Классификация механических воздействий

Устойчивость приборной аппаратуры к механическим воздействиям рассмотрим на примере авиационных приборов и устройств, так как они работают в наиболее жестких условиях комплексного воздействия всех видов механических факторов [38,43,54,55].

Основными источниками внешних динамических воздействий на авиационную приборную аппаратуру (АПА) являются летательные аппараты (ЛА), на которых она установлена и окружающая среда. Возбуждение динамических воздействий от ЛА называют кинематическим, а от внутренних устройств ЛА - силовым. Силовые воздействия наиболее часто являются следствием работы силовых установок энергоснабжения, устройств кондиционирования, гидравлических систем, подачи топлива и др., т.е. электромеханических устройств, с возвратно-поступательными движущимися массами или неуравновешенными вращающимися роторами.

К механическим воздействиям относятся: линейные перегрузки, вибрации, удары.

При передаче от источника к АПА и ее элементам внешние механические воздействия трансформируются - изменяются амплитудно-частотные характеристики колебаний, амплитуда и длительность ударных импульсов; возникают переходные колебательные процессы, сопровождающие воздействие длительных линейных нагрузок.

Перегрузкой называют отношение действующего ускорения к ускорению свободного падения. Линейные перегрузки, за исключением кратковременных, не могут быть устранены или ослаблены. Поэтому работоспособность конструкций обеспечивается за счет повышения жесткости и прочности элементов, что, как правило, ведет к увеличению массы конструкций АПА.

Под вибрацией АПА понимают механические колебания ее элементов или конструкции в целом. Вибрация может быть периодической или случайной. В свою очередь периодическая вибрация подразделяется на гармоническую и полигармоническую, а случайная - на стационарную, нестационарную, узкополосную и широкополосную.

Вибрацию принято характеризовать виброперемещением, виброскоростью и виброускорением.

Виброперемещение при гармонической вибрации определяется как

, (5.1)

где Z - амплитуда виброперемещения; - частота вибраций.

Виброскорость и виброускорение находят в результате дифференцирования (5.1):

Виброускорение при гармонической вибрации опережает по фазе виброперемещение на угол , виброскорость на угол .

Амплитуды виброперемещения Z , виброскорости , виброускорения и угловая частота колебаний являются основными характеристиками гармонической вибрации. Однако кроме них гармоническую вибрацию можно характеризовать вибрационной перегрузкой

. (5.2)

Если в (5.2) амплитуда виброперемещения выражена в мм, а ускорение силы тяжести в , то соотношение для вибрационной перегрузки можно записать в виде , где - круговая частота вибраций.

Полигармоническая или сложная периодическая вибрация может быть представлена в виде суммы гармонических составляющих.

Для случайной вибрации характерно то, что ее параметры (амплитуда виброперемещения, частота и др.) изменяются во времени случайно. Она может быть стационарной и нестационарной. В случае стационарной случайной вибрации математическое ожидание виброперемещения равно нулю, математические ожидания виброскорости и виброускорения постоянны. В случае нестационарных вибраций статистические характеристики не постоянны.

Кроме вибрации, конструкция может подвергаться ударным воздействиям, возникающим при эксплуатации, транспортировке, монтаже и т.д. При ударе элементы конструкции испытывают нагрузки в течение малого промежутка времени , ускорения достигают больших значений и могут привести к повреждениям элементов. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса.

Форма ударного импульса определяется зависимостью ударного ускорения от времени (рис. 5.1). При анализе ударных воздействий реальную форму ударного импульса заменяют более простой, например прямоугольной, треугольной, полусинусоидальной.

За амплитуду ударного импульса принимают максимальное ускорение при ударе. Длительностью удара называют интервал времени, в течение которого действует ударный импульс.

Последствием удара являются возникающие в элементах конструкции затухающие колебания. Поэтому на практике возникает необходимость в защите конструкций АПА одновременно от ударов и вибраций, так как в реальных условиях эксплуатации конструкции часто подвергаются комплексным механическим воздействиям, что должно найти отражение

при конструировании средств защиты.

Элементы конструкции АПА характеризуются своими механическими резонансными частотами, меняющимися в широких пределах в зависимости от массы и жесткости закрепления составных частей. Во всех случаях нельзя допускать образования в поле нагрузок механической колебательной системы - это касается монтажных плат, панелей, кожухов, монтажных проводов и других частей конструкции АПА.

Под полем нагрузок понимаются механические нагрузки системы, вызванные колебаниями различных частот и амплитуд в процессе испытаний, монтажа, транспортировки и эксплуатации.

В результате механических воздействий в элементах конструкции АПА могут происходить обратимые и необратимые изменения.

Обратимые изменения характерны для электрорадиоизделий АПА, что приводит к нарушению устойчивости и ухудшению качества функционирования аппаратуры. Факторы, вызывающие обратимые изменения, можно объединить в следующие группы в зависимости от физики протекающих в конструкции процессов:

- деформации в активных и пассивных компонентах, приводящие к изменению их параметров;

- нарушения электрических контактов в разъемах и неразъемных соединениях, вызывающие изменение омического сопротивления контактов;

- изменение параметров электрических, магнитных и электромагнитных полей, которое может привести к нарушению условий электромагнитной совместимости в конструкции.

Необратимые изменения свойственны конструктивным элементам АПА, связаны с нарушением условий прочности и проявляются в механических разрушениях элементов. В наибольшей степени разрушениям подвержены элементы, предварительно нагруженные при сборке и электромонтаже (болты,

винты, заклепки, сварные швы с остаточными термическими напряжениями, объемные проводники с излишним натяжением и т.п.).

К необратимым изменениям, происходящим в конструктивных элементах АПА при механических воздействиях, относятся усталостные разрушения.

Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряжений. Механизм этого процесса связан со структурной неоднородностью материала (отдельные зерна неодинаковы по форме и размерам, по-разному ориентированы в пространстве, имеют включения, структурные дефекты). В результате этой неоднородности в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах (кристаллах) при переменных напряжениях возникают сдвиги, границы которых со временем расширяются, переходят на другие зерна и, охватывая все более широкую область, развиваются в усталостную трещину. Усталостная прочность материалов зависит от величины и характера изменения напряжений, от числа циклов нагружения.

Конструкции АПА, работающие в условиях механических воздействий, должны отвечать требованиям прочности и устойчивости. Под прочностью (вибро- и ударопрочностью) к воздействию механических факторов подразумевается способность конструкций выполнять функции и сохранять значения параметров в пределах норм, установленных стандартами, после воздействия механических факторов.

Под устойчивостью (вибро - и удароустойчивостью) к воздействию механических факторов понимают способность конструкции выполнять заданные функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных стандартами, во время воздействия механических факторов.