Защита электронной аппаратуры от ударных воздействий с помощью полимерных компаундов

УДК 621.396.2

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ОТ УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПАУНДОВ

Белов Д.И.

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир

Рассматриваются вопросы применения полимерных компаундов для заливки блоков электронной аппаратуры (ЭА) с целью их защиты от механических ударов высокой интенсивности. Показана, перспективность использования вязкоупругих материалов с повышенными демпфирующими свойствами.

The application of polymer compounds to fill the components of an electronic apparatus (EA) in order to protect them from mechanical shock of high intensity. Shows, the viability of the use of viscoelastic materials with high damping properties.

Электронная аппаратура (ЭА) широко применяется в военной и космической технике. Надежность и точность ракетных комплексов напрямую зависит от таких её электронных составляющих, как система навигации, блок управления, взрыватель и др. [1] Во время эксплуатации данная аппаратура подвергается интенсивным ударным воздействиям, амплитуда ускорений которых может достигать от 80 “g” до

100000 “g” [2].

Для обеспечения удароустойчивости и ударопрочности ЭА, часто применяют заливку её узлов и блоков полимерными компаундами. Однако неправильный выбор заливочного материала может привести к увеличению перегрузок действующих на электрорадиоэлементы. [3] В связи с этим, важным вопросом при проектировании ЭА, входящей в состав военной техники, является определение механических характеристик полимерного компаунда, способного обеспечить максимально эффективную ударозащиту.

Для определения стойкости ЭА к ударным воздействиям необходимо проводить специальные испытания. При этом подбор необходимого заливочного материала может значительно увеличивать их продолжительность. Как следствие этого, увеличиваются затраты на разработку ЭА, так как воспроизведение ударов большой интенсивности требует изготовления дорогостоящих макетов и использование уникальных установок. Поэтому при разработке такой аппаратуры, необходимо сводить испытания к минимуму, заменяя их моделированием с использованием различных математических методов и программных средств, в частности, системы конечно-элементного анализа (СКЭА) ANSYS [4].

При использовании ANSYS конструктор работает с виртуальной моделью ЭА. Данная модель не должна быть слишком детализирована, но в тоже время отображать наиболее значимые конструктивные особенности. Использование очень сложных конструкций может приводить к тому, что в ней будут недопустимые в СКЭА элементы или процесс её расчета будет занимать большее время. Важно, чтобы модель ЭА была удобной как для её восприятия конструктором, так и для её моделирования в ANSYS. В связи с этим целесообразно проводить расчеты типовых конструкций ЭА, которые могут применяться за основу (базу) для создания других, аналогичных или близких по конструктивному исполнению. Результатом таких исследований являются динамические характеристики конструкции, определяющие её ударопрочность и удароустойчивость. Особенно важно знать ускорения, возникающие в печатных платах ЭА, так как на них устанавливаются электрорадиоэлементы.

На рисунке 1 представлено изображение типового блока ЭА. Его динамические характеристики при воздействии механического удара были рассчитаны в СКЭА ANSYS. Данный блок представляет собой конструкцию с жестким креплением трех печатных плат к корпусу. Размер печатных плат, выполненных из стеклотекстолита - 0,15х0,1х0,0015 м. Высота корпуса, выполненного из алюминия составляет 0,05 м, а толщина его стенок 0,0025 м. Механические свойства блока ЭА задавались соответственно таблице 1. Механический удар представляется в виде одиночного импульса ускорения в форме полуволны синусоиды с амплитудой ускорения 1140g и длительностью 1 мс.

Воздействию подвергалось основание блока. Общее время исследования составляло 4 мс для возможности анализа состояния конструкции после прекращения действия ударного импульса. Отклик конструкции рассчитывался в центральной точке верхней печатной платы в виде временной зависимости ускорений (рисунок 2).

Таблица 1. Механические свойства материалов блока ЭА.

Конструкционный элемент Модуль упругости, Н/м2 Коэффициент Пуассона Плотность, кг/м3 Коэффициент механических потерь

Печатная плата 31010 0,22 2050 0,05

Корпус 6,9109 0,33 2700 0,05

Как видно из приведенного графика, максимальное ускорение в центральной точке верхней печатной платы исследуемого блока ЭА возрастает более чем в 2 раза, примерно до 2400 g. После прекращения действия удара наблюдаются периодические колебания. Важно отметить, что амплитуда второй волны отклика конструкции практически равна амплитуде первой волны и колебания на исследуемом временном отрезке практически не затухают.

Далее проводилось аналогичное исследование при заливке конструкции полимерным компаундом с различными механическими свойствами. Изменялись модули упругости заливочных материалов, а также их коэффициенты механических потерь.

По приведенным результатам исследования были построены графики зависимости амплитуды ускорения конструкции ЭА от модуля упругости полимерного компаунда. Данные график представлен на рисунках 3. Для наглядности представления данных, имеющих различные степени, на графике используется логарифмическая шкала абсцисс (модуль Юнга заливочного компаунда).

Как видно из приведенных данных, использование полимерного компаунда в конструкции исследуемого блока позволяет существенно снизить его динамические характеристики. Заливочные материалы с модулем упругости от 10 Н/м и выше снижают действующие ускорения практически до уровня воздействующей ударной нагрузки.

Далее проводилось аналогичное исследование с использованием заливки

п

конструкции полимерным компаундом с модулем упругости 10 коэффициентом механических потерь 0.5. Результаты представлены на рисунке 4.

Как видно из приведенных графиков, увеличение КМП полимерного компаунда в 10 раз привело к незначительному уменьшению значений амплитуды изменения ускорений в конструкции. Таким образом, коэффициент передачи конструкции при ударном воздействии оказался равным ~ 1.03. При этом необходимо отметить, что с применением полимерного компаунда, коэффициент затухания ускорений значительно возрастает. Так, при использовании заливочного материала с модулем упругости = 10 Н/м и КМП = 0,5, колебания, возникающие после воздействия удара, затухают практически за 3 мс. Ускорения с амплитудой, близкой к амплитуде ударного импульса, будут действовать в исследуемой точке конструкции не более 1 мс.

Таким образом, наиболее эффективным полимерным компаундом для защиты исследуемого блока ЭА от ударного воздействия оказался материал с модулем упругости 107 Н/м2. Такой материал, по своему физико-механическим свойствам, соответствует вязкоупругому состоянию компаунда. Так же важно, чтобы он обладал высоким коэффициентом механических потерь.

Список литературы

1. Асанин В. Ракеты отечественного флота РОО / В. Асанин. М.: Техинформ, 2010. - 311 с.

2. Федоров В.К., Сергеев Н.П., Кондрашин А.А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств / В.К. Федоров. М.: Техносфера, 2005. - 502 с.

3. Талицкий Е.Н., Романов А. В. К вопросу о выборе полимерных компаундов для защиты ЭА от ударных воздействий: Труды Международной конференции ПТСПИ. - Владимир, 2009.

4. Морозов, Е.М. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. 2-е изд. / Е.М. Морозов, А.Ю. Муйземнек и др. - М.: ЛЕНАНД, 2010. - 456 с.

Рис. 1. Исследуемый блок ЭА

Ускорение,

м/с*с

Время,с

Рис. 2. Результат эксперимента при ударном воздействии с амплитудой 1140g

Рис. 3. Изменение амплитуды ускорения конструкции при ударном

воздействии:

1 - при заливке конструкции компаундами с различным модулем упругости; 2 - амплитуда исходного ударного импульса;

3 - амплитуда ускорения конструкции без заливки компаундом

Ускорение,

КМП=0,05

КМП=0,5

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005

Время,с

Рис. 4. Изменение ускорений в исследуемой точке конструкции при различных

КМП полимерного компаунда