Исследование динамических характеристик микросборок приборных устройств при вибрационных воздействиях

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 531.3:681.2.08

А. Н. Литвинов, О. Ш. Хади

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОСБОРОК ПРИБОРНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Аннотация.

Актуальность и цели. Математическое моделирование динамических процессов элементов микросборок приборных устройств является актуальной проблемой, позволяющей на ранних этапах проектирования принимать конструкторско-технологические решения для обеспечения требуемого уровня вибропрочности и виброустойчивости микросборок в эксплуатационных режимах. Целью работы является повышение надежности и обеспечение тактикотехнических характеристик приборных устройств конструкторско-технологическими способами.

Материалы и методы. Микросборка рассматривается как пространственная гетерогенная структура, подверженная вибронагружению. Моделирование динамических процессов в элементах микросборки выполнено численными методами конечных элементов с использованием программного пакета ANSYS.

Результаты. Разработан комплекс моделирующих программ и выполнено численное исследование спектра собственных частот и напряженно-деформированного состояния элементов микросборки при вибрационном нагружении. Исследовано влияние различных типоразмеров микросборк на формы колебаний и спектр собственных частот, а также положение наиболее нагруженных зон элементов микросборок, в которых возможно возникновение и развитие латентных дефектов.

Выводы. Проведенные численные исследования показали, что для обеспечения виброустойчивости и стабильности метрологических характеристик микросборок необходимо на этапе их проектирования проводить математическое моделирование состояния элементов микросборок при реальных эксплуатационных воздействиях.

Ключевые слова: микросборка, гетерогенная структура, собственные частоты, форма колебаний, напряженно-деформированное состояние, виброустойчивость, вибропрочность, приборные устройства.

A. N. Litvinov, O. Sh. Khadi

RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF MICROASSEMBLIES OF INSTRUMENT DEVICES AT VIBRATION INFLUENCES

Abstract.

Background. Mathematical modeling of dynamic processes microassemblies’ elements of instrument devices is an urgent problem, allowing to make design and

134

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

technological solutions at early stages of design to ensure the required level of vibration strength and stability of microassemblies in operating conditions. The aim of this work is to improve reliability and performance characteristics of devices, instrument design and technological methods.

Materials and methods. A microassembly is considered as a spatial heterogeneous structure, subjected to vibration loading. Modeling of dynamic processes in microassembly’s elements was performed by numerical methods of finite elements using the ANSYS software package.

Results. The authors developed a complex of modeling software and numerically researched the spectrum of natural frequencies and the stress-strain state of microassembly’s elements under vibration loading. The researchers studied the effect of various dimension types of microassemblies on oscillation forms and the spectrum of natural frequencies, as well as the position of the most loaded zones of microassembly’s elements, in which there is a possibility of latent defects emergence and development.

Conclusions. The numerical studies have shown that in order to provide vibration resistance and stability of metrological characteristics of microassemblies, it is necessary to carry out mathematical modeling of microassembly’s elements at the design stage under real operational impacts.

Key words: microassembly, heterogeneous structure, natural frequencies, oscillation form, stress-strain state, vibration resistance, vibration strength, instrument device.

Введение

Одной из важнейших задач развития научных основ конструирования и технологии изготовления изделий различного назначения является создание адекватных математических моделей, описывающих состояние конструкций и их отдельных элементов в процессе их производства, испытаний, транспортировки, хранения и эксплуатации. Анализ отказов изделий и их составных частей позволяет утверждать, что основными являются статические, динамические и тепловые воздействия, возникающие на всех стадиях жизненного цикла изделия [1, 2].

Анализ конструктивных особенностей современных изделий приборостроения и их составных частей показывает, что большинство из них представляет собой гетерогенные структуры, сочетающие в себе материалы с различными физико-механическими свойствами, обеспечивающими требуемую надежность и безопасность изделия в заданных режимах эксплуатации [3, 4]. Для исследования процессов, происходящих в структурах этих изделий под действием внешних факторов, необходима разработка математических моделей и комплексов проблемно ориентированных программ для проведения вычислительных экспериментов, позволяющих адекватно описывать процессы и напряженно-деформированное состояние (НДС) на всех этапах их жизненного цикла.

1. Модель для исследования динамических характеристик

Рассмотрим микросборку прямоугольного типа, имеющую широкое практическое применение в приборостроении и изделиях радиоэлектроники. На одной или нескольких гранях внутри микросборки размещаются платы с резистивными элементами, обеспечивающие требуемые выходные параметры микросборки. Эти микросборки представляют собой многослойные гетерогенные системы, которые в процессе их изготовления и эксплуатации под-

Engineering sciences. Machine science and building

135

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

вергаются тепловым и механическим воздействиям. Для проверки герметичности при изготовлении они подвергаются технологической опрессовке внешним избыточным давлением, под действием которого происходит деформация граней корпуса и плат с резистивными элементами, что вызывает изменение их метрологических параметров.

Для анализа НДС таких микросборок и их элементов предложены различные модели, позволяющие исследовать их состояние при технологический опрессовке корпусов и научно-обоснованно определять предельно допустимое давление с учетом их конструктивных особенностей [5, 6]. Аналогичные исследования проведены и при тепловых технологических и эксплуатационных воздействиях на микросборки [7]. Вопросы моделирования и исследования динамических процессов, происходящих в микросборках при вибрационном воздействии, в настоящее время исследованы недостаточно [8].

Рассмотрим внешнее динамическое воздействие на микросборку. Типовая конструкция микросборки прямоугольного типа показана на рис. 1. Микросборка крепится к изделию винтами в четырех точках и имеет габаритные размеры корпуса по осям x, y, z соответственно a*b*H, где a*b - размеры в плане; H - высота корпуса. На основании корпуса (рис. 1,б) расположена плата, имеющая толщину h и размеры в плане ап*Ьп. Плата крепится к основанию паяным или клеевым швом толщиной hm. Материал платы характеризуется модулем Еп и коэффициентом Пуссона vn, а материал шва модулем сдвига Ош и коэффициентом Пуссона v^

Рис. 1. Конструкция микросборки; а - общий вид; б - основание с платой:

1 - основание; 2 - шов; 3 - плата

В общем случае считается, что грани корпуса микросборки изготовлены из различных материалов, механические свойства которых характеризуются модулями упругости Ej и имеют толщины hj, где j = 1, 2, ..., 6 - номер грани. Для определенности будем считать, что j = 6 соответствует крышке корпуса, j = 1 - основанию с платой, j = 2, ..., 5 - боковым стенкам корпуса.

Считается, что на микросборку со стороны корпуса изделия в направлении z действует гармоническая вибрация, при которой в процессе эксплуатации возможны резонансные явления, возникающие в элементах микросборки (крышка, боковые стенки, основание, плата, шов).

136

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

В качестве адекватной модели, позволяющей исследовать динамические процессы в элементах микросборки, используется пространственная модель микросборки в виде гетерогенной структуры с использованием метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ANSYS аналогично [6]. Такая модель позволяет учитывать взаимное влияние граней корпуса, реальные размеры плат и их места расположения на гранях, а также влияние физико-механических характеристик применяемых материалов плат, шва и граней корпуса. Модель позволяет учитывать наличие внутри корпуса нескольких многослойных плат, в том числе расположенных на разных гранях корпуса, что может приводить к отсутствию симметрии в конструкции микросборки и усложнению ее НДС. Предложенная модель является пространственной и наиболее общей по сравнению с моделями, представленными в [2].

2. Результаты численных исследований

На основании предложенной модели исследованы динамические характеристики различных типоразмеров микросборок. Установлено, что формы колебаний микросборок, их собственные частоты и места расположения наиболее нагруженных зон их элементов, где возможно возникновение и развитие дефектов, существенно зависят от массогабаритных размеров микросборок и особенностей их конструктивного исполнения: количества и размеров плат, высоты микросборки. В частности, при увеличении высоты микросборки проявляются изгибно-крутильные формы собственных колебаний, при которых наиболее нагруженными являются зоны, расположенные на проушинах, через которые микросборка крепится к изделию. Это связано со смещением центра масс микросборки при увеличении ее высоты.

В качестве примера приведем некоторые результаты численного моделирования динамических характеристик для микросборки, имеющей следующие размеры: a*b*H = (36^24x5) мм. Плата расположена в центре основания и крепится к нему клеем ВК-9. Корпус изготовлен из сплава 29НК (Ej = 1,4 • 105 МПа, v = 0,3 при j = 1, 2, ..., 6); плата - из ситалла (Еп = = 9,693 • 105 МПа, vH = 0,25), а свойства шва характеризуются модулем сдвига Gm = 1000 МПа. Толщины элементов микросборки приняты следующими: hj = 0,4 мм (при j = 1, 2, ..., 6); h = 0,6 мм; hm = 0,1 мм. Рассмотрены два варианта микросборки:

- I вариант: плата имеет размеры an*bn = (30x20) мм;

- II вариант: плата имеет размеры an*bn = (15x10) мм.

В табл. 1 для рассматриваемых микросборк приведены значения первых восьми собственных резонансных частот и указаны наиболее нагруженные резонирующие элементы микросборки, соответствующие каждой частоте.

Анализ пространственной анимационной картины деформаций элементов конструкций микросборок показал:

- основными резонирующими элементами являются крышка и основание с платой;

- основными формами колебаний крышки и основания с платой являются их изгибные колебания;

- на частотах, отмеченных звездочкой (*), наблюдаются изгибно-крутильные колебания всей микросборки относительно оси х: для микросборки I f = f = 10938 Гц, а для микросборки II изгибно-крутильные колебания имеют место на более высокой частоте f = f14 = 14967 Гц (рис. 2);

Engineering sciences. Machine science and building

137

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

- значения резонансных частот элементов микросборки и соответствующие им формы колебаний наиболее нагруженных элементов существенно зависят от размеров платы, установленной на основании. При уменьшении размеров платы величины резонансных частот уменьшаются, так как приведенная жесткость основания с платой уменьшается;

- наиболее опасными являются резонансные явления, возникающие в основании с платой, так как в этом случае возможно возникновение и развитие дефектов в виде микротрещин в клеевых (или паяных) швах, а также ухудшение метрологических характеристик микросборки из-за повышенной деформации резистивных элементов, расположенных на поверхности платы.

Таблица 1

Собственные частоты f и резонирующие элементы микросборки

Номер частоты j Микросборка I Микросборка II

f (Гц) Элемент f (Гц) Элемент

i 3252 крышка 3210 крышка

2 5234 крышка 4028 крышка и основание с платой

3 5671 основание с платой 5181 крышка и основание с платой

4 7362 крышка 6286 крышка и основание с платой

5 8478 крышка 7301 крышка и основание с платой

6 10010 крышка 8454 крышка

7 10125 основание с платой 8769 крышка и основание с платой

8* 10938 крышка и основание с платой 9953 крышка

Рис. 2. Изгибно-крутильные колебания микросборки I

На рис. 3 для микросборки II показаны первые пять форм колебаний, характеризующиеся вертикальными прогибами в направлении оси z. Боковые стенки корпуса на рис. 3 условно не показаны.

138

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Рис. 3. Формы колебаний для микросборки II

На рис. 4 для первых пяти форм собственных колебаний представлено НДС основных элементов микросборки II и показаны точки, в которых эквивалентные напряжения, рассчитанные по критерию Мизеса [2], достигают максимальных значений. Амплитуда ускорения, действующая на микросбор-

Engineering sciences. Machine science and building

139

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

ку в направлении оси z, принята 10g, (g - ускорение свободного падения). Боковые стенки микросборки на рис. 4 условно не показаны.

Рис. 4. НДС элементов микросборки II

Численное моделирование НДС, проведенное для различных типоразмеров микросборок, показало:

140

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

- наиболее нагруженными элементами микросборки в зависимости от внешнего частотного воздействия являются крышка, основание, плата и шов, соединяющий плату с основанием;

- НДС существенно зависит от геометрических размеров корпуса и платы, а также частоты внешнего воздействия;

- положение наиболее нагруженной зоны конструкции существенным образом определяется формой колебаний, реализуемой в элементах конструкции при динамическом воздействии, а также размерами платы и корпуса микросборки.

С точки зрения обеспечения надежности микросборки при эксплуатационных динамических воздействиях наибольший интерес представляет анализ НДС платы, шва и основания микросборки, который позволяет определить зоны возможного образования латентных дефектов уже на ранних этапах конструкторской разработки микросборок и принять соответствующие конструкторско-технологические решения, обеспечивающие вибропрочность конструктивных элементов и микросборки в целом.

Анализ НДС платы позволяет определять наименее деформируемые зоны на поверхности платы, в которых рекомендуется размещать тензорези-стивные элементы для уменьшения метрологической погрешности микросборки при внешнем динамическом воздействии.

Заключение

Разработка и применение математических моделей и программноориентированных вычислительных комплексов позволяет на ранних этапах проектирования и разработки технологических процессов изготовления обеспечивать требуемую надежность и виброустойчивость проектируемых конструкций микросборок, которые обеспечивают заданные тактико-технические характеристики изделий в эксплуатационном режиме. Выбор расчетной математической модели и ее уровня сложности (одномерная, двумерная, трехмерная, учет гетерогенности и других конструктивных особенностей) определяется свойствами и требуемой точностью анализа НДС проектируемой конструкции.

Список литературы

1. Hadi, A. Sh. Study of layer structures in the devices of instrument engineering for increasing safety in the process of their operational lifetime / A. Sh. Hadi, A. N. Litvinov // ISJ theoretical & applied Science. - 2015. - № 4 (24). - P. 101-107.

2. Литвинов, А. Н. Моделирование динамических процессов в изделиях приборостроения : моногр. / А. Н. Литвинов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - 196 с.

3. Шикина, В. Е. Расчет частоты колебаний пьезокерамического первичного преобразователя для массового расходомера жидкостей / В. Е. Шикина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2014. - № 1 (29). - С. 54-63.

4. Талибов, Н. А. Исследование влияния вибрационных воздействий на волноводно-щелевую антенну / Н. А. Талибов, А. Н. Якимов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4 (16). -

С. 89-96.

5. Хади, О. Ш. Моделирование напряженно-деформированного состояния корпусов микросборок в процессе их изготовления и эксплуатации / О. Ш. Хади,

Engineering sciences. Machine science and building

141

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

А. Н. Литвинов // Динамика и прочность : избр. тр. Всерос. науч. конф. по проблемам науки и технологий. - М. : РАН, 2013. - С. 3-26.

6. Хади, О. Ш. Исследование НДС микросборок при технологической опрессовке в программном комплексе ANSYS / О. Ш. Хади, А. Н. Литвинов // Инженерные исследования и достижения - основа инновационного развития : материалы IV Всерос. науч.-практ. конф. - Рубцовск : Изд-во Рубцовского индустр. ин-та, 2014. - С. 87-94.

7. Литвинов А. Н. Исследование состояния плат радиоэлектронных систем при тепловых воздействиях / А. Н. Литвинов, О. Ш. Хади, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. -№ 2 (34). - С. 182-191.

8. Урюпин, И. С. Разработка методики повышения надежности несущих конструкций радиоэлектронной аппаратуры на этапе проектирования / И. С. Урюпин, А. С. Шалумов // Динамика сложных систем. - 2012. - Т. 6, № 2. - С. 5-22.

References

1. Hadi A. Sh., Litvinov A. N. ISJ theoretical & applied Science. 2015, no. 4 (24), pp. 101-107.

2. Litvinov A. N. Modelirovanie dinamicheskikh protsessov v izdeliyakh priborostroeni-ya: monogr. [Modeling of dynamic processes in instrument products: monograph]. Penza: Izd-vo PGU, 2011, 196 p.

3. Shikina V. E. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhniches-kie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2014, no. 1 (29), pp. 54-63.

4. Talibov N. A., Yakimov A. N. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2010, no. 4 (16), pp. 89-96.

5. Khadi O. Sh., Litvinov A. N. Dinamika i prochnost’: izbr. tr. Vseros. nauch. konf. po problemam nauki i tekhnologiy [Dynamics and strength: proceedings of the All-Russian scientific conference on scientific and technological problems]. Moscow: RAN, 2013, pp. 3-26.

6. Khadi O. Sh., Litvinov A. N. Inzhenernye issledovaniya i dostizheniya - osnova inno-vatsionnogo razvitiya: materialy IV Vseros. nauch.-prakt. konf. [Engineering research and achievements - the basis of innovative development: proceedings of IV AllRussian scientific and practical conference]. Rubtsovsk: Izd-vo Rubtsovskogo industr. in-ta, 2014, pp. 87-94.

7. Litvinov A. N., Khadi O. Sh., Yurkov N. K. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2015, no. 2 (34), pp. 182-191.

8. Uryupin I. S., Shalumov A. S. Dinamika slozhnykh system [Dynamics of complex systems]. 2012, vol. 6, no. 2, pp. 5-22.

Литвинов Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, кафедра теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет

E-mail: litvinov@pnzgu.ru

Litvinov Aleksandr Nikolaevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

142

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Хади Одей Шакер

аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: aodayshaker@mail.ru

Khadi Odey Shaker Postgraduate student, Penza State University

УДК 531.3:681.2.08

Литвинов, А. Н.

Исследование динамических характеристик микросборок приборных устройств при вибрационных воздействиях / А. Н. Литвинов, О. Ш. Хади // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 3 (35). - С. 134-143.

Engineering sciences. Machine science and building

143