Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Цифровое моделирование вибраций в радиоконструкциях

..pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
5.07 Mб
Скачать

X

г

6

5

4

3

2

|

1

0

13

0

—0.01000

—0,01732

—0,02000

—0,01732

 

—0,01000

0

12

0

—0,00971

—0,01082

—0,01942

—0,01082

 

—0,00971

0

11

0

—0,00885

—0,01533

—0,01770

—0,01533

 

—0,00885

О

10

0

-0,00748

—0,01296

—0,01497

—0,01290

 

—0,00748

0

9

0

—0,00568

—0,00984

—0,01136

—0,00984

 

—0,00568

0

8

0

—0,00354

—0,00614

—0,00709

—0,00014

 

—0,00354

0

7

0

—0,00120

—0,00209

—0,00241

—0,00209

 

—0,00120

0

6

0

0,00120

0,00209

0,00241

0,00209

 

0,00120

0

5

0

0,00354

0,00614

0,00709

0,00614

 

0,00354

0

4

0

0,00568

0,00984

0,01136

0,00984

 

0,00568

0

3

0

0,00748

0,01296

0,001497

0,01296

 

0,00748

0

2

0

0,00885

0,01533

0,01770

9,01533

 

0,00885

0

1

0

0,00971

0,01682

0,01942

0,01682

 

0,00971

0

б

0

0,01000

0,01732

0,02000

0,01732

 

0,01030^

0

числяются

как средние арифметические

перемещений

в четырех

соседних узлах (4, 4, 7), (4,

5, 7), (4, 4, 8)

и (4, 5, 8).

По приведенной программе производились вычисле­

ния на 500 шагах

по времени.

 

 

 

 

 

 

На рис. 3.5 приведены графи­

V

 

 

 

 

 

ки перемещений

v

централь­

Q08

 

 

 

 

 

ной точки блока во времени,

 

 

 

 

 

 

вычисленные

для двух случа­ 0,0*

 

 

 

 

 

ев. В

первом

случае

все

коэф­

 

\

1S

/1

 

\

фициенты массы

были

взяты

 

 

 

1т0

\L100

\зоо т 1

равными единице, что облегча­

~а04

 

 

 

 

 

ло проверку

устойчивости про­

 

 

/

zK

 

цесса

вычислений

и анализре-

 

 

 

 

У

 

\

 

 

 

были

взяты

реальные коэффи­

1-------- т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

циенты массы. В первом случае

Рис. 3.5. Графики перемеще­

период колебаний равен 2,35 мс,

нии

v

центральной

точки

а частота f = 425

Гц, а во вто­

 

 

блока:

 

ром — период колебаний

равен

/ — без учета

массы радиодета­

лей;

2 — с учетом

массы радио-

6,85

мс, а частота

колебаний

 

 

деталей.

 

145 Г>ц. В начале расчета ко­ лебания сильно отличаются от косинусоиды, поскольку на­

чальная форма колебаний задана приближенно, особенно при учете массы радиодеталей. В процессе колебаний высшие гармоники, вследствие учета вязкости, затухают быстрее и выделяется первая гармоника. На рис. 3.6 и

3.7 показаны графики перемещений v узлов, находящих­ ся на осях симметрии блока в различные моменты вре­ мени, когда колебания достигали амплитудных значений. Рисунки соответствуют случаю, когда масса радиодета­ лей не учитывалась. Из графиков видно, как формирует­ ся собственная форма колебаний на частоте первой гар­ моники. На рис. 3.8 и 3.9 показана форма ко­ лебаний по осям блока вблизи максимума с учетом массы радиодеталей.

t)--о

0,08

от

/23

 

 

^

 

 

\

I!

|

Г!

Ù

8

12 Z

Рис.

3.6.

Форма

колебании

Рис. 3.7. Форма колебаний

блока в направлении оси г

блока в направлении оси

х без

без

учета

массы

радиоде­

учета массы радиодеталей.

 

 

талей.

 

 

 

 

 

 

В заключение параграфа приведем еще один резуль­ тат вычислений по той же программе резонансных час­ тот продольных колебаний блока. В этом расчете для упрощения анализа результатов блок считался однород-

Рис. 3.8. Форма колебаний блока

Рис. 3.9. Форма

коле­

в направлении оси г с учетом

баний блока

в

на­

массы радиодеталей.

правлении оси х с уче­

 

том массы

радиоде­

 

талей.

 

ным, а сетка имела одинаковые шаги в направлении всех координатных осей (рис. 3.10).

Были выбраны следующие коэффициенты разностной схемы: Al 1 =А21=Л 31 =0,0500, В 12=В13 = В22 = В23= = В32=ВЗЗ = 0,0055 и т. д. Это соответствует значениям коэффициентов Ламэ: À = 8,6 *107 Н/м2 и р = 5,8* Ю7 Н/м2.

Рис. 3.10. Область в задаче вычисления резонансных частот блока способом ударного возбуждения модели.

Шаг по времени был выбран т=15,7 мкс. В расчете бы­ ло произведено импульсное воздействие на модель в угловом узле при x = y — z = 0 в направлении z. Для этого перемещения w этого узла были заданы в три на­ чальных момента времени равными 0, 1 и 0. Затем узел

u,v

Рис. 3.11. Графики перемещений углового узла блока при ударном возбуждении модели.

освобождался и его перемещения в последующие момен­ ты времени выводились на печать. На рис. 3.11 приведе­ ны графики перемещений этого узла во времени в тече­ ние 200 шагов т. Выбросы на графиках соответствуют возвращению отраженных волн в точку возбуждения.

По интервалу между выбросами можно судить о резо­ нансных частотах.

Известно, что скорость распространения продольных волн в однородном материале равна

V,= y (1 + ^ ) Х- ^ = 4 lÆ = 0 ,2 2 3 -r (3-6)

По графику изменения и видно, что отраженная волна приходит в точку возбуждения через 114т и при этом проходит путь, равный 28Л, следовательно, при расчете скорость продольной волны ш = 0,245/г/т.

Скорость поперечных волн можно примерно опреде­ лить по формуле

( и - ^ г ) т - = К 4 в Г у ± = о , т ± -

По графику изменения а видно, что отраженная от зад­ ней грани поперечная волна приходит в точку возбужде­ ния через 104т и проходит путь, равный 16А, следова­ тельно, ее скорость составляет V2 = 0,1!53/г/т.

Сравнение полученных результатов с теоретическими показывает хорошее совпадение. Погрешность вычисле­ ния лежит в пределах фазовой погрешности конечно­ разностной аппроксимации дифференциального уравне­ ния. Следовательно, первые две резонансные частоты блока при продольных колебаниях будут равны 560 и 620 Гц.

3.2. Расчет вибраций платы

Плата представляет собой прямоугольник из фольгированного гетинакса {рис. 3.12), на поверхности которо­ го расположены радиодетали. Поскольку на плате поме­ щается часть схемы источника питания, среди радиоде­ талей имеются детали с различной массой, что учи­ тывается в расчете с помощью коэффициента допол­ нительной массы. Плата укрепляется в пазах с помощью выступов 1. Расчет выполняется для двух вариантов, когда выступы закреплены шарнирно пли помещены в амортизационные прокладки из резины.

Гетинакс имеет следующие характеристики упругос­ ти: Х = 9 -107 Н/м2, ц = 6,3- 107Н/м2, р = 1,3 - 103кг/м3. Раз­ меры платы 140X100X2 мм. Шаги сетки выбраны рав-

94

ными hx=hy=* 1 • 10~2 м, половина толщины платы hz= = 1-10 -3 м.

Расчетные соотношения получены на основании фор­ мул (1.46) — (1.48). В них учитываются только три члена

разложения перемещений в ряд по полиномам

Ле­

жандра: ПрОГИб ДО0 И фуНКЦИИ УГЛОВ ПОВОрОТа

И

Vi.

Рис. 3.12. Пример конструкции платы.

В форме, удобной для программирования, эти урав­

нения имеют вид:

 

 

 

 

 

 

U3 (X, Y) — А (X, Y) *

(Е4 -

В*Е1 (X, Y)) - f

 

+

2 * U 2 (X , Y) — Ul (X, Y),

 

V3(X, Y) =

A(X, Y ) * ( E 5 - B * E 2 ( X , Y ))-f

 

- f

2

* V2 (X, Y) - V 1 (X, Y),

(3.7)

W2 (X, Y) =

A (X, Y) *

(E3 — B * EO (X, Y)) - f

 

+

2 * W 1 (X , Y) — W 0(X, Y),

 

E4 =

P11

- F 1 2 +

F 1 3 - F 1 4 - F 1 5 ,

 

E5 =

F21

F22 +

F23 -

F24 — F25,

 

E3 =

F31

— F32 - f F33 — F34,

(3.8)

 

Fl 1 = Cl 1 -)-D l 1, F 1 2 = C 1 2 + D 1 2 ,

 

F13 =

C13-j-E>13,

F14 =

C14-f-D14,

 

F 15= C 15 +

D15, F21 =

C214-D21,

 

F22 =

C22 +

D22,

F23 =

C23 +

D23,

 

F24 =

C24 -j- D24,

F25 =

C25 +

D25,

 

F31 =

 

C 31+D 31,

F32 =

C32,

 

 

F33 =

C33

D33,

F34 — C34,

(3.9)

C il =

A il % (U 2 (X + 1 ,

Y) — U2(X, Y)),

D11 =

B11Î|C(V2(X + 1,Y +1) + V 2 ( X , Y + 1 ) -

—- V2 (X 1, Y — 1) — V2 (X, Y — 1)),

C12 =

A l l * ( U 2 ( X , Y ) - U 2 ( X - i

Y))

 

 

D12= BJ1*(V2(X, Y+1) + V2(X,-

I , Y4

n

- Y 2 ( X , Y - l ) - V 2 ( X - l , У _Лп

 

U'

C13 = A13*(U2(X, Y + 1 ) - U 2 (X

Y))

 

 

D13=

B13 * (V2 (X +

1, Y+ 1) + V2 (X +

1 v*

 

Y2 (X — 1, Y

1) — V2 (X — 1 Yu

"

C14= A13 % (U2(X, Y )-U 2(X , Y

- ’i))

 

 

D14 =

B13 * (V2 (X +

1, Y) + V2 (X +

i Y __ n

—V2 (X — 1, Y) — V2(X — 1, Y _\\\

 

,_

C15= A15 % U2(X, Y),

 

 

 

 

 

D 1 5 = B 1 5 * (W 1 (X + 1 ,

Y ) - W l ( X - i

Yft

 

C 2 1 = A 2 1 * (V 2 (X ,

Y + 1 ) - V 2 ( X

 

Y))’

 

 

D21 «

B21 * (U2 (X +

1, Y + l) + U2 (X +

i

Y\

- U 2 ( X - l , Y + l ) - U 2 ( X - i

Y))

 

C22 = A21 *(V2(X, Y) — V2(X, Y — П)

 

D22 =

B21 * (U2 (X -I- 1, Y) + U2 (X +

Г Y _

, ,

 

— U2(X — 1, Y ) - U 2 ( X ~ l ,

Y - ’ n

 

 

C23 =

A23 % (V2 (X -f-1, Y )-V 2 (Xf Y)),

 

D23 =

B23>)<(U2(X-|-1, Y-f-l)_j_(j2(X Y4-1)

 

- U 2 ( X + 1 ,Y - 1 ) - U 2 ( X , Y - ! »

 

 

C24=

A23 % (V2 (X,

Y) -

V2 (X -

1 Y))

 

 

D24 =

B24 * (U2 (X, Y +

1) + U2 (X

1’ Y +

n

 

— U2(X. Y — 1) — U2(X— l, Y - ’l)),

 

C25=A25*V2(X, Y),

 

 

 

 

 

D25= B25*(W1(X, Y + 1 ) _ W1(X

Y __n

 

C31 =

A31 * (W1 (X + 1, Y) - W1 (X,’ Y))

 

 

D31 =

B31 ^ c(U 2(X -j-1, Y) — U2(X — 1 Y))

 

C32 =

A 3 1 *(W 1 (X ,

Y ) _ W l ( X - l

Y))

 

 

C33 =

A33 % (W1 (X, Y + 1 ) - Wl(x, Y) ’

 

 

D33=

B33 % (V2(X,

Y -f-1)_ V2(X

Y — iy>

 

C34 =

A33 % (W1 (X, Y) -

W1 (X, Y -

1)).

 

(3.10)

96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Безразмерные коэффициенты вычислялись в соответ­ ствии с формулами (1.43) и имели следующие значения:

A ll — Ах=

(K+J £ z2 =0,0091,

В! 1 = S , =

=

°.°095.

А13= ° ' = - й ; ==0’0027'

В13 = £^ =

^ -= = 0 ,0 0 0 7 ,

 

4рЛ<Лс

 

A 15=3F * = ^11 ==0,8000,

В15' - Я' = Ш 7 “ 0-0135’

А21 = А У = J t t W L l . =0,0091,

В21 = ЗВ» = Ш Г = ° '0571’

M3 = f» = - g r =0,0027,

B23= w» = w , = ° . « » 7. А25 = 3D» = М = 0,8000,

B25 = Ê» = T f s 5 r = ° ' 0135'

A31=D ,=-££=0,0027,

рftzx

B 3 1 = 3 £ z = ||^ -=0,0405,

2рЛдс«2

■433 = f - = - £ = ° ' 0027В33= 3« * = ^ ж = ° . 0405-

(3.11)

Шаг по времени был выбран равным 2,34 мкс.

При этих значениях коэффициентов условия устойчи-1 вости решения выполняются.

Поскольку плата имеет выступы для крепления, усло-

вия проверки граничных элементов при задании гранич­

ных условий затрудняются,

поэтому каждый

элемент

модели имеет признак Н(Х, Y), характеризующий распо­

 

 

 

 

 

 

 

ложение

элемента

по от­

 

 

 

 

 

 

 

ношению

к краям

платы.

 

ЕЭЕМ ШШ

 

ЕЗЁЭЕЗП

 

Однотипные

с точки зре­

!

Е2ЕЭ08_11 1208_08 08 ов_ 11 12_08_08 03

 

ния

задания

 

граничных

ШШ 13 13 13 13 13 13 13 13_13 13 13 07_

 

условий

элементы

имеют

9 Е 30 13_ 13_13 13_ 13 13_ 13 13 !L 13 13 07

 

одинаковые

 

признаки

8

 

13 13 13 ГЗ 13 13 13 13_ 13 13 13 07

 

(рис. 3.13). Элементы с

7 ШШ 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 07

 

 

признаком Н(Х, Y) = 0 до­

8

езез 13_13_13 13 13 13 13 13_13 13_13_07

 

полняют

плату до пря­

5 23В 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 07

 

9 ШШ 13_13 13 тз_и . 13 13_13_ж 1L 13_07

 

моугольника

и

являют­

3\05\13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 07

 

ся

«пустыми». Элементы

2

ШИИШИЕЭЕЗЕЕЗЕЭЕЭЕЭЕЕЗ

 

с

признаком

Н(Х,

Y) = 13

1 E3S3E3EÏEE!23EJElE3ESE2E3

 

являются

внутренними

и

 

1

2 3

9 5 6 7 8 9

1011 12 13 19

х

для

них вычисляются

все

Рис.

3.13.

Признаки

граничных

 

составляющие

напряже­

 

 

узлов

в задаче «плата».

 

ний (3.10). Для осталь­

 

 

 

 

 

 

 

ных

элементов

вычисля­

ляющие

(3.10), для

которых

ются

только

те

состав­

имеются данные соседних

узлов. Коэффициент

А, , учитывающий потери

энергии

на внутреннее трение в этой задаче, как и в предыдущей, выбран равным 0,1. Коэффициент А = (1 + В)М, где М — коэффициент дополнительной массы. Значения коэффи­ циентов массы, учитывающих массу радиодеталей, укрепленных на плате, приведены в табл. 3.5.

Т а б л и ц а 3.5

Значения коэффициентов массы в задаче расчета вибраций платы

и

г

1

2

3

4

5

6

7

8

9

I

0

0,9656

0,9329

0,3630

0,3636

0,3636

0,9329

0,8677

_

2

0

0,8439

0,8625

0,4053

0,4106

0,4201

0,9190

0,8260

3

0

0,5213

0,4555

0,4963

0,4887

0,3765

0,4977

0,4264

_

4

1

0,4926

0,4378

0,4880

0,4912

0,4977

0,4554

0,4281

1

5

1

0,5176

0,6672

0,4212

0,4816

0,3826

0,7394

0,5431

1

Г»

0

0,8515

0,4335

0,7394

0,7336

1

0,4111

0,4045

_

7

0

0,4574

0,3676

0,8197

0,3745

0,5878

0,3393

0,3467

_

8

0

0,4341

0,3247

0,3404

0,5230

0,3697

0,3393

0,4316

_

9

0

0,5407

0,4097

0,8197

0,578!)

0,3943

0,3562

0,5279

Ю

0

0,4100

0,4967

0,8748

0,9101

0,7843

0,9101

0,8588

_

П

1

0,4494

0,4865

0,4887

0,2782

0,2715

0,2607

0,3312

1

12

1

0,4106

0,4098

0,4501

0,3040

0,3031

0,2709

0,3055

1

13

0

0,8984

0,9581

0,8748

0,3180

0,2594

0,5097

0,2735

14

0

0,8588

0,3482

0,6156

0,8542

0,6270

0.6981

0,8984

1Г>

0

0,9456

0,9456

0,8529

0,9456

0.8529

9,9456

0,8969

Программа вычислений, записанная на языке ФОРТРАН, приводится в Приложении 2.

Целью расчета было определение перемещений, на­ пряжений и ускорений в процессе изгибных колебаний при ударном воздействии на плату. Расчет производился для двух вариантов крепления платы. В первом вариан­ те плата считалась закрепленной шарнирно за выступы, во втором — закреплялась за выступы через амортизаци­ онные прокладки из резины. Программа вычислений, приведенная в приложении 2, соответствует шарнирному закреплению выступов.

Учет амортизаторов при расчете не вносит существен­ ных изменений в программу вычислений. Добавляются лишь члены в уравнения развновесия узлов, соединен­ ных с амортизаторами. Для получения этих членов при интегрировании по частям (1.33) нужно учесть напря­ жения на поверхности платы, возникающие при воздей­ ствии амортизационной прокладки. Поскольку полиномы Лежандра на поверхностях платы (г = //2 или z = hz) принимают значения +1 или — 1, внешние напряжения входят в уравнения равновесия без коэффициентов. На­

пример,

третье уравнение

(1.39)

с

учетом

внешних на­

пряжений будет иметь вид

 

 

 

 

 

-

<1+

Зд s ; s

-

i

Е

<■+:ад 'S7-

 

 

р

 

 

 

 

т

 

 

 

^ дуг

' hz 2 j т

д у '

 

■Н«'!

дгтп

(3.12)

 

 

 

■=

Р~д&~

где G+z и a~z — нормальные

напряжения

на верхней и

нижней поверхности платы соответственно. Если за по­

ложительное направление обоих

напряжений

выбрано

направление оси г, то знак « + »

берется при

четных п,

а знак «— » — при нечетных п.

 

 

Внешние напряжения выражаются через деформации амортизатора. Если учитываются только упругие и вяз­

кие

свойства амортизатора, то

внешние напряжения

определяются формулой

 

где

Wh — перемещения корпуса,

к которому прижата

99

прокладка; hu — толщина прокладки; Е — модуль Юнга материала прокладки; ri — коэффициент вязкости мате­ риала прокладки. При воспроизведении ударного воз­ действия на плату корпус считается неподвижным, поэтому Wh=0, Выражение (3.13) представляется в раз­ ностной форме и вводится в формулу для функций уско­ рений (1.41):

•W/j = — аггп -J- 9 +гхп — 0 гхп 0+гуп — 0

гуп

А •ОУ0 —|—В •Wo (t — т),

(3.14)

где

 

?hnh2 <'£ + ^ s = ï З г

При расчете эти коэффициенты имели значения Л =0,001 и В = 0,0001. Таким образом, для учета действия амор­ тизаторов в уравнения для w0 при расчете узлов, соеди­

 

 

 

 

ненных

с

амортизаторами.

 

 

 

 

вводятся

два

дополнитель­

 

 

 

 

ных

члена

 

—-0,001 ш0 -1-

 

 

 

 

+ 0,0001ша(*—т).

На

рис.

 

 

 

 

3.14 показаны графики изме­

 

 

 

 

нения прогибов Wo в средней

 

 

 

 

точке платы во времени при

 

 

 

 

шарнирном закреплении вы­

 

 

 

 

ступов и закреплении высту­

 

 

 

 

пов в амортизационных про­

 

 

 

 

кладках.

В нервом

случае

 

 

 

 

период колебаний после уда­

Рис. 3.14.

Графики

прогибов

ра равен 0,75 мс, а во вто­

в центре платы:

ром — 1,24 мс.

 

 

— шарнирное закрепление; 2 —за­

На

рис. ЗЛ5и 3.16 пока­

крепление в

резиновых прокладках.

заны графики прогибов в уз­

лах модели, расположенных по оси

симметрии

платы,

в направлении

х

в различные моменты

времени

после

 

и

8

12 x(hx)

Q

4

 

8

12 x(hx)

’ ОМ

 

 

 

-о,ou

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~0,О8

 

 

 

-0,08

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-w0

 

 

 

------- -

 

 

 

 

 

 

 

-w0

 

 

 

 

 

Рис. 3.15. Форма

колебаний

Рис. 3.16.

Форма

колебаний

платы

без амортизаторов.

платы с амортизаторами.