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电子设备振动环境适应性设计

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§1.电子设备抗恶劣环境设计概论
1.1 引言
确保电子设备在生产、运输和工作全过程所历经的各类恶劣环境中,最可靠、最充分地发挥电子设备功能的工程设计,称之为电子设备抗恶劣环境设计,也可称之为电子设备环境适应性设计。
电子设备抗恶劣环境设计是一项巨大的系统工程,它是贯穿于电子设备从研制到运行的全寿期。其研究内容大致可分为三大类:
1) 电子设备全寿命期内必须历经的各类环境、环境组合及其相对应的严酷度的研究电子设备环境平台研究。可借助于广义激励F?s?来表征;
2) 电子设备在全寿命期内,能够正常工作所允许的各类环境、环境组合及其相对应的严酷度的研究 电子设备环境适应性平台(脆值平台)研究。可借助于广义响应度Z?s?来表征;
3) 将电子设备“环境平台”F?s?中各类环境的严酷度,控制到电子设备能正常工作的“环境适应性平台(脆值平台)”Z?s?中相应的严酷度所采取的工程控制技术研究环境控制
技术研究。可借助于广义传递函数G?s?来表征。
 
 
 
1.2 电子设备环境平台研究
众所周知,产品效能E 是可靠性(R)、维修性(M)和环境因素的函数,产品性能的先进性是至关重要的,而可靠性、可维性和环境适应性是产品性能先进性得以持久保持的保证。可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。这里所说的规定条件,包括使用时的环境条件,维护方法,贮存时间、贮存条件,以及使用时对操作人员技术等级的要求。在不同的环境条件下产品的可靠性是不同的。环境条件对产品可靠性起重要影响作用,在恶劣环境中电子设备的故障率将增大,可靠性降低。
 
1) 环境平台的含义
根据国家标准GB2422《电工电子产品基本环境试验规程名词术语》的规定,环境条件的定义是:产品所经受其周围的物理、化学、生物的条件。环境条件用各单一的环境参数和它们的严酷等级的组合来确定。
电子设备环境平台是指电子设备在生产、贮存、运输和使用中所历经的一切外界影响因素集合,其中还包含了在外界影响因素作用下引发的诱导环境等因素。
2) 环境平台的组成
根据各类环境自身的物理、化学、生物学和人文学特点,以及它们对电子设备失效的影响机理,典型的环境平台组成如下:
a) 气候环境 温度、湿度、气压、风、雨雪冰霜、凝露、沙尘、油雾、游离气体;
b) 机械(力学)环境 振动、冲击、离心加速度、碰撞、跌落、摇摆、静力负荷、失重、爆炸、冲击波;
c) 电磁及辐射环境电场、磁场、闪电、雷击、电晕、放电、太阳辐射、核辐射、紫外线辐射、宇宙线辐射;
d) 化学腐蚀环境 腐蚀性大气、酸、碱、盐类等;
e) 生物学环境 霉菌、微生物、昆虫、甲壳类和啮齿类;
f) 人文学因素 同一设备在包装、运输、维护保养、使用过程中的人为因素。
3) 环境平台研究的主要内容
a) 环境标准研究
环境标准是建立环境平台的依据.而环境标准的先进性、科学性、可操作性是制定环境标准必须考虑的问题。
没有先进环境标准,就没有高可靠的电子设备。标准是推动电子设备研制、发展的指挥棒和推动力(发动机)。各类环境标准应互相支撑、包容。各标准中的严酷度等级及环境组合的选定时,必须遵循实事求是原则。既不能任意放宽也不能无限制加严。
 
b) 环境试验方法和试验设备研究
环境试验方法研究是寻求最可靠的试验设备,最合理的技术途径,最恰当的试验结论评价体系,来实现环境标准规定的严酷度及试验目的。
环境试验的目的是为了提高、鉴定和证实产品对环境的适应性,为产品投产和验收提供依据。
可靠性试验的目的是为了提高、鉴定和证实产品的可靠性,为产品能否投产和验收提供依据。
可见,环境试验的目的不同其环境平台也不相同。高水平的环境试验设备和检测系统是确保准确地再现环境平台中各类环境条件的基本手段。
在单项环境试验时,主要考核单项参数对电子设备影响的程度,单项环境试验项目一般有20 多项,且试验时间比较短,除霉菌试验(28 天),湿热试验(240 小时)外,一般都不超过100 小时。可靠性试验中,试验时间长,而且严格要求进行综合模拟,一般应考虑湿度、振动和温度三个对可靠性起决定性作用的因素进行综合试验。
另一方面,环境试验和可靠性试验选用的环境严酷度等级(即应力)基本准则也完全不同。在环境试验中,基本上采用极值准则,即采用产品贮存、运输和工作中遇到的最极端环境试验条件,即产品在极端环境条件下不破坏或能正常工作。因此环境试验时不允许出现故障,出现故障则认为产品通不过试验并立即停止;采取相应措施消除故障才能重新进行试验。而可靠性试验则更强调模拟产品的真实使用环境,选用环境条件是随时间的动态响应谱。在可靠性试验时只有一个小部分试验等级达到最严酷的环境条件,且其时间与实际暴露时间相对应。可靠性试验是一种统计概率表示试验的结果,试验中允许选用环境因素的数目,并允许出现一定数量的故障,出现故障后进行修复并记录失效情况、划分为关联失效与非关联失效。
环境试验可以看作是可靠性试验的早期部分,在环境试验中发现和解决问题,有助于克服和消除产品的薄弱环节,可以说,环境试验是可靠性试验的基础和前提条件。
在电子设备研制的方案论证最初阶段而不是“木已成舟”阶段,就必须准确地,而不是大约地搞清电子设备的环境平台,我们暂且称之为“吃透源头”。
 
 
1.3 电子设备环境适应性平台的建立方法
当前国内研制的电子装备比较重视其功能和电性能指标,可靠性研究也偏重于电性能的可靠性指标分析,而结构和环境可靠性的研究还局限于定性分析,远没有达到定量研究的程度。相应的结构技术措施甚少,以致于出厂时的可靠性试验指标虽有所提高,但装备部队使用一段时间后的可靠性明显下降,有的甚至连正常开机都有困难。
 
1.4电子设备抗恶劣环境设计概述
抗恶劣环境设计涉及的专业内容广泛。它包括了:机械学、电子学、材料学、传热学、电磁场理论、力学、电化学、人机工程学、声学、生物学、环境科学、可靠性、维修性等等众多的学科和技术范畴。如何将这些学科的理论应用于电子装备的工程设计,这是一个十分复杂的问题。其技术内容是互相渗透、贯通,而又互相制约。因此,如何通过理论研究和试验研究,探索出新的途径,解决电子装备抗恶劣环境工程设计中出现的难题,是目前一个迫切的任务。这也要求设计人员必需具备各学科的基本理论,在工程上综合运用,在总体上体现出高水平的设计。
 
 
§2. 电子设备振动理论基础
振动系统按其力学模型特点分为离散系统和连续系统。离散系统具有有限个自由度,连续系统具有无限个自由度。振动系统的自由度数定义为完全描述其运动状态所需的独立坐标的个数。
单自由度线性振动系统是离散振动系统中最简单的一种。尽管将复杂系统简化为最简单的数学模型来分析具有较大的近似性,中国可靠性网,但是对单自由度系统深入研究不仅可以建立振动理论分析的基本概念,而且也为研究线性多自由度振动系统和连续系统打下了基础。在求解大多数线性多自由度系统振动特性时,我们往往可通过模态分析技术将它们简化为一组互不相关的二阶线性微分方程,并且其中每一个方程均类似于单自由度系统的方程。
系统对仅受初始激励的响应称为自由振动;系统受连续振动激励而对外部作用力的响应称为强迫振动,系统受到瞬态激励,其力、位置、速度或加速度响应发生突然变化的现象称为冲击。
2.1 单自由度系统振动
2.1.1 离散振动系统的力学模型
 
2.2 多自由度系统的振动
上一节介绍了将电子设备简化为单自由度系统分析时的振动特点及其隔振技术。为了进一步提高分析精度,有时需要把电子设备离散为多自由度系统进行分析。计算机技术的发展为提高离散多自由度系统的分析精度和分析速度提供了可能。
本章主要讨论多自由度系统的振动分析及其应用问题。
 
2.3 连续弹性系统
组成电子设备的任何一个机械结构,其质量和刚度原则上都是连续分布的,它们的运动状态需要无限多个坐标来描述。这种具有无限多个自由度的弹性系统,称为连续弹性系统。
在对连续弹性系统振动问题的基本性质进行分析时,假设其材料是均匀连续、各向同性的、其应力应变关系服从虎克定律。
 
2.4 两倍频规则及其应用
2.4.1 刚度设计
电子设备的刚度设计是以保证实现电子设备功能为基本目的的。因此,在恶劣的振动、冲击、爆炸和风暴等内外激励条件下,电子设备的刚强度设计必须遵循如下准则:
1)在振动激励频率范围内,所有层次结构不得出现有有害的结构谐振;
2)层次结构及其连接刚度,必须符合二倍频规则;
3)机电性能紧密相关的模块或组合(如天线、波导、频率源、印制板、接插件等),其结构变形不得造成设备电信性能的下降或失灵;
4)在设备进行环境试验时,以及在设备全寿命期内,结构的实际应力必须小于其相应的许用应力。在全部环境条件试验结束后,不可换的关键模块、结构的Miner 累积疲劳循环比R 必须小于0.3,否则不应交付使用;
5)可折或翻转式连接结构,必须消除结合面间的间隙,以避免引起附加冲击、非线性自激振荡和机械结构噪声。
2.4.2 层次结构和二倍频规则
 
2.5 随机振动概述
随机振动是一种最常见的非确定性振动形式。物体在作随机振动时,它们的振动参数瞬时值无法用确定的函数来描述。随机振动的特征是采用在相同试验条件下得到的多个随机振动样本的统计特征来描述的。当随机过程的统计特性不随时间变化时,则称它为平稳随面过程。当整个平稳随机过程的统计特性与每个样本的统计特性相同时,则称其为各态历经过程。“各态历经”意味着“时间平均”等于“集总平均”,对于各态历经的随机过程,只要有一个样本就可以反映整个随机过程的特性。
国家标准中规定实施的随机振动环境条件试验都是平衡随机振动。常见的是窄带随机振动、宽还随机振动和白噪声随机振动及其组合。
随机振动的统计参数一般可用三种统计方法来描述,它们是:幅值域统计描述;时延域统计描述;频率域统计描述。
2.5.1 随机振动统计描述
1)随机振动的幅值域统计描述
描述随机振动幅值域统计特性的参数有均值、方差和标准差。
 
§3.电子设备隔振缓冲系统设计与隔振器
当刚性连接的机箱、机柜、显控台无法满足环境试验要求时,可安装隔振系统帮助设备过关。但在大多数情况下,是为了通过隔振系统降低设备受到的振动冲击激励量值,为设备提供较好的力学环境,从而提高设备的安全性、可靠性和使用寿命。当无军品级商品时,在保证设备正常工作的前提下,可采用低一级(如用工业级代替军品级)元器件来降低设备成本。
提高设备结构设计水平和提高设备抗振抗冲击能力是首位的,必须克服完全寄希望于隔振系统的错误设计思想。
1.振动与冲击隔离系统设计准则
振动与冲击隔离系统(以下简称隔振系统)设计,必须遵循以下准则:
1)隔振器的安装方式必须规范化,标准化;
2)隔振系统设计模块化、系列化;
3)隔离系统的实际传递率必须小于许用传递率,也就是说,隔振系统传递给设备的激励力必须小于设备的许用值;
4)隔振系统必须进行稳定性校验。在激励频率范围内,不得出现有害的耦联振动、共振和非线性自激振荡;
5)隔振系统必须兼有隔振与缓冲功能;
6)所选用的隔振器的抗振、抗冲击特性和环境适应性必须优于被保护设备。在弹性元件失灵后,必须有防护装置。在任何条件下,设备不得处于无支承状态。
2.隔离系统设计必备的原始资料
在进行隔离系统设计之前,必须对被保护设备、拟选用的隔振器,以及相应的力学环境严酷度等进行摸底,以求获得最佳设计。
1) 被保护设备的资料
a. 设备总质量及质心在三维空间位置;
b. 设备绕各坐标轴的转动惯量;
c. 设备在各坐标轴向的一阶固有频率,或危险频率;
d. 各隔振器的实际承载量及安装位置;
e. 设备与周围设备及舱壁间允许变形空间;
f. 设备允许的振动、冲击加速度,或允许的传递率
g. 设备试验和工作环境严酷度等级。
2) 隔振器资料
a. 总外形尺寸、安装孔尺寸;
b. 与设备联接方式及螺钉(螺孔)尺寸;
c. 刚度或公称载荷下的固有频率;
d. 承载方向和承载范围;
e. 动态特性( v ab sh  , 和 )
f. 校平特性
 
3.1 电子设备振动隔离系统
隔振是采用弹性、阻尼器件将电子设备与基础隔离的技术措施。降低基础振动传给设备的振动量值称为被动隔振或消极隔振;降低设备振动传给基础或基础附近其它设备的振动量值,称为主动隔振或积极隔振。采用隔振器、阻尼器、阻尼材料等无源元件进行振动隔离的技术措施,称为无源振动控制;采用附加能源输入,并引进伺服控制系统进行振动控制的技术称为有源振动控制。
无源振动控制有二个基本研究方向:加固设计和振动冲击隔离。
加固设计是在振动理论分析与振动实验分析基础上,筛选出抗振抗冲击特性较好的结 构件和元器件,使电子设备在不加装任何隔振缓冲器的情况下,就能在各种严酷的机械环境条件下安全、可靠地工作,这是加固设计追求的目标。
由于受技术条件或经济成本方面的限制,有时很难实现上述加固设计的要求。采用隔振 缓冲技术,减少或避免外界激励对电子设备的有害影响,这便是振动冲击隔离技术。
 
3.2 多自由度隔振系统设计
前面讨论的单自由度系统仅适用于说明隔振的基本原理,但是对于许多实际问题则是过于简化了。弹性支承的质量发生单向位移的条件与许多实际应用的要求是不符的。一般地说,必须按照给定的力和位移以及弹性约束所规定的限制,考虑在所有方向上的运动自由度。
由于电子设备自身的固有频率fn1,随着抗振设计水平的提高而不断增大,对于中大型电子设备,其一阶固有频率在铅垂向可达20Hz以上,水平横向可达10Hz以上;对于小型电子设备其一阶固有频率在铅垂向可达30Hz以上。不过,扭转频率一般较低。现在,随着结构、工
艺材料等的技术发展,隔振器的固有频率fn2则可达到2~5Hz,两者的比值(fn1/fn2)也越来越大。所以,在工程中,往往把电子设备加装隔振器后所组成的隔振系统简化为单质体多
自由度系统来讨论。这种简化尽管有一定局限性,但对工程振动分析而言,还是较为合理的。
 
3.2 多自由度隔振系统设计
前面讨论的单自由度系统仅适用于说明隔振的基本原理,但是对于许多实际问题则是过于简化了。弹性支承的质量发生单向位移的条件与许多实际应用的要求是不符的。一般地说,必须按照给定的力和位移以及弹性约束所规定的限制,考虑在所有方向上的运动自由度。
由于电子设备自身的固有频率fn1,随着抗振设计水平的提高而不断增大,对于中大型电子设备,其一阶固有频率在铅垂向可达20Hz以上,水平横向可达10Hz以上;对于小型电子设备其一阶固有频率在铅垂向可达30Hz以上。不过,扭转频率一般较低。现在,随着结构、工艺材料等的技术发展,隔振器的固有频率fn2则可达到2~5Hz,两者的比值(fn1/fn2)也越来越大。所以,在工程中,往往把电子设备加装隔振器后所组成的隔振系统简化为单质体多自由度系统来讨论。这种简化尽管有一定局限性,但对工程振动分析而言,还是较为合理的。
 
 
3.4 隔振器设计与选用
隔振器是为电子设备隔振系统提供弹性特性和阻尼特性的主要元件。隔振器的设计、制造和选用应符合SJ2555《电子设备隔振器设计与选用导则》中的有关规定,并应遵循隔振与缓冲兼顾原则,与电子设备使用环境相适应原则和高的性能价格比原则。
 
3.4.1 隔振系统对隔振器的要求
隔振器是组成模块化隔振系统的基本单元。隔振系统总体动态特性是由组成该系统各个隔振器的弹性阻尼特性及其匹配组合确定的。为此,要实现隔振系统的模块化,隔振器除必须同时兼有隔振与缓冲功能外,还必须满足如下要求。
1) 相同外形尺寸不同承载量要求
在有关标准中(如HJB68)都对机箱、机柜、显控台的外形尺寸和隔振器安装方式变形空间作了规定(如图3.28~图3.30所示)。但相同尺寸的机柜、显控台,由于其内部组件不同,重量有较大差异(120—500Kg)。此外,对于同一个柜机,由于工程中不可避免的质量偏心现象,四个底部隔振器的实际承载量也不相同。从系统外观一致性要求出发,要求在相同外形尺寸和变形空间条件下,隔振器应具有不同的承载能力。
2) 各隔振器固有频率相接近要求
 
3.5 无谐振峰隔振缓冲系统简介
根据电子装备抗恶劣环境设计的要求。电子装备必须在全寿命期内经受振动,冲击(含三维强冲击),碰撞,核爆,风激励等力学环境的考验。
除了对电子设备中组件、插箱进行应力筛选、对整机进行结构加固以提高其抗力学环境能力外,采用隔振缓冲系统来缓和或避免力学环境对电子设备的有害影响,可以达到降低电子设备加固成本、提高其可靠性和使用寿命的目的。
3.5.1 金属隔振器
弹性特性和阻尼特性主要由金属构件确定的隔振器,称为金属隔振器,其特点如下:
a) 对环境条件反应不敏感,可在油污,高、低温恶劣环境下工作,不易老化,性能稳定。
b) 它的动刚度和静刚度基本上相同。金属弹簧适用于静态位移要求较大的减振器,当工作应力低于屈服应力时,弹簧不会产生蠕变。但是,应力超过屈服应力时,即使是瞬时,也会使弹簧产生永久变形。因此,应有卸荷和限位装置,以确保动态应力不超过弹性极限。
 
参考文献
1 季馨,电子设备振动分析与试验.东南大学出版社,1992.10
2 季馨,背靠隔振器和背靠隔振系统弹性特性设计 现代雷达,1994.8
3 季馨,周自兴舰船电子装备隔振系统和背架隔振器研究 船舶工程,1996第2期
4 季馨,龚至泽隔振系统模块设计浅议 电子机械工程,1996
5 汪凤泉、季馨等电子设备振与冲击手册 科学出版社, 1998
6 HJB68—92舰艇电子装备显控台、机箱、机柜通用规范 海军装备部 1992
7 SJ/T 10178—91隔振器特性测试 电子部标准化所
8 电子设备振动冲击手册 科学出版社

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