Механическая прочность конструкции Опции

[razob]

Есть задача определить способность устройства сохранять работоспособность в условиях вибрации и после однократного удара.
Наш коллектив такими возможностями не обладает, поэтому ищем организацию (или человека) для выполнения оценки конструкции нашего устройства.

Устройство достаточно простое: печатная плата, прикрученная 4 винтами к металлическому основанию корпуса, и металлическая крышка, прикрученная четырьмя винтами к тому же основанию корпуса. На плате нет каких либо реле и других механических компонентов.

Самостоятельный поиск контрагентов как-то ни к чему не привёл. Находятся только компании, которые могут рассчитать тросовые гасители вибрации и т.п.
Посоветуйте, куда можно обратиться выполнения подобных расчётов?
Хотелось бы узнать резонансные частоты, места наибольшей напряжённости материала, а также получить рекомендации по доработке конструкции.

ЗЫ нужны именно расчёты, а не испытания!

[Valery-m]

Есть задача определить способность устройства сохранять работоспособность в условиях вибрации и после однократного удара.
Наш коллектив такими возможностями не обладает, поэтому ищем организацию (или человека) для выполнения оценки конструкции нашего устройства.

Устройство достаточно простое: печатная плата, прикрученная 4 винтами к металлическому основанию корпуса, и металлическая крышка, прикрученная четырьмя винтами к тому же основанию корпуса. На плате нет каких либо реле и других механических компонентов.

Самостоятельный поиск контрагентов как-то ни к чему не привёл. Находятся только компании, которые могут рассчитать тросовые гасители вибрации и т.п.
Посоветуйте, куда можно обратиться выполнения подобных расчётов?
Хотелось бы узнать резонансные частоты, места наибольшей напряжённости материала, а также получить рекомендации по доработке конструкции.

ЗЫ нужны именно расчёты, а не испытания!

добрый день,

я решаю задачи прочности и теплофизики твердого тела
- стаж 31 год (54 года, к-т.ф-м.н.)

выполняю прочностные расчеты (статика и динамика) и расчеты тепловых режимов оптико-электронных блоков 

мой сын (31 год, к-т.ф-м.н.) решает задачи в области гидро-газодинамики многофазных сред с учетом тепло и массообмена
- тепловые режимы оптико-электронных блоков 
- численное моделирование работы систем ОВиК в помещения с тепловыделяющим оборудованием.


----------------------------------

для начала нужно дать определение что такое прочность и написать критерии этих самых определений

на пример, прочность можно классифицировать как:

- конструкционную - когда в явном виде происходит разрушение на каком-то уровне - полное или частичное,
- технологическую - например
* деламинация (частичное расслоение) платы,
* отслоение токопроводящего слоя, изменение толщины токопроводящего слоя из за деформации и как следствия повышения температуры при "нештатном" значении тока,
* изменение кристаллической структуры материала токопроводящего слоя под действием гармонической/знакопеременной нагрузки - как следствие повышенная вероятность коррозии, повышение температуры при "штатном" значении тока,
из-за изменения кристаллической структуры материала - образование микротрещин - накопление усталостных разрушений,
* изменение свойства припоя, из-за появления пластических деформаций или под воздействием знакопеременных нагрузок
* появление "внутренних" дефектов в электронных компонентах расположенных на платах,
и так далее...



расчет на удар - это как раз понятно и относительно просто...
главное правильно сформулировать задачу и иметь данные по свойствам материалов


а вот с вибрацией все "сложно", ДАЛЕЕ по тексту попробую хотя бы кратко объяснить почему именно...



... "чуть-чуть" про свойства материалов:

Металлы и сплавы:

- обычно достаточно линейных характеристик и пределов упругости, поскольку пластические деформации в таких конструкциях допускают весьма редко.

- если нужен прогноз , когда допускается пластическая деформация, то как минимум нужен закон упрочнения для одноосного растяжения.

- весьма редко, проектировщиков и службу эксплуатации интересуют вопросы разрушения или прогноз разрушения отдельных элементов конструкции, в этом случае нужны данные по описанию вязкого разрушения.

- иногда (главным образом это требуется иностранным производителям из промышленно развитых стран) - требуется выполнить расчет о накоплении усталостных разрушений - малоцикловая усталость = воздействие на конструкцию гармонических, полигармонических и пр. "знакопеременных" нагрузок.

Такие расчеты в СССР (России) практически не выполнялись, кое-что, кое-кто и кое-как пытался освоить и развить в отдельных отраслевых НИИ - авиамоторостроения, ракетостроения, атомной промышленности, подводные лодки и пр... - но дальше написания диссертаций и написания "нормативов" дело не пошло...., правда в России есть и сейчас люди с хорошим образованием, которые периодически что-то пытаются писать и делать в этой области, но ввиду отсутствия реального спроса в России на столько сложные и высокотехнологичные расчеты - знания этих людей остаются невостребованными.
Хочу так же отметить, что расчеты и исследования по малоцикловой усталости - это работа не одиночки, а группы высококвалифицированных инженеров, имеющих весьма хорошее экспериментальное оборудование.

Разделы по малоцикловой усталости в российских нормативах - это чаще всего перевод одного из иностранных нормативов или "компиляция" из нескольких иностранных нормативов - это я к тому написал, что если что-то непонятное написано в российских нормативах - то весьма полезно почитать что написано в иностранном "первоисточнике"?

Все вышеуказанные характеристики материалов могут быть зависимыми от температуры или каких-то иных параметров.



Резины, полимеры, композиты и пр. "экзотические" материалы:

- для обычных условий нагружения - "обычные" свойства упругих и гиперупругих материалов достаточно хорошо изучены, эксперименты не сложные и не дорогие, технология проведения экспериментов более-менее понятна

- однако следует отметить следующее:

а) если в конструкции есть элементы из гиперупругих материалов (резиноподобных) - это автоматически исключает возможность применения теории линейных малых колебаний для изучения поведения данной конструкции при динамических нагрузках.

б) свойства резин, полимеров, композитов, а так же некоторых других "экзотических" материалов - часто зависят от частоты и амплитуды воздействия - т.е. это как бы "нелинейность в квадрате" ....- это автоматически исключает возможность применения теории линейных малых колебаний для изучения поведения данной конструкции при динамических нагрузках.

в) свойства резин, полимеров, композитов, а так же некоторых других "экзотических" материалов - почти всегда очень сильно зависят от температуры

г) резины, полимеры, композиты и пр. "экзотические" материалы проявляют ярко выраженное свойство ползучести, даже при обычных "комнатных" температурах.
Учитывая что свойства этих материалов еще зависят и от частоты воздействия , от амплитуды воздействия, от температуры = правильно смоделировать элементы конструкции из этих материалов весьма не просто.

д) резины, полимеры, композиты и пр. "экзотические" материалы довольно часто, особенно при интенсивных и знакопеременных нагрузках проявляют свойство "гистерезиса" - эффект Малинса, а так же "частичную" пластичность - что еще больше усложняет правильное описание свойств этих материалов.

Все вышеуказанные характеристики материалов могут быть зависимыми от температуры или каких-то иных параметров.


Платы - а именно на них крепятся все электронные/электроческие компоненты - чаще всего имеют многослойную структуру - т.е. это по существу КОМПОЗИТЫ из слоев:
ортотропный диэлектрик и токопроводящие слои , бывают и иные конструкции = таким образом у нас есть пластина, имеющая СЛОЖНУЮ композитную структуру состоящую из нескольких слоев - имеющих ортотропную и изотропную характеристики = как следствие "СЛОЖНУЮ ПРОСТРАНСТВЕННУЮ" жесткость - поясняю:

на пример - у Вас ИЗОТРОПНАЯ пластина - Вы её нагрузили равномерным давлением и получили максимальный прогиб в центре + "симметричные" реакции на границах или в местах закрепления (конечно предполагаем что пластина имеет симметричные граничные условия)

но если Вы таких же размеров имеете пластину из композита, то увы.. картина будет совсем иной - точка максимального прогиба будет скорее всего "где-то", но не в центре... то же самое будет с реакциями на границах и так далее...
т.е. не смотря на равномерную нагрузку и симметричные условия - у Вас распределение деформаций и напряжений будет несимметричным

Таким образом и колебания такой "композитной" пластины будут совсем иные нежели у пластины из изотропного материала.

Т.е. нужно понимать, что даже если Вашу конструкцию можно описать линейной теорией малых колебаний, то "не рекомендуется" задавать свойства платы каким-то "приведенными или усредненными", так как попытка считать материал платы гомогенным - скорее всего это приведет к неверным результатам.

Многослойные платы , имеющие порой сильную ортотропию - по существу являются композитами, которые имеют свойство модулировать движение по амплитудам, частотам и фазам.... - что так же нужно учитывать при расчетах, если Вы рискнули применять теорию малых линейных колебаний.

* термины амплитуды, частоты и фазы - в данном контексте следует понимать как "мгновенные" значения / характеристики колебания, так как если исследуемая система не линейна, амплитуды, частоты и фазы колебаний - не будут постоянными, а ГЛАВНОЕ - они будут взаимозависимыми!

для информации: одно из основных свойств ЛИНЕНЙНЫХ систем - это независимость амплитуды, частоты и фазы колебаний друг от друга!




Если требуется РЕАЛЬНЫЙ прочностной расчет, то нужно создавать математическую модель и решать задачу путем прямого интегрирования уравнений динамики, с учетом геометрической и если нужно физической нелинейностей.

Но к сожалению, в России - этот путь редко кто использует, поскольку реальные расчеты мало кому интересны, к тому же эта работа требующая квалификации расчетчика, наличия весьма серьезных вычислительных средств, времени, достоверных данных по свойствам материалов, к тому же это путь решения задач прочности - на сколько мне известно - нигде не "рекомендуется" в нормативах.

Когда говорят о прочностных расчетах, как правило (к сожалению) почти все сразу "кивают" на теорию ЛИНЕЙНЫХ МАЛЫХ колебаний...., тем более что ОНА - "прописана" во многих нормативах.... ну и большинство просто ничего иного не знают... точнее ничего иного просто не слышали - поскольку ИНОМУ мало где учат.
К сожалению, чаще всего используется спектральный анализ - что рекомендуется почти во всех нормативных документах, или реже решают задачу линейной динамики путем разложения решения по собственным частотам

Далее, я постараюсь максимально подробно объяснить все "недостатки" частотного анализа и в частности спектрального анализа.




Нагрузки для спектрального анализа:

к сожалению, почти никогда проектировщики и конструкторы не знают:
- Какие именно нагрузки будут воздействовать на проектируемую конструкцию?

Чаще всего, так называемые "нагрузки" берут из нормативных документов, написанных бог знает когда и бог знает кем... - естественно значения там "от балды" - типа "средняя температура по больнице".....

Единственно, что "успокаивает и привлекает" проектировщиков и конструкторов - что данные нагрузки "сертифицированы" и за них не придется отвечать.

Почти всегда, нагрузки даются в виде амплитудного спектра , чаще всего спектр ускорений: зависимость ускорения от частоты.

Такого рода спектр получают из записей экспериментов путем преобразования данных из временного диапазона в частотный - с помощью преобразования Фурье на основании каких-то критериев полноты данного спектра.

При таком преобразовании чаще всего фазовый спектр "теряется".. и больше о нем никто никогда не вспоминает... - а зря...

Ну и далее "предлагается" выполнять спектральный анализ - так как это быстрый дешевый способ "решить" задачи динамики - что конечно же почти никогда неверно .




Резонансные частоты - о которых так часто пишут и говорят....

Резонансные частоты - они "постоянны" лишь для линейной теории МАЛЫХ колебаний, т.е. если исследуемая Вами конструкция нелинейна, то в лучшем случае линейный анализ даст Вам ПРИМЕРНОЕ "начальное" значение собственных частот.

Но далее, в процессе нелинейных колебаний, у Вашей нелинейной системы "мгновенные" частоты будут меняться в зависимости от амплитуды колебания, параметров воздействия нагрузки и пр... - в каких-то диапазонах частоты....?!

Кроме того, что бы решить линейную систему дифференциальных уравнений - для определения собственных частот - необходимо иметь ПОСТОЯННЫЕ граничные условия, что практически невыполнимо, так как любая плата крепится к чему-то с помощью болтов, заклепок и пр. - т.е. там нет "жестких/постоянных" граничных условий - там контакты - которые невозможно в принципе учесть при решении линейной системы уравнений, поскольку контакты - это "односторонние - переменные" граничные условия, переменные в том числе и по "жесткости" - по площади контактов.

Кроме того, контакты - это всегда трение, а значит это диссипация энергии = что для колебаний это означает потерю энергии на тепло при трении и переменность фазы колебаний - что опять же недопустимо для теории линейных колебаний - так как данный факт - противоречит требованию консервативности ЛИНЕЙНОЙ системы.

Контакты - если говорить о колебаниях в общем - они ведь являются модуляторами амплитуды, частоты, фазы колебаний - т.е. порой существенно изменяют параметры движения.



Почти все платы - имеют нелинейную зависимость деформаций\перемещений от нагрузок, тем более от нагрузок перпендикулярно нормали к плате
т.е. почти никогда нельзя правильно описать деформацию / движение платы с помощью ЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ МАЛЫХ КОЛЕБАНИЙ.

Даже если плата "толстая, жесткая" и потому её движение можно описать теорией линейных малых колебаний, то задание нагрузки в виде спектр амплитуд - то это полная ерунда, так как он Вам ничего не даст, поскольку он получен путем преобразования Фурье - когда Вы по каким-то соображениям ограничиваете разложение реального воздействия на N-частот....

т.е. как минимум нужен еще спектр частот, что бы путем обратного преобразования Фурье - получить "нечто" похожее на первоначальное динамическое воздействие во временной области....

но повторяю еще раз - это теория линейных малых колебаний - она как правило не подходит для описания реальных вибрационных воздействий - там иные - на порядки большие амплитуды колебаний, а значит эти колебания уже должны описываться нелинейными уравнения движения.



Предположим, что Ваша конструкция может в какой-то мере быть описана теорией малых линейных деформаций, Вы можете определить параметры движения , но Вы не можете определить величины напряжений, так как при создании ЛИНЕЙНОЙ математической модели, нет возможности моделировать контакты между элементами Вашей модели.

т.е. Вы не сможете получить правильное распределение напряжений в конструкции узлов сопряжения.


проще говоря, когда Вы используете спектральный анализ, Вы должны озадачиться следующим:

убедиться что Ваша физическая модель соответствует требования ЛИНЕЙНОСТИ!

*** в том числе и после того, как Вы "склеите" Ваши кусочки модели в "монолит", или это как-то сделает за Вас программа

*** кстати, хорошо бы разобраться - как это будет делать сама программа.... потому что она же все же просто программа.... кем-то написанный алгоритм действий, который естественно не может быть универсальным


Далее, ЕСЛИ Вы используете спектральный анализ, то Вы должны ПОНИМАТЬ - что ЭТО - просто ТУПОЕ СУММИРОВАНИЕ по всем частотам - что в переводе на простой язык означает следующее:
Вы получаете "верхнюю" оценку, которая многократно превышает РЕАЛЬНЫЕ значения!

Следующее:
используя спектральный анализ в модели (имеющей контакты), где Вы и/или Ваша программа склеивает кусочки в единое целое, НЕЛЬЗЯ говорить о получении достоверных напряжений в принципе, по двум причинам:

1. из-за "тупого суммирования" по всем частотам
2. из-за того что невозможно учесть контакты

Таким образом, спектральный анализ может давать Вам лишь "верхнюю" - очень завышенную оценку по перемещения, скоростям, ускорениям, ПРИ УСЛОВИИ что Ваше конструкция отвечает ВСЕМ требованиям линейности!


ну и последнее, с учетом выше написанного, сравнивать результаты эксперимента по любому искомому параметру с результатами "расчетов" с применением спектрального метода - глупость невероятная, по следующим причинам:

а)выполняя спектральный анализ, в лучшем случае Вы получаете "верхнюю" - очень завышенную оценку по перемещения, скоростям, ускорениям, а не какое-то - более-менее достоверное значение!
*** т.е. "расчетные" значения по перемещения, скоростям, ускорениям ОДНОЗНАЧНО будут выше экспериментальных

б) совершенно не понятно, каким образом будет моделироваться требуемая полигармоническая нагрузка - т.е. как её эту нагрузку чисто физически смогут реализовать на стенде?
*** даже если предположить что у Вас будут спектра по частотам и амплитудам - т.е. Вы сможете провести обратное преобразование Фурье.


можно еще задать много вопросов по характеристикам демпфирования - но не буду этого делать, так как очевидно - что узаконенная ерунда в нормативных документах, написанных много десятилетий назад - приводит к "комичной" ситуации в настоящее время!




...чуть-чуть про эксперименты:

Как чисто физически Вы сможете смоделировать полигармоническую нагрузку на стенде?

*** полигармоническая нагрузка - это несколько гармонических нагрузок одновременно действующих на конструкцию, но каждая из них начиная со второй имеет собственное значение сдвига, относительно нулевой точки отсчета по времени.

я много раз спрашивал у разных инженеров-экспериментаторов разных НИИ - Как это можно сделать чисто физически?

*** тем более что они почти никогда не знаю частотный спектр!!

- что автоматически означает, что они не могут выполнить обратное преобразование Фурье и не могут получить ПРАВИЛЬНУЮ полигармоническую нагрузку!
т.е. чаще всего экспериментаторы просто не знают ЧТО собственно нужно прикладывать в качестве нагрузки ?!


т.е. не зная фазы смещения по частотам, непонятно КАК "сопрягать" отдельные гармоники, что бы в результате получить нечто похожее на требуемую полигармоническую нагрузку!

никто, ни разу ничего внятного мне на этот простой вопрос не ответил.....

почти всегда "ответы" были примерно такие:
... ну у нас же все сертифицировано... и методики и оборудование..
... ну чего нам заморачиваться?....



Если вдруг кому-то будут нужны РЕАЛЬНЫЕ расчеты, то возможны три варианта:

1) Вам нужно создать "адекватную" мат.модель (упрощенную с точки зрения детализации) и получить параметры движения интересующих Вас электронных компонентов, и используя эти результаты - изучать их влияние на прочность компонентов

2) на "упрощенной" мат.модели, создавать отдельные кусочки с достаточной степенью детализации и изучать прочность конкретных элементов

3) Создать полномасштабную модель, учитывающую все детали, с высокой степенью детализации - такой путь он в значительной мере оправдан, но лишь в том случае, если инженер знает большую часть "особенностей" проектируемой конструкции, т.е. этот путь целесообразен лишь после того, как будет создана и отлажена более простая математическая модель - см. п.1,2


но для начала нужно написать критерии прочности для каждого элемента - что само по себе уже весьма не просто
*** производители электронных компонентов (в том числе и иностранные производители) стараются не давать никакой конкретной информации о своей продукции, отчасти потому что многие сами толком не знают ничего о свойствах выпускаемой ими продукции, а отчасти что РЕАЛЬНЫЕ характеристики выпускаемой продукции не соответствуют декларируемым .....




ну и последнее, если перед Вам стоит задача о проведении прочностных расчетов, то следует понять:
либо речь идет о РЕАЛЬНОМ расчете,
либо речь идет о "соответствии" Вашей продукции нормативным документам...., где "говорится" о прочностных расчетах.

*** соответствие продукции нормативным документам - никоим образом не гарантирует прочности!


- извиняюсь если что-то , где-то повторил... все же вечер... устал....
надеюсь что выше написанное будет кому-то полезно

Сообщение отредактировал Valery-m - Nov 3 2017, 12:00