军用系统代表商用COTS电子设备的极端环境。许多系统涉及多个外壳,通常来自不同的供应商。亚博官网娱乐app下载设备布局、机架的选择、是否使用隔离以及电子器件的“封装”方式可能有很大不同。没有关于最大允许冲击和振动水平的标准。设计因素通常基于设备脆弱性和预期负载的估计,这两者都是不确定的。

图1所示。外部隔离(左)和内部隔离(右)。
超过100克可以在海军的Mil S 901D测试和超过60克在Mil Std 810G。冲击和振动在何种程度上可以损坏或降低设备的质量是包装中最基本的问题。正确选择与“坚固”外壳相结合的隔振系统是有效控制冲击和振动的基础。

保护COTS电子

保护COTS电子产品有两种选择:

  1. 通过“强化”元件来强化电子设备
  2. 通过外壳来“调整”环境,从而减少设备暴露的环境负荷。

术语“坚固的外壳”并没有很好的定义,但是我们将在这里使用它来区别于用于工业处理的商用机架。通过坚固的机架,我们的意思是一个可以经历20 - 25克或更多的高达1000磅的设备在高冲击环境。混淆这两者会导致封闭和隔离的选择不当。

事实证明,隔离外壳的特点可以将严重的冲击和振动降低到COTS限制范围内的水平,通常是20克的冲击和1.5克的振动。外壳可以“单独”使用,也可以“组合”使用。坚固的机架通常有重型结构框架、加强构件和角托架,以加强结构,并适当地将负载转移到隔震器。使用额定冲击的滑梯和设备支架。

坚固的设计还允许将设备分成“硬”和“隔离”两部分。配件包括风扇组件和滑出货架。使用CAD/FEA软件,可以在设计阶段配置和填充外壳,以评估设备布局,包括关键部件的应力分析和COTS电子的热分布。

隔离机箱类型

图2。带隔离段的硬安装工作站。
有两种主要类型的隔离外壳:外部和内部。这两种材料通常由铝或钢构成。外部隔离(图1,左)描述了一个机架,其隔离系统通常由底座上的4到8个支架和后方的2到4个用于稳定器的隔离器组成。隔离器的数量和它们的放置是基于重量和CG(重心)的填充机架。隔振器通常连接在机架的角落附近,那里的结构相当刚性。内部隔离外壳(图1,右)是一个更复杂的设计,包括一个容纳设备的内部平台和一个硬安装到基础上的外部外壳。从外部机架安装支撑和“浮动”内部平台。

图2显示了一个硬安装的工作站,其中有一个隔离的部分。该设计包括侧板,它是主要的结构支撑框架,有两个较低的设备分段。显示器就在操作员的正前方。在隔离段,设备用弹性体拱支架“漂浮”。

减震例子

在海军的901D重量级驳船试验中,一个电子架安装在一艘有顶篷的驳船上,在驳船附近进行水下爆炸。冲击测量(图3)显示输入接近45 g,响应(图4)略高于12 g。这是典型的隔离机架的冲击性能。

外部隔离围栏

这种机架在军事上应用广泛。多轴安装能够4到4.5英寸垂直偏转是大多数海军外壳的首选。当基础或平台在外壳下垂直或横向移动时,隔离使机架保持直立和相对稳定。在额外的冲击发生之前,阻尼会迅速降低系统的响应。

隔离系统的主要频率被设置为与施加冲击的驱动频率“解耦”,以减少设备上的力。支架的刚度和阻尼在指定的谐振频率范围内选择,谐振时放大最小,当干扰频率超过共振范围时透射率降低。通过扩展幻灯片,设备很容易使用。门全长打开。有强制空气冷却的规定。侧面,后方和电气连接器面板是可拆卸的。

内部隔离围栏

内部隔离外壳的特点是固定的外机架(无摇摆空间)和船与机架之间无二次结构。该设计基本上包括一个开放的内部平台,容纳设备和一个外部机架,硬安装到甲板上。该平台通过隔离器悬浮,并在外部外壳内相对自由地移动。除了减少冲击和振动外,隔离的开放式框架允许在设备的不同高度对冷却空气进行定向控制。

仅在其底部固定,外壳可以定位在一个开放的地板上,甚至位于靠墙或角落。稳定器的缺乏简化了船舶的结构,使搁架可以并排放置。隔振器是柔顺的,适度良好的阻尼元件,具有可重复的刚度特性。冲击同时在各个方向减少。

隔离坐骑

图3。冲击输入g力
隔离支架通常是弹性体拱形或电缆类型。对于海军的高冲击应用,隔离器通常是7英寸高,4.5英寸的自由空间。专有的弹性体化合物具有广泛的温度范围:30°F至140°F,刚度变化25%。阻尼相对恒定在0.1到0.15%,这取决于材料、应变率和温度。弹性体拱支架是高度稳定的,并在冲击后极好的返回位置。电缆支架是由预制不锈钢绳交错的多股和轮廓在一个偏置环安排。阻尼为0.1 ~ 0.15%。两种支架的刚度率随载荷和方向的变化而变化。

正确选择低频隔振器,可减少冲击65%以上。偏转取决于振幅g和输入脉冲持续时间与响应周期的比值。减震的效果随着比值的减小而降低。一个相对坚硬的隔离系统会导致冲击的放大。

典型隔振系统的有效谐振频率为7 ~ 10 hz。当隔振器的刚度率为非线性且随隔振座相对位移变化时,隔振器的振动共振频率和冲击响应频率可以不同。一些支架也表现出阻尼值的变化。弹性体支架可表现出1.25至2.5的动静态刚度比。

机架的频率特性也会影响到对设备的输入。其目标是广泛分离设备和隔离系统的主导频率,然而,机架的构造和设备的布局可以产生一个相对灵活的机架,其主导模式仅比隔离系统大2到2.5倍。这种相互作用会放大隔振器上方的动态响应。在振动中有这样的例子,11至13赫兹的隔离共振与17至20赫兹的机架共振导致对磁盘驱动器的组合输入超过其1.5g限制。同样的隔离/机架系统具有6到7赫兹的有效冲击响应频率,并且在冲击方面非常成功。

隔离和齿条特性

图4。驳船冲击响应g力
外壳制造商与客户密切合作,以确保机架满足军用要求。例如,海军冲击试验将在拐角连接处产生极高的弯曲应力,几乎所有装置都必须为上部约束作出规定。这可能需要进一步加强。目前还没有定义“军用”和“商用”围栏的行业标准。因此,根据应用程序的不同,“坚固的”可能有不同的含义。并不是所有的制造商都确认他们的设计符合军事规格和标准。即使是符合抗震标准的机架也可能不适用于军事用途。

验证冲击和振动性能的要求通常涉及外壳制造商的仿真和分析。冲击通常定义为冲击响应谱(SRS)和加速度(g)输入。多自由度系统的建模和仿真等分析方法可以为船舶或车辆不同位置的设备提供SRS信息。然后,通过将试验测量值与数值模拟值进行比较,可以确定单个设备的冲击。常用的计算方法包括建模、瞬态时间分析和模态叠加。

Mil S 901D和Mil Std 810 G

Mil S 901D覆盖安装在军舰上的设备。901D重量级试验是在浮动冲击平台(FSP)上进行的。也称为驳船试验,FSP甲板频率是影响冲击输入水平的重要因素。峰值重力范围从110到130 g的25赫兹甲板,超过60 g的14赫兹甲板和35到45 g的8赫兹甲板。Mil Std 810测试范围从组合轴正弦和随机振动到飞行和地面设备的60g碰撞冲击。

本文由901D LLC (Airmont, NY)和Shock Tech (Monsey, NY)的工程顾问Herb LeKuch撰写。欲了解更多信息,请联系LeKuch先生此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。,或访问http://info.hotims.com/28057-401。


嵌入式技术杂志

本文首次发表于2010年9月号嵌入式技术杂志。

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