бХАПЮЖХХ
реклама
7. Особенности конструирования ЭВМ, устанавливаемых на подвижных объектах Такие ЭВМ функционируют в условиях интенсивного воздействия различных факторов, основными из которых являются механические ( из-за них возникает до 50% отказов). 7.1. Классификация нестационарных ЭВМ, параметры воздействий. Нестационарные ЭВМ делят на: • устанавливаемые и работающие на ходу: - на автомобилях, мотоциклах, сельскохозяйственной, дорожной и строительной технике (группа 1); - во внутренних помещениях речных судов (группа 2); - на подвижных железнодорожных объектах (группа 3); • предназначенные для длительной переноски людьми, работающие и не работающие на ходу; - транспортируемые и портативные (группа 4); • устанавливаемые на самолетах, ракетах, морских судах и искусственных спутниках Земли. 1 Значения параметров воздействующих факторов Факторы Параметры 1 (автомобили) 2 (суда) 3 (ж/д) 4 (переносные) Вибрация на одной частоте Частота, Гц Ускорение, м/с2 Время выдержки,ч 20 2 0,5 20 2 0,5 20 2 0,5 20 2 0,5 Вибрации в диапазоне частот Диапазон частот Ускорение, м/с2 Время выдержки,ч 10..70 0,8..3,8 12 10..30 0,25..1,1 4 10..70 0,8..3,8 12 10..70 0,8..3,8 12 Удары одиночные Длительность,мс Число ударов в мин Ускорение, м/c2 Общее число ударов 5..10 40..80 15 60 5..10 40..80 15 60 5..10 40..80 15 60 5..10 40..80 15 60 Удары многократные Длительность, мс Число ударов в мин Ускорение, м/c2 Общее число ударов 5..10 40..80 15 12000 5..10 40..80 15 12000 5..10 40..80 15 12000 5..10 40..80 15 12000 Падение Высота, мм Число падений - - - 750 11 7.2. Основные задачи конструирования нестационарных ЭВМ При разработке и оценке конструкций ЭВМ необходимо: • определить виды механических воздействий и возникающих изза них отказов; • выявить свойства и определить форму представления воздействий, влияющих на работоспособность ЭВМ; • получить характеристики надежности компонентов, связанные с механическими воздействиями (виброустойчивость и вибропрочность); • разработать расчетную модель конструкции и выбрать характеристику ее качества; • разработать математическую модель, описывающую движение расчетной, и получить характеристику качества конструкции; • теоретически оценить значение воздействий на компоненты и КМ при установленных в ТЗ параметрах воздействий, характерных для объекта установки; • подтвердить оценки экспериментально; • сравнить параметры воздействий с характеристиками соответствующих показателей компонентов и КМ. При неудовлетворительном исходе – принять меры к повышению 3 эффективности защиты комплектующих элементов и КМ. 7.3. Определение вида вибрационного воздействия и отказов Среди механических воздействий основными являются вибрации в связи с длительностью влияния, знакопеременностью нагрузки и широким диапазоном частот. Основные требования: • вид и параметры вибрации должны в максимальной степени соответствовать условиям работы; • форма представления – наиболее просто реализовываться и описываться математическим аппаратом, позволяющим теоретически оценивать конструктивные решения с точки зрения их надежности. Вид и параметры вибрационного воздействия зависят от: • количества и режимов работы источников возбуждения; • упругих свойств конструкции и т.п. Вибрационное воздействие – стационарный эргодический случайный процесс с постоянным энергетическим спектром в рабочем диапазоне частот и нормальным законом распределения амплитуд. Вероятностные характеристики его определяются при статической обработке некоторого количества реализации записи колебаний в 4 реальных условиях функционирования аппаратуры. Виды отказов из-за механических воздействий Основные виды отказов: • замыкание электросоединений, например, при амплитуде колебаний печатной платы превышающей толщину зазора будет происходить соударение их компонентов и, как следствие, короткое замыкание проводящих элементов; • отрывы паяных и сварных соединений выводов микросхем, проводов не закрепленных жгутов; • отслаивание и затем обрывы проводников печатных плат; • нарушение контактирования в разъемных соединителях; • отвинчивание крепежных элементов; • разрушение несущих деталей. При снятии нагрузки могут устраняться замыкания проводящих элементов и восстанавливаться контакты в разъемных соединителях. 5 7.4. Свойства вибрации, влияющие на работоспособность ЭВМ Отказы из-за вибраций зависят от: • значения нагрузки; Для случайного процесса • ее частотных свойств; • длительности воздействия. • первой функции распределения вероятностей; • спектральной плотности мощностей; • времени. Первая функция распределения вероятностей стационарного эргодического процесса Wg – это математическое ожидание относительной продолжительности интервалов времени, в течении которых значение воздействия g (величина виброускорения, м/с2) меньше или равно заданному g0. Wg характеризует интенсивность и продолжительность действия на конструкцию инерционных сил, вызванных вибрацией. Спектральная плотность мощностей случайного процесса определяет плотность распределения дисперсии по частотам непрерывного спектра и характеризует интенсивность и частотные свойства вибронагрузки. 6 Способы замены широкополосной случайной вибрации Причины замены: • теоретическая и экспериментальная оценки воздействия на конструкцию широкополосной случайной вибрации представляет определенные трудности; • в ряде случаев непосредственно на КМ воздействует не широкополосная, а узкополосная вибрация. Известны три способа замены: 1. 7 Способы замены широкополосной случайной вибрации (2) 2. Замена широкополосной случайной вибрации узкополосным случайным возмущением с переменной средней частотой спектра. Этот вариант замены основан на том, что реакция системы на широкополосную вибрацию является узкополосной вибрацией с релеевским законом распределения пиков ускорений. Такая замена не учитывает одновременного воздействия всех форм колебаний и потому может быть рекомендована, когда определена полоса частот, в которой возможно разрушение конструкции. 8 Способы замены широкополосной случайной вибрации (3) 3. 9 Способы замены широкополосной случайной вибрации (4) 10 7.5. Характеристики надежности элементов и КМ 11 Рекомендации по использованию видов вибрации для испытания элементов и КМ 12 7.6. Расчетная модель конструкции ЭВМ как механической системы Для оценки качества разрабатываемых КМ и всей конструкции в целом с позиций передачи ими виброускорений, необходимо разрабатывать расчетные модели. Расчетной моделью конструкции ЭВМ как механической системы, находящейся в динамическом состоянии, является сложная колебательная система, состоящая из конечного числа простых колебательных систем. Последние, как правило, соответствуют конструктивным модулям, составляющим исследуемую ЭВМ. 13 Расчетная модель конструкции ЭВМ как механической системы (2) Модель представляет собой совокупность твердых тел m, соединенных упругими механическими связями E с сосредоточенными – модель а или с сосредоточенными и распределенными параметрами – б. Система, состоящая из упругой связи и твердого тела называется элементарной вибрационной системой. Здесь c – жесткость связи, b – коэффициент демпфирования 14 Характеристика качества конструкции Характеристикой качества конструкции является частотная характеристика H(j). Она позволяет оценить резонансные частоты конструкции и ее реакцию на воздействующие виброускорения. Частотную характеристику конструкции находят экспериментально или теоретически при исследовании расчетной модели конструкции, поведение которой при вибрациях можно описать аналитически. 15 Определение реакции конструкции на виброускорение 16 7.7. Методика получения модели конструкции ЭВМ как механической системы Расчетную модель конструкции получают выделением и идеализацией существенных и отбрасываем второстепенных факторов. При этом модель необходимо составлять для трех взаимно перпендикулярных направлений. Построение расчетной модели удобно связывать с разделением конструкции на сборочные узлы. Разбиение конструкции на элементарные вибрационные системы и установление соответствия КМ элементам этих систем: если внутри КМ существует нежесткая механическая часть, то жесткая часть этого КМ образует основание вибрационной системы, нежесткая механическая часть – упругую связь модели, а объектом является следующий КМ, входящий в рассматриваемый. Рассматривая последовательно конструкцию ЭВМ от стойки к модулю, получаем цепочку вибрационных систем, составляющих модель для данного геометрического направления. 17 Элементы конструкции, порождающие нежесткие механические связи Нежесткая механическая связь может существовать между : • всей конструкцией ЭВМ и объектом установки (амортизаторы); • корпусом ЭВМ и пакетом плат/блоком (шпильки, винты); • основанием блока и опорным контуром платы (основание как тонкая пластина); • опорным контуром платы и модулями, устанавливаемыми на ней (плата как тонкая пластина). 1 –рамка; 2 – субблок; 3 – отверстия; 4 – шарниры; 5 – задняя панель 18 Анализ элементов конструкции Если собственная частота элемента конструкции существенно превышает частоту вибрационного воздействия, то этот элемент считается твердым телом, в противном случае он – нежесткая механическая связь. Различают связи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Связи с сосредоточенными параметрами – амортизаторы. Связи с распределенными параметрами: • шпильки (болты, винты) – при l>>d ; • платы как тонкие пластины – при min(l1,l2)/h>>10. 1 – корпус; 2, 3 – элементы шарнирного устройства; 4 – субблоки; 5 – крышка; 6 – упоры; 7 – винты; 8 – втулки 19 7.8. Математическая модель конструкции ЭВМ как динамической системы. Модель с сосредоточенными параметрами Движение модели описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений, количество которых определяется числом степеней свободы расчетной модели: Полученную систему решают: • при небольшом числе степеней свободы – интегрированием; • при значительном – методом цепных дробей и матриц переноса. 20 Модель с сосредоточенными параметрами (2) 21 Пример конструкции и ее расчетная модель с сосредоточенными и распределенными параметрами 1 – корпус; 2, 3 – элементы шарнирного устройства; 4 – субблоки; 5 – крышка; 6 – амортизирующая прокладка; 7 – винты; 8 – втулки 22 Математическая модель конструкции с сосредоточенными и распределенными параметрами (2) 23 Математическая модель конструкции с сосредоточенными и распределенными параметрами (3) 24 Математическая модель конструкции с сосредоточенными и распределенными параметрами (4) Основное положение – главное колебание упругого тела может совершаться независимо от других его колебаний. Следствие – движение системы в каждом главном направлении можно рассматривать отдельно. Для i-го главного колебания упругой системы: .. .. . у у д i I i пр пр i iпр i iпр u (t ) m x (t ) m u (t ) k u (t ) k где miпр mэ fi 2 (S )dS S m y пр mэ fi (S )dS S приведенная масса упругой системы в i-м главном колебании; приведенная масса упругой системы при ее переносном движении по закону xI (t); kiупр i2 mэ fi 2 (S )dS S 0, приведенный коэффициент жесткости; 25 Математическая модель конструкции с сосредоточенными и распределенными параметрами (5) kiдпр 2 ii mэ fi 2 (S )dS S приведенный коэффициент демпфирования. Здесь mэ – масса элементарной площадки упругого тела (платы); S = (z, y); i – частота главного колебания; i – логарифмический декремент затухания i-го главного колебания, деленный на 2. Теперь уравнение движения упругой системы (пакета плат) в i-м главном колебании будет: (а) 26 Математическая модель конструкции с сосредоточенными и распределенными параметрами (6) Реакция упругой системы (платы) на основание . Rпр mэ fi 2 (S )dS[ui (t ) i2 2 ii ui ]. i 1 S Тогда дифференциальное уравнение движения одномассовой системы с массой m1 будет: (б) Решая систему (а), (б) получаем частотную характеристику: 27 7.9. Оценка качества конструкции как механической системы Конструкция – совокупность твердых тел, соединенных упругими механическими связями с сосредоточенными и распределенными параметрами. Известны характеристики этих связей, в том числе формы главных колебаний платы, составляющие полную систему. Получена частотная характеристика H(j). Входное воздействие – широкополосная случайная вибрация, ее характеристики: S, [н, в], tвозд. Необходимо проверить выполнение критерия виброустойчивости для микросхемы. Характеристика виброустойчивости: и – среднеквадратичное значение узкополосной вибрации при испытаниях; tи – время испытаний. 28 Оценка качества конструкции как механической системы (2) 1. Исследуя формы главных колебаний определяем координаты точек платы (центров установочных позиций микросхем) наиболее опасные с точки зрения передачи виброускорения. 2. Получаем модуль частотной характеристики () для одной из этих точек. 3. Определяем среднее квадратичное значение реакции конструкции на широкополосную вибрацию 4. Проверяем выполнение условий: р и и tвозд tи . 29 7.10. Исследование печатной платы как тонкой пластины Плата – основная, нередко и единственная вибрационная система, в которой может иметь место резонансное усиление виброускорений. Частотная характеристика платы Здесь k и n определяются из условий k н и n в. Задача исследования: определить вид главных (нормальных) функций fi(z,y) и формулы для соответствующих им частот i. Для решения таких задач необходимо владеть аппаратом раздела математики «Краевые задачи математической физики» и прикладной дисциплины «Теория пластин и оболочек». 30 Исследование печатной платы как тонкой пластины (2) 31 Исследование печатной платы как тонкой пластины (3) В теории пластин и оболочек исследованы платы, граничные условия для которых являются сочетанием зажатого, опертого и свободного краев. Эти способы крепления позволяют получить полную систему собственных функций и, следовательно, частотную характеристику. Поскольку область платы прямоугольна, формы главных колебаний определяют из ортогональной в прямоугольнике тригонометрической системы: Тогда собственные функции: где a, b – длины сторон платы; k,m – коэффициент, зависящий от способа крепления платы. 32 Исследование печатной платы как тонкой пластины (4) Откуда в общем случае Собственные частоты в общем виде: ωi βi πi (a/b) D/mэ , где i – постоянные коэффициенты; i,i зависят от способа крепления платы; D Eh3 / [12(1 )2 ] – жесткость изгиба платы; E и – модуль упругости и коэффициент Пуассона материала платы; mэ ρh / g GM N / (abg ), h – толщина платы; – плотность материала платы; GM – вес микросхемы; N – количество микросхем платы. 33 Исследование печатной платы как тонкой пластины (5) Полная система собственных функций получена только для ограниченного количества сочетаний свободного, опертого и зажатого краев. Таким образом, получение частотной характеристики – сложная задача. Для различных сочетаний указанных граничных условий получена формула для первой собственной частоты где K – коэффициент, зависящий от а,b и способов крепления сторон платы. 34 Исследование печатной платы как тонкой пластины (6) Способы крепления плат с точечным зажатием (крепление болтами/шпильками через втулки) не позволяют найти полную систему собственных функций и, следовательно, частотную характеристику расчетным путем. Для них можно определить только отдельные собственные формы fi и собственные значения i =i2. Например для платы 35 Исследование печатной платы как тонкой пластины (7) При неполной системе собственных функций теоретически можно: • определить координаты наиболее опасных мест установки микросхем; • использовать такой критерий оценки качества платы, как несовпадение резонансных частот упругих систем конструкции; • сформулировать рекомендации по изменению способов крепления с целью увеличения значений первых резонансных частот и, следовательно, уменьшения коэффициента усиления вибраций. 36 Определение координат наиболее опасных точек платы 37 Определение координат наиболее опасных точек платы (2) 38 Анализ способов крепления плат Если не получены полные/неполные системы собственных функций (главных колебаний), то важную роль для оценки конструкции платы как нежесткой механической системы с распределенными параметрами приобретает такой критерий как значение первой собственной частоты (если возможно, то и более высоких). 39 Анализ способов крепления плат (2) Для плат с точечным креплением: • 4-ре точки крепления: • 5 и 6 точек крепления: Оценим эффективность двух видов граничных условий – зажатый край и точечное крепление. Характеристики платы: a=b=10см, D=60Нсм, mэ=0,6 10-6 кг/см2. Тогда для указанных и некоторых других вариантов крепления получим: 1, Гц 360 582 314 470 627 1508 40 7.11. Рекомендации по улучшению качества несущих деталей конструкций Для улучшения качества несущих конструкций с точки зрения передачи механических воздействий можно рекомендовать: • увеличение жесткости платы субблока; • создание условий зажатого края по краевым полям платы; • введение опорных поверхностей по контуру платы и в ее внутренней области в виде накладок или рамок (прилегание плат по этим поверхностям при сборке в пакет дает условие зажатого края); • увеличение точек крепления по контуру платы; • установку дополнительных точечных упоров во внутреннюю область (контактирование упоров с корпусом при сборке в пакет дает точечное зажатие). Эти же меры приводят к уменьшению коэффициентов усиления виброускорения. 41 Фрагмент конструкции блока 1 – металлическая крышка; 2, 6 – винт; 3 – микросхема; 4 – боковая стенка блока; 5 – клиновидный сухарь; 7 – печатная плата; 8 – изолирующая прокладка; 9 – металлическая пластина (теплоотводящая шина) 42 Двойной каркасный субблок 1 – рамка; 2 – субблоки; 3 – перемычка (опорная накладка) 43 Блок плат с накладками 1 – субблоки; 2 – задняя панель; 3 – двойной шарнир; 4 – средняя часть; 5 – ручка 44 Блок плат с опорным контуром 1 – субблоки; 2 – каркас; 3 – шарнир 45 Конструкция субблока с креплением в четырех точках с пятью упорами 46 Пакет субблоков с винтами и дополнительными упорами 1 – корпус; 2, 3 – элементы шарнирного устройства; 4 – субблоки; 5 – крышка; 6 – упоры; 7 – винты; 8 – втулки 47 Конструкция рамы нестационарной ЭВМ 48
