Общая методика выполнения прочностных расчетов (стр. 1 из 2)

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ

При обработки конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), ее составных частей и деталей радиоконструктору необходимо оценить качество принятых конструкторско–технологических решений для выбора оптимального варианта или определения степени соответствия требованиям технического задания (ТЗ).

В процессе эксплуатации на несущие элементы конструкции РЭА, электроэлементы и узлы действуют различные механические силы. На стационарную РЭА действует, в основном, сила тяжести самой конструкции и ее составных частей. Аппаратура, устанавливаемая на подвижных объектах, а также стационарная РЭА во время транспортировки подвергается внешним механическим воздействиям : вибрациям (периодическим колебаниям) или ударам (кратковременно действующим силам).

В ТЗ на конструирование РЭА, как правило, регламентируется следующие параметры механических воздействий :

линейное ускорение а, м/c², или перегрузка r_п, g;

частота вибраций f, Гц, или полоса частот Δf, Гц ;

амплитуда вибраций А, мм ;

продолжительность вибраций Т, ч ;

длительность ударного импульса t_и, мс ;

частота ударов в минуту ,υ ;

число ударов N.

Цель расчетов статистической, вибро– и ударопрочности конструкций – определить параметры механических напряжений в конструкциях РЭА в наихудших условиях и сопоставить их с предельно допустимыми.

Если из расчета выяснится, что прочность конструкции РЭА недостаточна, то конструктор принимает решение о вводе добавочных элементов крепления, ребер жесткости, отбортовок и других упрочняющих элементов или о применении для конструкций материалов с лучшими прочностными или демпфирующими свойствами.

Теория сопротивления материалов является основой для оценки статистической прочности конструкций РЭА.

Точная методика для расчета вибрационной и ударной прочности конструкций пока недостаточно разработана, поэтому обще принятым инженерным подходом является приведение динамических задач к статическим. При выполнении оценочных прочностных расчетов студенту следует придерживаться методики, содержащей несколько этапов :

1) выбор расчетных моделей конструкций РЭА и ее элементов ;

2) определение нагрузок, испытываемых элементами конструкций : напряжений, растяжений σ_р, смятия σ_см, среза t_ср ;

3) расчет допускаемых значений прочности элементов конструкций – напряжений растяжения [σ ]_р, смятия [σ ]_см, среза [ t ]_ср ;

4) сравнение расчетных показателей прочности с допускаемыми.

При оценочном расчете деталей конструкций на прочность принято считать, ели расчетные напряжения σ и t в опастных сечениях не превышают допустимых, то прочность конструкции соответствует требованиям ТЗ. Следовательно, условие обеспечение прочности выражается зависимостями :

σ ≤ [ σ ] или t ≤ [ t ]

В проектных расчетах параметры конструкций а или внешних воздействий φ, обеспечивающие требования прочности, определяются из соотношений :

а = f([ σ ], [ t ]); Р = φ ([ σ ], [ t ]).

При расчете прочности конструкцию РЭА условно заменяют эквивалентной расчетной схемой, для которой известно аналитическое выражение основных колебаний f_0. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема наилучшим способом соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы.

Наиболее часто применяются два вида моделей – балочное и пластинчатые.

К балочным моделям следует приводить элементы конструкций призматической формы, высота (толщена) которых мала по сравнению с длиной. Концы жестко защемлены, оперты или свободны.

К жесткому замещению приравнивают сварку, пайку и приклеивание, к опоре – винтовое закрепление.

В нижеприведенных формулах приведены виды и схемы балок при различных нагрузках и соответствующие им расчетные соотношения для определения максимального прогиба z_max, м ; максимального изгибающего момента М_изг, Н·м и частоты собственных колебаний f₀ Гц.Здесь e – модуль упругости материала, Па ; I – момент инерции, м⁴ ; l – длина, м ; М и m – масса блоков и балки, кг ; Р – сила, Н.

Пластинчатые модели студенту следует использовать для тел призматической формы, высота (толщина) h которых мала по сравнению с размерами основания а, в. Крепление пластин жесткое, опертое или свободное. Жесткое закрепление (нет угловых и линейных перемещений): сварка, пайка, приклеивание, закрепление несколькими винтами. Шарнирная опора (нет линейного перемещения, но возможен поворот по опертой стороне): направляющие, закрепление 1–2 винтами или разъемом. Свободная сторона пластины допускает линейные и угловые перемещения.

Собственная частота пластины с распределенной нагрузкой, Гц :

(1.1)

где Ka – коэффициент определяемый способом крепления пластины и соотношением ее сторон а, в;

D = 0,09Eh³ – жесткость платы, Н·м ;

a, в, h– собственно длина, ширина, высота пластины, м ;

m'' = m/ав – распределенная по площади масса пластины, кг/м².

Если в центре пластины сосредоточена масса М, а по площади распределена масса пластины m, целесообразно применять формулу :

(1.2)

Для пластины с числом точек крепления n = 4, 5, 6

(1.3)

где А = 1/а² при n = 4 ; А = 4/(а²+в²) при n = 5 ; А = 1/4а² при n = 6.

Для круглых пластин, жестко закрепленных по контуру

(1.4)

где R – радиус пластины, м; D = 0,09Eh³ – жесткость пластины,

Н·м; m'' = 0,318m/R² – распределенная по площади массы пластины m.

Величина прогиба Zmax, м, и частота собственных колебаний элемента конструкции f₀, Гц, связаны формулой Гейгера:

Повышение прочности можно достичь, используя ребра жесткости, которые должны крепиться не только к пластине, жесткость которой они повышают, но и к опорам конструкции.

Для прямоугольной пластины, свободно опертой по контуру и имеющей ребра жесткости, параллельные осям координат.

(1.6)

где а в – длина и ширина пластины, м; а_х, h_x – параметры сечения ребра, параллельного оси Х, м; Вх, By – жесткости ребер, параллельных осям соответственно X и Y, Н·м,

Bx = 0,09Ea_xh_x³; By = 0,09Eв_yh_y³;

Mx, My – масса ребер; r, K – число ребер, параллельных осям соответственно X и Y; m_n – масса пластины, кг; n, m – число полу волн в направлении осей X и Y; D – цилиндрическая жесткость пластины, Н·м.

Если ребра, параллельные оси Y отсутствуют, то

(1.7)

Расчет элементов на прочность следует проводить исходя из основных соотношений теории сопротивления материалов:

при растяжении – сжатии

σ_р–сж = р/s ≤ [ σ ]_р–сж ;

при срезе

t_ср = р/s ≤ [ t ]_ср ;

при изгибе

σ_и = М_u / W < [ σ]_u;

при кручении

t_кр = М_кр / W_p ≤ [ t ]_кр,

где Р – усилие действующее на деталь, Н ; S – площадь сечения детали, м² ; M_u, M_кр – изгибающии и крутящии моменты, Н·м ; W, Wp – моменты сопротивления при изгибе и кручении, м³ .

Таким образом, определение нагрузок сводится к определению сил и моментов, действующих на деталь.

Нагрузки статистического режима :

а) сила тяжести P, H:P = mg, где m – масса элемента, кг; g – ускорение свободного падения g = 9,8 м/с²

б) сумма систем сил (равнодействующая),

в) момент силы, Н·м ; Mp = Ph ;

г) сумма моментов сил, Н·м :

д) момент сопротивления сечения W ;

е) момент инерции сечения I.

Нагрузки при вибрациях

P = mgηn_n(1.8)

где m – масса детали с учетом массы элементов, закрепленных на ней, кг; g – ускорение свободного падения, м/с² ; n_n – вибрационная перегрузка, действующая на деталь при резонансе ; η – коэффициент динамичности, позволяющий привести задачу к статической,

(1.9)

здесь δ₀ – параметр, пропорциональный коэффициенту демпфирования β,

(1.10)

К – жесткость элемента, Н/м, К = 4π²f₀²m ; f – частота вибраций, Гц ; f₀ –частота собственных колебаний элемента, Гц.

В околорезонансной области частот

(1.11)

где ψ – логарифмический декремент затухания.

Нагрузки при ударах если принять форму ударного импульса прямоугольной, длительностью τ, то ударную нагрузку можно определить по формуле

(1.12)