуру решения задачи проектирования. Построение иерархической структуры конструкции основано на том предположении, что деформации некоторых элементов и узлов можно считать пренебрежимо малыми. Такие элементы и узлы полагаются недеформируемыми, т.е. абсолютно жесткими, на данном этапе расчета и рассматриваются как следующий, по отношению к данной конструкции, более низкий иерархический уровень. Иначе говоря, сложная конструкция рассматривается как совокупность несущей конструкции и недеформируемых масс. При дальнейшей детализации, на следующем этапе расчета, каждая масса рассматривается как несущая конструкция, включающая свои недеформируемые массы и т.п. Изложенное выше представление иерархической структуры конструкции позволяет унифицировать форму представления исходных данных; независимо от места конструкции в общей иерархии, входная информация должна содержать данные о ее конфигурации и структуре, о связи с предыдущим и последующим уровнями.

Учитывая возможности современных информационных технологий, наличие мощных программных средств математического моделирования физических процессов, протекающих в РТУ, а также достижения в области измерительной и испытательной технике, наиболее перспективными и эффективными на сегодня представляются неразрушающие методы контроля бортовой аппаратуры

Для определения степени влияния дефектов конструкций на механические амплитудно-частотные характеристики было проведено компьютерное моделирование блоков аппаратуры при механических воздействиях. В качестве объекта исследований был выбран блок управления антенными переключателями. Блок управления антенными переключателями (БУАП) представляет собой конструкцию этажероч-ного типа, состоящую из четырех печатных узлов, закрепленных на стойках внутри корпуса блока.

Рис. 1. Вид прибора БУАП с установленными печатными узлами

Особенности блока этажерочного типа:

1. Блок включает в себя печатные платы с комплектующими электрорадиоизделиями - печатные узлы.

2. Печатные узлы прямоугольной формы расположены параллельно друг другу и плоскости XY, связаны между собой и корпусом блока при помощи шпилек.

3. Количество ПУ в блоке произвольное.

4. Печатные узлы могут иметь различный материал, разную толщину, смещение друг относительно друга.

5. Между печатными узлами и корпусом блока может быть зазор, при том различный по осям X и Y .

6. ЭРИ расположены на платах случайным образом, их количество и масса -произвольные.

7. Места соединения ПУ со шпильками представляет собой защемление по площади контакта с шайбой или втулкой

8. Количество шпилек, их размеры и расположение могут быть произвольными, однако для каждого ПУ количество, расположение и параметры шпилек одинаковы.

9. Есть три варианта выполнения шпилек в корпусе блока. Первый вариант соответствует сквозному прохождению шпилек через ПУ от дна блока до его крышки. В случае второго варианта, шпильки проходят от дна блока до последнего ПУ этажерочной конструкции. Для третьего варианта, шпильки проходят от крышки блока до первого ПУ этажерочной конструкции.

10. Корпус блока имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

11. Материал всех стенок блока одинаковый. Разной для каждой стенки может быть толщина.

12. Блок может быть установлен по направляющим на стеллаже, соприкасаться с ним по всей плоскости основания и крепиться к стеллажу с помощью разъемов и накидных гаек. Блок может крепиться к стеллажу с помощью резьбовых соединений.

13. Стеллаж может быть установлен на виброизоляторах.

14. Корпус блока можно закрепить в любом месте любой стенки.

15. В любом месте любой стенки корпуса блока может быть установлена контрольная точка.

16. Механические нагрузки действуют по каждой из трех координатных осей блока и передаются через места крепления блока на объекте.

Корпус прибора состоит из трех основных конструктивных элементов:

- основания, через которое он крепится к изделию, и на которое устанавливаются стойки с печатными узлами,

- панели, с установленными на ней электросоединителями,

- кожуха, закрывающего боковые поверхности прибора и связывающего основание и панель в единую конструкцию.

В состав блока входят четыре печатных узла:

- плата питания - 1 шт.

- плата телеметрии - 1 шт.

- плата команд - 2 шт.

Характеристики материалов, используемых для механического расчета, приведены в таблице 1

Основание и панель выполнены фрезерованием из плиты, кожух - из листа толщиной 1,5 мм, подкрепленного для жесткости рядом выдавок. Материал основания, кожуха и панели - алюминиево-магниевый сплав АМг6, oT=16 кг/мм . Объединение основания, панели и кожуха в единую конструкцию осуществляется винтами М3 и М4, материал - сталь 45, sT=45 кг/мм .

Физико-механические параметры материалов конструкции Таблица 1.

Элемент конструкции Материал Модуль упругости E, кгс/см2 Предел текучести O02, кгс/см2 Предел прочности ob, кгс/см2 Предел усталости о.1, кгс/см2

1 2 3 4 5 6

Панель, основание Плита АмгбБ ГОСТ 17232-99 7105 1500 3100 1300

Кожух Лист Амг6М 1,5 ГОСТ 21631-76 7105 1600 3200 1320

Платы Стеклотекстолит ГОСТ 10316-78 1,76105 - 2200 -

Элементы крепления прибора (М6) Сталь 20X13 2,1  106 6500 8500 3700

Крепеж внутренних элементов (М4, М3) Сталь-45 2,1  106 3200 6000 1800

Расчет механического режима несущей конструкции прибора произведен на ПЭВМ с помощью автоматизированной подсистемы АСОНИКА-М.

Подсистема АСОНИКА-М предназначена для анализа ускорений, перемещений и напряжений в конструкциях цилиндрических блоков, блоков кассетного и этажерочного типов радиоэлектронных средств (РЭС) при воздействии гармонической вибрации, случайной вибрации, ударов, линейных ускорений.

Для расчета несущей конструкции прибора подсистема АСОНИКА-М использует автоматизированную систему ANSYS.

Основные нагрузки прибора:

• низкочастотная вибрация в диапазоне 5 - 2000 Гц в трех взаимноперпендикулярных направлениях,

• Изменение частоты от нижнего значения до верхнего производится плавно при логарифмическом масштабе.

• случайная вибрация (в диапазоне до 2000 Гц), генерируемая акустическим шумом;

• нагружение приборов ударным ускорением с амплитудой 40 g, с продолжительностью импульса 1-3 мс.

Конструкция прибора подвергается воздействию комплекса нагрузок и температурному нагружению, вызванному изменением температурного режима в процессе эксплуатации изделия. Эти два фактора можно рассматривать отдельно, так как максимальные их режимы разнесены по времени. Максимальные динамические нагрузки на прибор действуют в процессе выведения изделия, а максимальные температуры действуют при работе прибора на орбите.

Механический анализ прибора был проведен при воздействии гармонической вибрации в различных режимах:

- одновременно по всем трем осям;

- воздействие задано по оси OX;

- воздействие задано по оси OY;

- воздействие задано по оси OZ.

На рис. 2 - 8 представлены графики зависимости амплитуды виброускорения от частоты, полученные в контрольной точке при различных режимах вибрации.

а) б)

Рис. 2. Зависимость виброускорения от частоты в контрольной точке при задании гармонической вибрации одновременно по трем осям: а) суммарное виброускорение, б) виброускорение по оси OX

в)

г)

Рис. 3. Зависимость виброускорения от частоты в контрольной точке при задании гармонической вибрации одновременно по трем осям: в) виброускорение по оси OY, г) виброускорение по оси OZ

а) б)

Рис. 4. Зависимость виброускорения от частоты в контрольной точке при задании гармонической вибрации по оси OX:

а) суммарное виброускорение, б) виброускорение по оси OX

в) г)

Рис. 5. Зависимость виброускорения от частоты в контрольной точке при задании гармонической вибрации по оси OX:

в) виброускорение по оси OY, г) виброускорение по оси OZ

б)

а)

Рис. 8. Зависимость виброускорения от частоты в контрольной точке пр 'дании гармонической вибрации по оси OZ:

в) виброускорение по оси OY, г) виброускорение по оси OZ

Рис. 7. Зависимость виброускорения от частоты в контрольной точке пр 'дании гармонической вибрации по оси OZ:

u>

а

Си

с

а

й

й

ТО

Ї

С

Й

й

й

то

то

Й

с

й(

то

й

^з

с

4S

й

й

Й

С

с

то

й

О

3

Jg

^3

Й

с

то

то

й

то

Й

то

Й

й

то

vO>

то

й

Сл

^3

й

то

On

Со

с

то

й

то

I

с

то

О4

то

й

то

Й

то

Й

§

й

с

то

О4

*~«4

то

Й

с

Й

§

О4

Й

с

й(

с

й

Й

то

JS

^3

й

что

ЧТО

Расчетные напряжения в корпусе прибора при воздействии гармонической (максимальное значение - 23,9 106 Па) и случайной вибрации (максимальное значение - 35,6 106 Па) меньше максимально допустимых значений по ТУ на материал конструкции корпуса (58,8  106 Па).

Расчетные напряжения в корпусе блока при воздействии многократных механических ударных нагрузок (17,9106 Па) значительно меньше максимально допустимых значений по ТУ на материал конструкции корпуса (58,8 106 Па).

Максимальные напряжения возникают в лапках в местах крепления основания прибора, а также в стойках в местах крепления.