Поверка на прочность модуля РЭА, состоящего из двух печатных плат с элементами
Содержание
Исходные
данные
Введение
1. Анализ
прочности и жесткости несущей конструкции при
растяжении (сжатии)
. Анализ
статической прочности и жесткости печатного
узла печатного узла при изгибе
. Определение
частота собственных колебаний печатного узла
. Анализ
динамической прочности и жесткости печатного
узла при воздействии вибрации
. Анализ
динамической прочности и жесткости печатного
узла при воздействии ударов
Заключение
Список
литературы
Исходные данные
Габаритные размеры в 30x200x180 мм;
Модуль предназначен для установки в более сложные модули.
В модуле должны быть размещены:
печатные платы с микросхемами 155-й серии в стандартных корпусах 2102 по ГОСТ 17467- 79 с массой 2 г. Способ установки плат:
неподвижный, крепежными деталями к корпусу;
на задней панели - соединители электрических цепей (вилка ГРПМ2 - 46);
на передней панели:
элементы жесткой фиксации модуля (невыпадающие винты или фиксаторы);
ручки для извлечения модуля из блока;
элементы маркировки, контроля, индикации и управления два контрольных
гнездо ГК-3, переключатель ПГ2 (1-секц) с ручкой, микротумблер МТ1.
Материал плат. Стеклотекстолит СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316-78 с параметрами:
плотность - 2000 кг/м3 , модуль нормальной упругости - 30 ГПа,
предел точности - 80 МПа, коэффициент механических потерь - 0,05.
Параметры механических воздействий:
Вибрация: диапазон частот: 1..100 Гц;
амплитуда ускорения: 30 м/с2;
Удар: пиковое ускорение: 150 м/с2;
длительность ударного импульса: 2..15 мс;
форма ударного импульса: Синусоидальный.
Введение
Модуль РЭА состоит из: двух печатных плат с элементами, передней панели с
установленными на ней невыпадающими винтами, ручки, составного каркаса, вилки,
направляющих ловителей, задней панели. Для соединения составных частей
используются резьбовые соединения. Печатная плата крепится неподвижно
крепежными деталями к направляющей. На передней панели установлены: 2
контрольных гнезда ГК-3,переключатель ПГ2 (3-секц.) с ручкой, кнопка КМ1.
Основную механическую нагрузку в модуле несут детали каркаса. В качестве
исследуемых объектов несущей конструкции на прочность и жесткость выбираются:
направляющая и печатная плата.
1. Анализ
прочности и жесткости несущей конструкции при растяжении (сжатии)
Проверка прочности электронного модуля в момент его
извлечения из блока
НК состоит из передней и задней панели, соединенных одной направляющей.
Каждая панель прикреплена к направляющим четырьмя винтами М4, суммарное
поперечное сечение которых составляет F2 =32 мм2.
На задней панели закреплена вилка ГРПМ2-46 двумя винтами М3, F4 =9мм2. Суммарное усилие расчленения
контактов Р=75 Н. На передней панели закреплена ручка F1=39.25 мм2. Поперечное сечение направляющих F3=132 мм2.
Дано: F1=39.25 мм2; F2 =32 мм2; F3=132 мм2; F4 =9мм2
[1]=350 MПа;
[4]= [2]=450
МПа; [3]=150
МПа;
Определить:
наименее прочные элементы НК;
Решение:
во всех сечениях НК действует одна и та же сила Р=75Н
Расчет
напряжений на участках и коэффициента запаса прочности
σx1==1.9МПа; Kз1==184,2
σx2==2.3МПа; Kз2==195
σx3 ==0,56МПа;
Kз3==267,9
σx4==8,3МПа; Kз4==54,2
Значение
kЗmin=54,2 во много раз
превышает коэффициент запаса(kз=1.5
считается достаточным), следовательно, НК удовлетворяет требованию прочности
при растяжении силой P.
Проверка жесткости НК
Дано: σx1=1,9МПа;
σx2=2,3МПа; σx3=0,56МПа; σx4=8,3МПа;
E1= E2= E3= E4=200ГПа; En=72ГПа
L1=20мм; L2=120мм; L3=20мм; L4=40мм
Допускаемая
деформация для печатного узла: .
εx1==9,510-6;
K31==21
εx2==11,510-6;
K32==104
εx3==2,810-6;
K33==71,5
εx4==1.0710-6;
K34==373,9
Коэффициент
запаса k3=21
удовлетворяет требованию жесткости.
2.
Анализ статистической прочности и жесткости печатного узла при
изгибе
Проверка
печатного узла при изгибе (на прочность):
В
рабочем положении модуль располагается вертикально. При ремонте и
транспортировке модуль может находиться в горизонтальном положении, при этом плата
имеет наименьшую жесткость, т.к. прогибается под собственным весом, и весом
микросхем. Расчетная схема построена для этого случая. Рассматривается вариант
с распределенной нагрузкой.
Масса
одной микросхемы-2г.; tx=17,5мм; ty=27,5мм; Δy1=Δy2=5мм;Δx1=Δx2=5мм.
Материал
печатных плат-стеклотекстолит СФ-2-1,5-50 ГОСТ 10316-79 ρ=2000 .
Предел
прочности-σBP=80МПа
К3=2МПа.
Количество
микросхем на плате: Nx=3 (по горизонтали); Ny=5
(по вертикали); N=NxNy=15; mсх=2г*15=30г.
M=mсх+mплаты=ρhbl+mсх =0.021 кг
q==1,3.
Из
эпюра изгибающих моментов видно, что max=
Т.к.
K3=2, ==40МПа
Максимальное
нормальное напряжение:
max==0.3 МПа
Условие
прочности: выполняется.
Проверка
жесткости печатного узла при изгибе:
Дано:
Определить:
Проверить условие прочности.
Решение:
Из
симметрии конструкции следует, что опорные реакции Av=Bv=0,5ql, изгибающий момент в произвольном сечении: My=0,5qfx-0,5qx2, то
выражение для прогиба:
W(x)=(x4-2lx3+l3x).
Максимальный
прогиб имеет место при и составляет ,
Jy-
осевой момент инерции.
Jy =bh3/12=11,66*10-12 м4
ωmax=(5/384)/(q/EJy)=0.048мм
=0.01*157*10-3=1.57мм
Условие
жесткости: < ;0,048мм<1,57мм
Условие прочности выполняется.
3.
Определение частоты собственных колебаний печатного узла
печатный узел удар прочность
Определение частоты собственных колебаний приближенным способом (по
методу Релея):
f0==.
Дано:=30ГПа; b=0,0175м; h=0.002м; l=0,15м; M=2110-3кг.
f0 = .=42,7 Гц
Значение
f0=42,7Гц,
полученное энергетическим способом совпадает с точным значением частоты
свободных колебаний, т.к. выбранная форма прогиба оси Z(x)=Asin(),совпадает с точной формой прогиба для заданной
схемы.
4.
Анализ динамической прочности и жесткости печатного узла при
воздействии вибраций
Проверка
динамической прочности при воздействии вибраций в горизонтальном положении:
Дано:
l=0,157м; b=0.0175м;
h=0.002м; m=2110-3кг; ż=30м/c2; γ текстолита=0,05;
E=30ГПа; σВр=80МПа;
К3=2; f0=42,7Гц.
Определить:
Проверить прочность печатного узла в горизонтальном положении.
Коэффициент
передачи μ B для системы с
распределенными параметрами, при частоте собственных колебаний, равной частоте
воздействия вибраций (η==1):
μ Bmax=,
где
Кmax-коэффициент формы колебаний=1,→ μ Bmax=40.
Суммарное
распределение нагрузки:qΣ=qcm+qq,где qcm-статически распределенная нагрузка, равная 1.3 , qq-динамически распределенная нагрузка, равная qq
qΣ= M*ż *μ Bmax /l=160 .
=-полный изгибающий момент от суммарно распределенной
нагрузки. Полное напряжение: =/Wy = (qΣ*l2*6)\(8*b*h2)=42,2МПа.
Предел
выносливости: σ-1≈→===20МПа.
Условие
прочности:<;
42,2МПа>20 МПа→Условие прочности не выполняется.
Проверка
динамической жесткости печатного узла при воздействии вибраций в горизонтальном
положении.
Полный
прогиб середины пластины (платы):
WΣmax= Wg.max+Wст.max,
где
Wg.m.-динамическое перемещение середины платы; Wст.m.-статический прогиб
середины платы под весом микросхем и собственным весом.
Wст.m.=0,026мм.
Wg.m=
Wb.max*z
м, μ Bmax-коэффициент передачи μ Bm.=20 z м-перемещение
блока на резонансной частоте f0:
z м==
WΣmax= μ Bmax*+ Wст.max=0.002
Допустимое
перемещение: =1% от b=0,01b=0,65мм.
Условие
прочности: WΣmax<;
0.002мм<0.65мм→Условие динамической жесткости выполняется.
5. Анализ
динамической прочности и жесткости печатного узла при воздействии ударов
Проверка динамической прочности печатного узла при
воздействии ударов.
Проверить
прочность платы при воздействии на корпус блока ударного импульса
синусоидальной формы амплитудой и длительностью
от 2 до 15 мс. Остальные данные:
l=0,157м; b=0.0175м;
h=0.002м; m=2110-3кг; f0=42.7Гц.
1.,
где
, при t »4,3мс.
..
.
Pд=mz||=3,15Н
Pст=mg =0.2 Н; q=( Pд + Pст )/l=.21
Н/м
.
Mymax=0.125ql2=0.004
.
σmax= Mymax/Wy=6 Mymax/(bh2)=2,5КПа
σmax=
2,5КПа< [σ]=20МПа,следовательно, условие прочности выполняется.
Анализ динамической жесткости печатного узла при воздействии
ударов.
1. wдин. =z||m / w2= z||m/(2Пf0)2=1,9 мм
2. wстат.=0.026 мм
wmax = wстат +wдин.=1,926 мм
. wmax.=2 мм > [w]=0.65 мм следовательно, условие жесткости не выполняется.
Заключение
В результате расчетов, выполненных в курсовой работе, выяснилось, что
разработанный модуль не соответствует всем требованиям к условиям жесткости и
прочности. Оказалось, что разработанный модуль неустойчив к воздействию
вибрации и ударов; условия прочности и жесткости печатного узла при заданных
условиях не выполняются.
Методы повышения динамической прочности:
. Методом повышения виброудароустойчивости и жесткости НК электронных
модулей является использование рациональных поперечных сечений элементов и
узлов НК;
. Жесткость платы можно повысить путем установки ребра жесткости, которое
должно проходить через центр платы и располагаться параллельно короткой
стороне. Однако использование этого прямого конструктивного способа повышения
жесткости уменьшает полезную площадь платы и усложняет конструкцию модуля
. Наиболее эффективным способом снижения коэффициента динамичности
является нанесение на плату виброзащитного покрытия с большим значением
коэффициента механических потерь; что резко снижает м в зоне резонанса. Однако
использование этого покрытия ухудшает теплоотвод и делает плату
неремонтопригодной.
Применение того или иного метода зависит от условий эксплуатации и
ремонта, стоимости, требований надежности и выбирается индивидуального для
каждого типа изделия.
Список литературы
1. Несущие
конструкции РЭА: Методические указания к курсовому проект по дисциплине
«Прикладная механика»/ Сост.: Ю.Н. Исаев, Г.Ф. Морозов, М.Д. Стрельцова; ГЭТУ -
СПб, 1993.
. Исаев Ю.Н.,
Морозов Г.Ф. «Взаимозаменяемость деталей несущих конструкций РЭА: Учеб.
Пособие/СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб.,1998
. Конспект
лекций по курсу «Прикладная механика».