Введение к работе
Актуальность работы. Радиотехнические устройства (РТУ), установленные на подвижных, а в некоторых случаях и стационарных объектах в процессе эксплуатации могут подвергаться интенсивному воздействию вибраций в широком диапазоне частот (до 2000 Гц). При этом надежность таких устройств может снижаться во много раз за счет появления резонансных колебаний, при которых амплитуды колебаний конструкций РТУ возрастают в десятки раз, что значительно превышает допустимые. Поэтому задача снижения амплитуды резонансных колебаний ячеек является актуальной, особенно для разработчиков РТУ аэрокосмического назначения.
Практически единственным способом уменьшения амплитуды резонансных колебаний (АРК) в таком диапазоне частот, является увеличение демпфирующих свойств конструкции, за счет введения дополнительных элементов (демпферов), выполненных на основе вибропоглощающих полимеров. Полимерные демпферы могут быть выполнены в виде демпфирующих слоев (внутренних или внешних), демпфирующих вставок, демпфирующих ребер и других конструктивных решений.
Исследования по данной тематике и практическая реализация демпферов в конструкциях РТУ представлены в работах J.E. Ruzicka, А. Нашифа, Д. Джоун- са, Е.Н. Талицкого, Дж. Хендерсона, Э.Б. Слободника и др. Применение полимерных демпферов в качестве демпфирующих слоев позволяет значительно уменьшить амплитуду резонансных колебаний, существенно не увеличивая мас- согабаритные характеристики конструкции РТУ.
Одним из сдерживающих факторов в развитии данного вида защиты РТУ от вибрационных воздействий в нашей стране, является отсутствие отечественных вибропоглощающих полимеров (ВП), которые могут быть использованы во всем температурном диапазоне эксплуатации бортовой аппаратуры ракетной и авиакосмической техники в качестве демпфирующих слоев.
В этом случае эффективность подавления амплитуд резонансных колебаний зависит не только от вибропоглощающих свойств материала, но и от деформации демпфирующих слоев, а, следовательно, от упругих свойств материалов демпфирующего и конструкционных слоев. Стоит отметить, что экспериментальная доработка конструкций требует значительных затрат времени, вследствие чего сроки проектирования конструкции РТУ и ее себестоимость увеличивается. Поэтому для определения требований к вибропоглощающим материалам в таких конструкциях необходимы математические модели или методики, позволяющие рассчитывать конструкции различной конфигурации и способов крепления. Однако, существующие математические модели и методики пригодны только для расчета плоских прямоугольных конструкций с простейшими способами крепления (свободное опирание и жесткое защемление) при воздействии гармонической и случайной вибрации.
Для расчета конструкций c полимерными демпферами могут быть использованы системы конечно-элементного анализа (СКЭА), типа ANSYS, NASTRAN, SW Simulation. Однако, данные СКЭА рассчитаны на обобщенное применение во многих сферах деятельности, поэтому для специализированных задач, таких как анализ и проектирование ячеек РТУ с демпфирующими слоями их применение затруднено. Одним из моментов, вызывающих трудности при расчете ячеек РТУ с демпфирующими слоями в СКЭА, является определение демпфирующих свойств конструкции. При некорректном определении ошибка при расчете может составлять 30 и более процентов. Это вызывает необходимость разработки методики расчета ячеек РТУ с учетом демпфирующих свойств конструкции, основанной на анализе методов учета демпфирования в системах конечно-элементного анализа.
При отсутствии ВП материалов, которые позволяют подавлять амплитуды резонансных колебаний во всем частотном и температурном диапазоне эксплуатации ячеек РТУ, одним из возможных способов расширения эффективного диапазона подавления резонансных колебаний является применение конструктивных методов. Например, за счет совместного применения в конструкции внешнего и внутреннего демпфирующего слоя, которые бы эффективно уменьшали АРК в разных температурных диапазонах эксплуатации ячеек РТУ. Это позволит использовать отечественные вибропоглощающие материалы из существующей номенклатуры. Однако данный подход требует разработки математических моделей и методик расчета при вибрационном воздействии.
Поэтому задача разработки математических моделей и методик проектирования виброзащищенных ячеек РТУ в широком температурном диапазоне эксплуатации является актуальной.
Целью диссертационной работы является расширение температурного диапазона виброзащиты ячеек радиотехнических устройств демпфирующими слоями.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие задачи:
создание методики определения требований к вибропоглощающим полимерам и уточнение механико-динамических параметров демпфирующих материалов, применяемых в многослойных конструкциях ячеек радиотехнических устройств;
анализ методов учета демпфирования в системах конечно - элементного анализа и создание методики расчета ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями произвольной конфигурации и методов крепления при воздействии вибрации;
разработка математических моделей конструкций ячеек радиотехнических устройств при совместном использовании внутренних и внешних ДС;
апробация разработанной методики расчета многослойных ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями.
Методы исследования основываются на методах вычислительной математики, прикладной механики, теории алгоритмов, теории колебаний, теории эксперимента, динамической теории полимеров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны математические модели и методики для определения требований к вибропоглощающим полимерам в конструкциях ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями.
Предложены новые методики расчета многослойных ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями при воздействии случайной и гармонической вибрации.
Созданы математические модели ячеек радиотехнических устройств, в которых используются внешние и внутренние демпфирующие слои совместно при воздействии гармонической вибрации.
Практическая значимость:
расширена возможность проектирования ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими слоями произвольной формы при воздействии гармонической и случайной вибрации;
разработана программа для расчета многослойных конструкций ячеек радиотехнических устройств произвольной формы;
предложен алгоритм и программа определения требований к вибро- поглощающам материалам демпфирующих слоев в конструкциях ячеек РТУ.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты использованы при выполнении госбюджетной НИР №400/04-08 «Моделирование конструкций электронных средств при механических воздействиях» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета. Результаты работы используются в НПП «Дельта» г. Москва и ОАО НИПТИ «Микрон» г.Владимир.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях:
IX Международная научно-практическая конференция «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», Новочеркасск, 2009 г.;
VIII Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 2009 г.;
Всероссийская молодежная конференция «Нанотехнологии и инновации» (НАНО-2009), Таганрог, 2009 г.;
2-ая Международная конференция школы-семинара «Современные на- нотехнологии и нанофотоника для науки и производства» Владимир, 2009 г.;
Всероссийская межвузовская конференция « II Всероссийские научные Зворыкинские чтения», Муром, 2010 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация информационно-измерительных устройств военной техники», Владимир, 2010 г.;
Международный симпозиум «Надежность и качество 2011»,Пенза, 2011;
IX Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 2011 г.
Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № 2011610316 (зарегистрировано 11 января 2011 г.)
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 статьи по специальности 05.12.04 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 138 страницах, содержит 49 рисунков и 13 таблиц, список литературы, состоящий из 140 наименований, и 6 приложений
