Способ защиты электронных блоков от инерционных ударных и вибрационных воздействий

Изобретение относится к способам защиты от инерционных ударных и вибрационных воздействий электронных блоков, а более конкретно, к способам защиты от инерционных ударных и вибрационных воздействий электронных блоков, эксплуатируемых в условиях инерционных нагрузок, к которым относятся в первую очередь, электронные блоки авиационной, ракетной и транспортируемой техники.

Известно устройство "Радиоэлектронный блок" (см. а.с. №1594714 от 06.05.88 г., опубликовано в бюллетене "Изобретения" №35 от 23.09.90), содержащее корпус в виде основания со стенками, в котором установлены печатные платы и прокладки из вибропоглощающего материала. Платы установлены таким образом, что соотношение частот собственных колебаний смежных плат, а также крайней платы и основания больше или равно двум.

Недостатком известного способа реализованного в известном устройстве является то, что данный способ защищает устройство только от воздействия вибрационных нагрузок.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ защиты аппаратуры от ударных воздействий, реализованный в устройстве для защиты от механических воздействий (см. патент RU 2302091 от 15.08.2005 г., опубликован в БИ № 18, 27.06.2007 г.), согласно которому пакет печатных плат устанавливают на амортизирующих прокладках внутри одного корпуса, который заполняют дискретными рабочими средами (ДРС). Корпус выполняют деформируемым и размещают в другом жестком корпусе, пространство между корпусами заполняют демпфирующим материалом - полимерным компаундом.

Однако, этот способ не позволяет обеспечить эффективную защиту электронного блока от ударных и вибрационных воздействий, вызывающих вынужденные колебания, отрицательно влияющих на работу электронного блока, так как демпфирующий материал прототипа, имеет невысокую прочность. Применение демпфирующего материала прототипа приводит к тому, что в зоне действия инерционной нагрузки собственные частоты колебаний электронного блока, становятся близкими к низкочастотной составляющей энергетического спектра ударного воздействия.

Указанный недостаток приводит, в свою очередь, к появлению вынужденных колебаний, достаточно близких к резонансным колебаниям и как следствие, к увеличению вероятности разрушения элементов электронных блоков.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение эффективности защиты электронного блока от ударных и вибрационных воздействий.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что элементы электронного блока размещаются в полости корпуса, внутренний объём которого заполняют демпфирующим материалом.

Согласно предлагаемому изобретению в качестве демпфирующего материала применяют состав композита с высокой прочностью, жесткостью и твердостью, включающий матрицы полимера с небольшим процентным добавлением вертикально ориентированных многослойных углеродных нанотрубок и вещества, обеспечивающего однородность композита, подобранного таким образом, чтобы в зоне инерционного воздействия за счет предлагаемого демпфирующего материала обеспечивается смещение собственной частоты колебаний электронного блока в область высоких частот.

Причем добавка вертикально ориентированных многослойных углеродных нанотрубок и вещества, обеспечивающего однородность композита составляет 3-7 % массы матриц полимера демпфирующего материала, увеличивающая модуль Юнга Е нанокомпозита до значения, выбираемого из условия, учитывающего максимальное значение осевого ускорения а_max, действующего в экстремальных условиях применения, и нормируемое значение осевого ускорения а_n

Е = 350 – (а_max – а_n) / а_max, МПа.

Угол отклонения углеродных нанотрубок от продольной оси матрицы полимера составляет от 0 до 8°.

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет повысить эффективность защиты электронного блока от ударных и вибрационных воздействий, характерных для систем управления авиационной, ракетной и транспортируемой техники

Применение в качестве демпфирующего материала наноструктурируемого материала, обладающего высокой жесткостью, прочностью и твердостью, позволяет повысить модуля упругости Е.

Следовательно, за счет повышения модуля упругости Е, обеспечивается смещение собственных частот колебаний электронного блока в область высоких частот, что приводит к снижению амплитуды вынужденных колебаний, быстрому затуханию колебательного процесса и как результат - к снижению вероятности разрушения элементов электронных блоков.

Смещение собственных частот колебаний электронного блока в область высоких частот, одновременно приводит к фазовому сдвигу между вынужденными и собственными частот колебаниями.

Предлагаемый способ защиты электронных блоков от инерционных ударных и вибрационных воздействий иллюстрируется чертежами.

На фиг.1, показана схема устройства реализующего заявляемый способ защиты электронных блоков от инерционных ударных и вибрационных воздействий его осуществления.

Устройство содержит (фиг.1):

1 – корпус;

2 – электронный блок;

3 – демпфирующий материал;

4 – матрица полимера;

5 – многослойные углеродные нанотрубки;

6 – связующее вещество.

Известно применение демпфирующего материала из нанокомпозита, например, см. Михайлин Ю.Л. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. стр. 344., а также, Тарасов В.А., Степанищев Н.А. Применение нанотехнологий для упрочнения полиэфирной матрицы композиционного материала. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. Спец. вып. Актуальные проблемы развития ракетно-космической техники и систем вооружения, 2010, с. 207–216.

На графике (фиг.2) представлены зависимости спектральной плотности инерционного ударного воздействия, характерные для систем управления авиационной, ракетной и транспортируемой техники и спектра собственных частот колебаний электронного блока: - при использовании известного демпфирующего материала, например, на основе компаунда и при использовании демпфирующего наноструктурируемого материала, по заявляемому способу, соответственно, для длительности инерционного ударного воздействия: 1 – 0,2 мс; 2 – 0,3 мс; 3 – 0,5 мс; 4 – 0,8 мс.

На графике (фиг.3) показаны зависимости относительного напряжения на выходе датчика ускорения, характеризующего колебательный процесс электронного блока, 1 – при использовании известного демпфирующего материала, например, на основе компаунда; 2 – при использовании наноструктурируемого демпфирующего материала по заявляемому способу, соответственно, для длительности инерционного ударного воздействия, равного 0,2 мс и 0,3 мс.

На фотографии (фиг.4) показаны: 4а - осциллограмма инерционного ударного воздействия на электронный блоков при существующем способе защиты; 4б - осциллограмма ударного воздействия на электронный блок при использовании предлагаемого способа защиты электронных блоков от инерционных ударных и вибрационных воздействий.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале в корпус электронного блока в виде основания со стенками, в котором установлены элементы электронного блока, заполняют внутренний объём демпфирующим материалом.

В качестве демпфирующего материала применяют состав композита с высокой прочностью включающий матрицы полимера с небольшим процентным добавлением вертикально многослойных углеродных нанотрубок и связующего вещества, обеспечивающего однородность композита.

Затем ориентируют вертикально многослойные углеродные нанотрубки таким образом, что угол отклонения углеродных нанотрубок от продольной оси матрицы полимера составляет от 0 до 8°.

Далее состав композита подбирают таким образом, чтобы в зоне инерционного воздействия за счет предлагаемого демпфирующего материала обеспечивалось смещение собственной частоты колебаний электронного блока в область высоких частот.

Причем добавка вертикально ориентированных многослойных углеродных нанотрубок и связующего вещества, обеспечивающего однородность, композита составляет 3-7 % массы матрицы полимера демпфирующего материала, увеличивающая модуль Юнга Е нанокомпозита до значения, выбираемого из условия, учитывающего максимальное значение осевого ускорения а_max, действующего в экстремальных условиях применения, и нормируемое значение осевого ускорения а_n

Е = 350 – (а_max – а_n) / а_max, МПа.

Устойчивость электронных блоков к инерционным ударным и вибрационным воздействиям определяется коэффициентом динамичности и коэффициентом демпфирования.

Коэффициент динамичности при кинематическое возмущении и малом демпфировании равен (см. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд-во: “Советское радио”, Москва, 1971 г., стр.327)

μ = x₁ / х₀ ,

где x₁ и х₀ — амплитуда вибраций соответственно блока и основания (в данном случае корпуса).

При инерционных возмущениях сопоставляется амплитуду при статическом и динамическом инерционном возмущении. При динамическом инерционном возмущении амплитуда вынужденных колебаний в определенной степени характеризует степень динамичности колебательной системы. В статических условиях отношение F/k = F_ст/k = x_ст представляет собой статический прогиб. В то время как A = F/k амплитуда силы возбуждающих колебаний в динамических условиях. При синусоидальном динамическом инерционном возмущении возмущающая сила, равная F=ma, представляется в виде .

Коэффициент динамичности системы μ - отношение амплитуды возбужденных колебаний A = F/k к статическому прогибу x_ст , под действием силы F_ст, численно равной F (), возбуждающих динамические колебания. Коэффициент динамичности μ (см. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд-во: “Советское радио”, Москва, 1971 г., стр.354)

,

где α = f / f₀ — коэффициент расстройки – отношение частоты f возмущающих вибраций к собственной частоте f₀ электронного блока.

В ряде литературных источников коэффициент расстройки обозначается γ, а коэффициент динамичности системы - η.

При наличии демпфирования в электронных блоках, влияние демпфирования оценивается коэффициентом демпфирования β (см. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд-во: “Советское радио”, Москва, 1971 г., стр.7). В ряде литературных источниках коэффициента демпфирования обозначается h (см. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. М.: Высш. шк., 1990 г., стр.327). Коэффициент демпфирования характеризует силу вязкого трения F = β v, которая пропорциональна мгновенной скорости v смещения и направлена против направления движения.

Коэффициент динамичности в этом случае определяется

или ,

где .

Вынужденные колебания электронного блока сопутствуют действию внешней силы, в то время как свободные колебания вследствие затухания быстро исчезают.

Амплитуда вынужденных колебаний определяется зависимостью

.

Таким образом, повышение коэффициент динамичности и снижение амплитуды вынужденные колебаний достигается за счет увеличения коэффициента расстройки γ и увеличения коэффициента демпфирования h.

Известно, что частота свободных колебаний определяется

,

где k - коэффициент упругости,

m – масса.

Коэффициент упругости к или жесткость, например, стержня пропорционален модулю Юнга Е, площади поперечного сечения S и обратно пропорциональна длине стержня l₀ : к = Е / Sl₀ (см. Физика для углубленного изучения (в 3-х книгах)/ Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Том 1. Механика Учебное пособие М., Физматлит, 2001, 2004, стр.142).

Следовательно, увеличивая значение модуль Юнга Е, вызывает увеличение коэффициента расстройки γ.

Коэффициент демпфирования h характеризует затухание вынужденных колебаний. Процесс затухания вынужденных колебаний определяется относительным коэффициентом затухания

D = h/h_кр,

где

- коэффициент критического демпфирования.

При D>l колебание вообще отсутствует, а возникает так называемое непериодическое движение, при котором, если система отклонена от своего положения равновесия, она стремится постепенно вернуться в первоначальное положение.

В ряде случаев наряду с относительным коэффициентом затухания D = h/h_кр используется понятие показатель затухания ε, значение которого численно равно ε = 2 D (см. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. М.: Высш. шк., 1990 г,стр327).

Повышение эффективности защиты электронных блоков от вибрационных воздействий достигается за счет увеличения модуль Юнга Е, значение которого выбирается равным Е = 350 МПа

В то же время повышение эффективности защиты электронных блоков от ударных и вибрационных воздействий достигается за счет увеличения модуль Юнга, значение которого выбирается из условия, учитывающего максимальное значение осевого ударного ускорения.

При воздействии коротких ударных ускорений повышение эффективности защиты электронных блоков достигается увеличением модуля Юнга и одновременно повышением коэффициента демпфирования h.

Значение коэффициента демпфирования h зависит от ряда факторов, в том числе от значения модуль Юнга Е и увеличивается с уменьшением значения модуль Юнга Е.

Следовательно, повышение эффективности защиты электронных блоков от инерционных ударных и вибрационных воздействий достигается за счет увеличения модуль Юнга, значение которого выбираемого из условия, учитывающего максимальное значение осевого ударного ускорения а_max, действующего в экстремальных условий применения, и нормируемое значение осевого ускорения а_n

Е = 350 – (а_max – а_n) / а_max, МПа.

Значение коэффициента демпфирования h, при математическом моделировании процессов инерционных ударных и вибрационных воздействий и оценки устойчивости электронных блоков к указанным воздействиям, выбираю исходя из нормируемого значения осевого ускорения а_n. Нормируемое значение осевого ускорения, при котором в процессе математического моделирования инерционных ударных воздействий, процесс затухания вынужденных колебаний в незначительной степени сказывается на значении коэффициента динамичности, изменяется на величину не более чем на 5% при изменении коэффициента демпфирования h на 20…25%.