Исследование влияния деформационной составляющей внешнего вибрационного воздействия на надёжность радиоэлектронных средств

УДК 517.958:52/59

Затылкин А.В., Голушко Д.А., Рындин Д.А.

ПГУ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВНЕШНЕГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НАДЁЖНОСТЬ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Аннотация. В статье показан механизм возникновения деформационной составляющей внешнего вибрационного воздействия в пластинчатых конструкциях РЭС. Получена зависимость величины фазового сдвига вибрации в точках крепления пластины от частоты вибрационного воздействия, показавшая, что наличие именно деформационной составляющей наиболее сильно влияет на появление повреждений, влекущих образование субмикроскопических, а затем и микроскопических трещин (протяженностью 0,1-0,5 мм) в проводниках печатных плат РЭС. Сделан вывод о необходимости учета деформационной составляющей вибрационного воздействия при проведении испытаний РЭС на воздействие внешних механических факторов.

Ключевые слова. Вибрация, деформационная составляющая, испытания, трещины, фазовый сдвиг.

Введение

В настоящее время задача повышения надежности радиоэлектронных средств (РЭС), устанавливаемой на подвижных носителях является актуальной. Это обусловлено повышением нагрузок на бортовые РЭС с одной стороны (повышение маневренности, дальности действия наземного транспорта, авиации, ракетно-космических систем и т.д. ) и увеличением требований к их функциональным возможностям (увеличение степени интеграции элементов, уменьшение массогабаритных показателей и т.д.).

Во всем мире и в России, в том числе многие ученые уделяют решению этой задачи немало внимания. В процессе разработки и производства РЭС подвергаются различным видам испытаний на воздействие внешних факторов. Эти испытания являются одной из наиболее трудоемких и дорогостоящих процедур программы обеспечение качества и надежности. Так, например, в комплексе государственных военных стандартов "Мороз-6" (введен в действие с 1999 года) включены 5 категорий контрольных испытаний (предварительные и государственные опытных образцов, периодические, приемосдаточные и типовые серийной продукции) и 55 видов испытаний, в том числе 22 на воздействие климатических и 19 механических факторов, а также испытания на надежность безотказность, долговечность и сохраняемость [1].

Для количественной оценки безотказности изделий, анализ распределения количества повторяющихся неисправностей по наработке на отказ позволяет выявить закономерности физических процессов развития эксплуатационных повреждений и установить их причины. По оценкам Российских ученых количество отказов РЭС оказавшихся в реальных условиях эксплуатации доходит до 30%, при этом до 40% всех отказов происходит из-за негативного влияния внешних вибрационных воздействий [2].

В процессе выполнения программы Spase Shuttle в специализированной лаборатории ВВС США были проведены исследования, которые показали, что средняя наработка на отказ электронного оборудования, определяемая в заводских условиях, может в 20 раз превышать фактические значения, полученные в условиях эксплуатации (в среднем - в 6 раз) [3].

Анализ результатов испытаний на устойчивость к вибрации простейших элементов конструкций РЭС (стержней и пластин) показал, что с ростом частоты вибровоздействия повышается вероятность его механического повреждения [4].

Математический аппарат волновых уравнений

Для выяснения причин попробуем разобраться в том, что же происходит с текстолитовой пластиной закрепленной

Уравнением волны называется выражение, которое дает смещение колеблющейся точки как функцию ее координат (x, y, z) и времени t. В случае, когда скорость волны и во всех направлениях постоянна, а источник точечный, волна называется сферической. В этом случае амплитуда колебаний, даже если волна не поглощается средой, будет не постоянной, а обратно пропорциональной расстоянию (г) от источника, что следует из рассмотрения энергии, переносимой волной. Уравнение сферической волны имеет вид:

£- к • х+^0)

r

где Ао - амплитуда источника; о - частота источника; фо - фаза источника колебаний; к -волновое число.

Уравнение (1) неприменимо для малых г, т.к. при г ^ 0, Е, ^ ~, а справедливо на больших расстояниях от источника (по крайней мере, больше длины волны) [5].

Проведение численного эксперимента

Объектом исследования является пластина (стеклотекстолит), закрепленная на сплошном стальном основании резьбовыми бонками в четырех точках с помощью винтового соединения. Предметом исследования являются динамические характеристики пластинчатых конструкций (в частности, значения критических частот, выявленных в процессе испытаний). Критическая частота: частота на

которой в зависимости от уровня вибрации появляется эффект неправильного функционирования образца или ухудшение его эксплуатационных характеристик или наблюдаются механические резонансы или другие эффекты, связанные с вибрацией, например дребезжание[6].

В ходе теоретических экспериментов были проведены расчёты воздействия удаленного источника вибрации на исследуемый объект (рис. 1). В виде объекта исследования была пластина стеклотекстолита 12х18х0,2 см. Средой распространения гармонического воздействия являлась сталь. Источник колебаний находился на расстоянии 1,3 м (точка №1 крепления объекта исследования), 1,34 м (точка №2 точки), 1,48 м (3 точка), 1,52 м (4 точки).

Рисунок 1 - Схема воздействия удаленного источника вибрации на исследуемый объект В ходе теоретического эксперимента была исследована зависимость фазочастотных характеристик вибрации возникающей в точках крепления исследуемого объекта. На рисунке 1 показаны сигналы вибрационного воздействия возбуждаемого во всех точках крепления исследуемого объекта относительно источника вибрации на частотах 200Гц и 2кГц. Расчёты показали, что на частоте от 1 000 Гц и выше между 1 и 4 точками крепления наблюдается разность фаз - более 60° (рис. 2). и

.6° 05 АШ) 025 A2(D АЗ(1)-0.25 А4(1) -0.5 -0.75 -1

а)

0 . а V 1 Ю \г 7 2 Ю 2 50 \ 3 ю ;

\ V /

", ч

Рисунок 1 - Смещение фаз вибрационного воздействия в точках крепления пластины

Рисунок 2 -Зависимость величины фазового сдвига в наиболее удаленных точках крепления исследуемой пластины от частоты внешнего вибрационного воздействия

На рисунке 1 видно, что колебания точек (А1-А4) смещены не только относительно источника вибрации (А0), но и относительно друг друга (частота 2 кГц). Очевидно, что наибольшее смещение оказалось между точками А1 и А3. Это смещение равно 55% от амплитудного.

Дальнейшее повышение частоты внешнего воздействия приводит к увеличению фазового сдвига в точках крепления пластины (рис. 2) и даже может привести к разности фаз 18 00, т.е. колебанию точек крепления в противофазе (!) друг относительно друга.

Анализ возможных последствий присутствия деформационной составляющей вибрационного воздействия в РЭС.

Спектр критических частот определяется частотной зависимостью затухания акустических колебаний в материале, размерами и формой образца, координатами источника и приемника сигнала, а так же характером процесса возбуждения. Действие переменных напряжений и наличие деформаций приводит к изменению свойств, образованию трещин и разрушению материала. Особенного внимания заслуживает тот факт, что развитие трещин идет особенно интенсивно, если напряжения изменяются не только по величине, но и по знаку [7].

Механизм появления трещин заключается в следующем. Если уровень переменных напряжений превышает некоторый предел, то в материале детали происходит процесс постепенного накопления повреждений, который приводит к образованию субмикроскопических трещин. По мере наработки длина этих трещин увеличивается, затем они объединяются, образуя первую микроскопическую трещину,

под которой понимается трещина протяженностью 0.1-0.5 мм. У корня этой трещины возникает местное увеличение напряжений, которое облегчает ее дальнейшее развитие. Трещина, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает в некоторый момент времени внезапное разрушение детали, которое нередко связано с авариями и тяжелыми последствиями.

Выводы

Как видно, действие этих сил приходит на рабочий диапазон частот бортовых РЭС. Современные виброиспытательные установки не учитывают их воздействия только инерционную составляющую. Поэтому вибрационное воздействие воспроизводимое при испытаниях наиболее полно должно соответствовать реальным условиям эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Луговской, С. В. Методы и средства испытаний и отработки бортовых электронных средств летательных аппаратов на надежность и стойкость к воздействию внешних факторов на этапах их разработки и производства: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.12.04.- Москва, 2003.- 146 с. РГБ ОД, 61 03-5/3785-7.

2. Остроменский, П.И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов / П.И. Остроменский // Новосибирск: изд. Новосиб. ун-та, 1992.- 173с.

3. Jerry G. Schlagheck. Dinamic Analysis of Electronic Assemblies. Proc. Jnstitute of Envi-onmental Sciences. 1986, p.128-131.

4. Physbook.ru [Электронный ресурс] Учебник физики. Режим доступа:

http://www.physbook.ru/index.php/Слободянюк_А.И._Физика_10.

5. ГОСТ 30630.1.8-2002 стр.2

6. Агамиров, Л.В. Сопротивление материалов: Краткий курс. Для студентов ВУЗов / Л.В. Агами-ров - М.: ООО «Издательство Астрель»; ООО «Издательство АСТ», 2003г. - 256с.

7. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л. Критерий обнаружения объектных фрагментов штрихового

изображения в полутоновом. — Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в

2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011, С. 310-312.

8. Затылкин, А.В. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А. В. Затылкин, А.В. Лысенко, Д.А. Голушко, Д.А. Рындин, Н.К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : Периодическое научное издание - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. Спецвыуск - С. 63-67 С.

9. Юрков, Н.К. Синтез автоматизированной системы оценивания качества пилотирования на авиационном тренажере/Н.К.Юрков, А.И.Годунов, Ю.Г. Квятковский //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 58-64

10. Затылкин, А.В. Моделирование изгибных колебаний в стержневых конструкциях РЭС / А.В. Затылкин, Г.В. Таньков, // Надежность и качество: Труды международного симпозиума / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2006, с. 320-323.

11. Лысенко, А.В. Структура и программно-информационное обеспечение информационноизмерительного лабораторного комплекса / А.В. Лысенко, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 130. № 5. С. 169-173.

12. Ольхов, Д. В. Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин, Н.К. Юрков // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. № 5. - С. 94-99.

13. Затылкин, А.В. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В. Затылкин, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та,

2012. - С. 365-366.

14. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во

ПГУ, 2013. - 108 с.

15. Кочегаров И.И. «Межсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания РЭС» // Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества: Материалы научно-практической конференции.-М.:МИЭМ, 2004- С. 130-136.

16. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367