Защита электронных устройств от механических воздействий

Механические воздействия на электронные устройства в общем случае имеют случайный характер. Для упрощения расчетов при оценке влияния реальных воздействий используют упрощенные модели, называемые вибрациями, ударами, линейными ускорениями.

Вибрации – колебания конструкции, вызванные периодическими воздействиями. Вибрации подвергаются устройства, размещенные на транспортных средствах, в производственных помещениях и во время транспортировки.

В результате вибрации возникают перегрузки

,

где а – ускорение за счет вибрации;

q – ускорение силы тяжести.

Для гармонического закона колебаний, который обычно принимается в

качестве модели вибраций

,

где A – амплитуда вибраций;

f - частота колебаний.

Сила динамического воздействия на устройство крепления весом G и

массой m определится по формуле

.

Таким образом, перегрузка и динамические силы пропорциональны амплитуде вибраций и квадрату частоты.

Удары – воздействия, сопровождающиеся скачкообразным изменением скорости.

По причине возникновения удары различают на удары, вызванные транспортированием, падением, столкновением, приземлением, взрывной волной.

По характеру воздействия различают периодические и апериодические.

Удары отличаются от вибрации тем, что период их следования значительно больше времени установления механической системы. Это позволяет рассматривать внешнее воздействие как одиночное. Во время действия ударного импульса могут возникнуть вынужденные колебания конструкций с большой амплитудой, которые после его прекращения переходят в свободные колебания.

Линейные ускорения можно рассматривать как частную модель ударного воздействия, когда удар единичен, а его длительность велика. Главной особенностью линейных ускорений является неэффективность уменьшения их влияния на ЭУ с помощью амортизаторов.

В результате вибраций и ударов наблюдается

- повышенный износ подвижных частей устройства;

- ослабление механических соединений и креплений отдельных элементов конструкции;

- саморазвинчивание;

- нарушение регулировки;

- поломки несущей конструкции.

Причиной поломок является:

- усталость материала, которая накапливается при длительных воздействиях знакопеременных нагрузок;

- колебания конструкции и ее элементов с большими амплитудами.

Наиболее опасно возникновение механического резонанса, при котором частота внешнего воздействия f совпадает с собственной резонансной частотой системы , где С – жесткость конструкции (отношение действующей силы к деформации конструкции, вызванные этой силой).

Колебания конструкции и ее элементов с большими амплитудами могут вызвать недопустимые механические напряжения, которые приводят к остаточным деформациям либо разрушениям.

Как следует из формулы , при фиксированной перегрузке наибольшие амплитуды имеют место в низкочастотной области.

Возможность выдерживать влияние внешних воздействий на ЭУ оценивается такими показателями как устойчивость и прочность.

Под устойчивостью (виброустойчивостью, ударной устойчивостью, теплоустойчивостью, холодоустойчивостью, влагоустойчивостью) понимают свойство ЭУ выполнять свои функции в условиях воздействия внешнего фактора, сохраняя при этом значения параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Прочность применительно к внешним воздействиям (вибропрочность, ударная прочность) – свойство ЭУ противостоять воздействию внешнего фактора и сохранять после прекращения воздействия значения параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Наиболее слабыми местами конструкции ЭУ с позиции ударопрочности являются:

- консольные крепления (разрушение происходит, как правило, в месте крепления);

- элементы конструкции, находящиеся под большим механическим напряжением (натянутые выводы кабелей, жгутов, резисторов, конденсаторов, полупроводниковых диодов и триодов);

- части конструкций с большими сосредоточенными массами (например, силовые трансформаторы и дроссели в результате ударов могут смещаться со своих фиксированных мест, а при значительных ударах они срываются с креплений);

- керамические платы, соединенные с базовыми металлическими деталями и имеющие местные напряжения (например, в местах крепления), часто при ударных нагрузках обламываются;

- каркасы и рамы, выполненные из штампованных деталей, соединенных клепкой или сваркой при больших ударах деформируются, а места клепки разбалтываются.

Следует иметь в виду, что действие ударов в условиях пониженной температуры вызывает значительно больше повреждений конструкции, чем в нормальных условиях. Это объясняется повышенной хрупкостью многих изоляционных материалов, а также возникающими при охлаждении напряжениями в отдельных частях конструкции. При температурах ниже –40⁰С у деталей из полистирола, полиэтилена и некоторых других пластмасс ударная прочность снижается.

Основные конструктивные меры по защите электронных устройств от механических воздействий заключается в следующем:

1. Повышение прочности конструкции, где под прочностью понимают нагрузку, которую конструкция может выдержать без остаточных деформаций и разрушения. Возможности этого метода ограничены, поскольку увеличение прочности обычно сопровождается наращиванием массы, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию динамических нагрузок. Для повышения прочности и, в частности, ударостойкости целесообразно применение материалов с повышенной пластичностью.

2. Отстройка механической системы от частоты вибрации путем изменения ее собственной частоты за счет жесткости и (или) массы электронного устройства без развязки от носителя. Такой подход часто используют при конструировании электронных устройств первого структурного уровня.

3. Установка электронного устройства на упругие опоры (амортизаторы) с одновременной отстройкой собственной частоты амортизированной системы от диапазона частот вибрационного воздействия. Такой способ используют, как правило, на третьем структурном уровне.

4. Применение демпфирования – уменьшения добротности механической системы за счет введения диссипативного элемента. Это метод применяется при отсутствии технических возможностей отстроить собственную частоту механической системы от частоты внешнего воздействия. В ряде случаев он используется в совокупности с предыдущим.