电子设备振动环境适应性设计

第1章 电子设备振动冲击适应性设计概论 （1）

1.1 引言 （1）

1.2 电子设备环境平台研究 （2）

1.2.1 环境平台的含义 （3）

1.2.2 环境平台的组成 （3）

1.2.3 环境平台研究的主要内容 （3）

1.2.4 环境平台设计的内容与步骤 （8）

1.3 电子设备环境适应性平台研究 （9）

1.3.1 环境适应性（脆值）平台的组成 （9）

1.3.2 建立环境适应性平台的研究方法 （10）

1.3.3 提高环境适应性平台的技术措施 （11）

1.4 电子设备环境控制技术及其设计准则研究 （12）

1.4.1 无源环境控制技术 （12）

1.4.2 有源环境控制技术 （13）

1.5 电子设备环境适应性设计准则 （13）

序

电子机械工程主要研究电子装备机械结构设计与制造等，其特点在于如何使系统或装备在复杂的机械环境、电磁环境以及热环境中满足对其电性能的要求，并具有高的可靠性。飞速发展的电子信息技术已成为我国现代化建设的一个关键技术。电子信息技术的实现依赖于电子装备的性能，包括电磁性能和机械结构性能。机械结构不仅是电性能实现的载体和保障，而且往往制约着电性能的实现。随着电子装备向高频段、高增益；高密度、小型化；快响应、高指向精度方向的发展，这种制约作用愈加凸显。电子机械工程即专门研究为实现电子装备性能，进行机械结构设计与制造的学科，是一门多学科相交融的学科。具体可分为如下四个方面：

一 机械结构因素对电性能的影响：如天线伺服驱动系统的结构谐振频率限制了控制系统的带宽；摩擦、间隙、弹性变形等对控制系统性能的影响；天线结构变形和反射面误差影响天线的效率；微波器件的加工精度与表面粗糙度对微波器件的影响等；实际上微波器件的结构设计与电气设计已经密不可分。因此必须清楚透析这些影响的机理与规律，才能正确设计结构，确保电子装备的性能优良。这是一个多种物理场的耦合问题，可归结为机械、电子、控制的耦合理论以及耦合问题的建模和求解。

二 电子设备对各种恶劣环境的防护：包括电子设备在强烈的振动与冲击下可靠工作，防止失效；在严酷环境下电子设备的温度控制，使电子元、器件温度不超过允许值；电子设备抵御外界电磁干扰的能力和避免自身对环境的电磁污染等。其特点在于使系统或装备在复杂的机械环境、电磁环境以及热环境中满足对其电性能的要求，并具有高的可靠性。此外，还有防潮、防霉、防盐雾腐蚀以及防原子、防生物化学武器等。涉及机械学、传热学、电磁场理论、环境科学、化学、材料学等多门学科。因此在电子设备的设计中必须将各种防护措施综合、统一来考虑。

三 电子组装技术：即如何将成千上万的电子元器件正确而有效地连接、组装及布局，组成一个性能满足要求的整机或系统。在组装过程中，内部要考虑各电子元器件间的互相影响；外部要考虑各种环境因素的影响，最终确保其高可靠性、易维修性及易操作性。目前电子组装技术已发展到表面安装、三维组装及微组装。其中，电路、结构、工艺密不可分。此外为了使操作人员能高效地工作，人机工程学也不容忽视。

四 电子精密机械设计：为实现电子设备的功能，往往需要精密机械，甚至大型机械与结构。典型的如雷达天线、射电望远镜天线、计算机外部设备、机器人等。雷达天线是一种典型的精密机械，其精度与精密机床相比毫不逊色；直径几十米、上百米的全可动抛物面反射器结构高精度的要求，工程上很难实现；计算机外部设备如绘图机、扫描仪、打印机等，其设计是典型的机、光、电一体化设计。这里的电子精密机械设计不同于一般概念上的精密机械设计，是为了满足电子设备性能要求的机电综合性设计。

特别需要指出的是军用电子设备与系统，由于要适应条件苛刻、问题突出、要求严格、更新快的战争环境，在民用产品中罕见应用的代价高昂的许多尖端新技术，率先在军事装备中获得广泛应用。在未来战争中电子战与信息战将起着至关重要的作用，这将赋予电子机械工程在加强现代化国防建设中更重大的责任，也将使电子机械工程面临新的挑战。

为系统总结我国在电子机械工程领域的研究工作，中国电子学会电子机械工程分会特组织编写了《现代电子机械工程》丛书，旨在服务于我国电子机械领域的科学研究和装备研制工作。

希望该丛书的出版将对我国电子机械工程技术的发展起到积极的促进作用。

中国工程院院士

西安电子科技大学校长

中国电子学会电子机械工程分会主任委员

段宝岩

前 言

强烈的振动、冲击和自然力学环境（如暴风、巨浪、沙尘暴等）已成为影响电子设备电性能高可靠和稳定长期工作的主要因素。对于从来没有系统学习过振动理论和拥有该领域工程实践经验的年轻结构工作者而言，要认识机械振动对电子设备电信功能的影响机理并采取相应的工程应对措施是非常困难的。

本书试图从最基本的振动理论出发，让读者逐步认识电子设备振动环境适应性的内涵，即环境平台（设计输入）、环境适应性平台和振动工程控制等的研究内容、设计方法和设计思路。

振动理论中的很多基本概念，特别是振动试验分析中的很多概念、定义和数据分析统计、故障诊断分析，与数学计算是分不开的。尽管我们努力使之更简单，但数学推演还是占了一定篇幅，还望读者耐心看一看。

我们期望通过本书，把几十年来我们自己和别人的成功应用实例和失败的教训告诉年轻的朋友们，希望你们少走或不走弯路。

为了方便从未系统学习过振动理论的读者阅读，本书从最基本的理论出发，由浅入深，逐步进入振动工程设计、振动检测和振动控制。作者力图通过工程应用实例进行阐述，以加深理解。

全书共分为6章。

第1章介绍电子设备的环境平台、环境适应性平台及振动环境控制设计相互之间的关系、设计理念、设计准则和工程应用及评定体系。

第2章介绍机械振动的理论知识和基本概念，为以后的讨论提供理论知识准备。内容涉及线性系统的振动、冲击、碰撞、随机振动等，以及非线性系统的振动概念和刚度拟合技术理念。

第3章主要介绍环境适应性设计的设计输入，即建立环境平台的设计。环境适应性设计指标定得合理与否，关系到它在全寿命期内对环境的适应性和使用的可靠性，同时直接关系到研制与生产的技术难度、可行性、进度、成本等。本章具体介绍制定设计输入的步骤及方法，即指标论证，建立（确定）环境适应性设计的采标体系，安装环境平台实测。在对平台实测一节中，详细介绍了如何制定实测方案，对测试系统的要求，对所测数据的识别，对所测数据的处理与归纳等。

第4章主要介绍如何开展环境适应性平台设计，内容涉及强度设计、刚度设计、耐久和疲劳设计等。为了便于工程应用，本章还详细介绍环境适应设计的准则与设计方法（其中包括本章特别提出的响应设计），失效机理分析，典型结构设计，紧固件的选用与元器件的安装等。

第5章针对电子设备振动环境的特点，详细讨论电子设备隔振与缓冲系统设计原则；简要地介绍了电子设备隔振缓冲系统常用的隔振器和根据特殊环境条件设计的隔振系统。例如，强冲击环境条件下的缓冲设计理念；与机电性能密切关联的晶体振荡器隔振系统的设计；光学系统用超低频隔振系统设计等。此外，还介绍了利用正刚度、负刚度、零刚度特性进行刚度拟合，以及进行标准后峰锯齿波脉冲发生器的设计等。

第6章主要介绍对装备（产品）抗振动和冲击能力的检测方法及检测技术，装备（产品）在实际使用中的振动和冲击是多种多样、错综复杂的，本章全面、系统地介绍了可能经受到的各种环境，其中包括正弦振动、随机振动、冲击（含冲击响应谱）、强碰撞冲击、碰撞（颠振）、拍频振动、时间历程振动、温度/湿度/振动、振动/噪声/温度、温度/湿度/振动/高温、温度/振动（正弦）、低温/低气压/振动等现用的与振动和冲击有关的检测方法。在每项检测方法中介绍了它模拟的环境，对装备的影响机理，检测的要求和条件，检测的程序，对检测设备的要求，做好该项检测工作的技术等。

由于我们的能力和认识水平有限，错误在所难免，还望朋友们指教、纠正。

本书第1、2、5章由季馨教授撰写，第3、6章由王树荣研究员撰写，第4章由季馨、王树荣撰写，季凡渝参与了部分内容的编写，陈惠明高级工程师参与了全书的审阅工作。

在本书编写过程中，李玲珍教授倾注了大量的心血，在此表示衷心的感谢。捷诺公司徐玉燕、周洪梅、葛勤、施冠军等同志在图文设计输入方面做了大量工作，在此一并感谢。

我们都是七十多岁的人了，总想把毕生的经验和教训告诉年轻人。尽管我们主观上努力了，客观上却可能并没有达到预期效果，但终归尽力了，此生无撼矣。朋友们，让我们仿效春蚕、红烛之志，为中华民族的伟大复兴、为强国富民而奋斗吧！

季 馨 王树荣2100433B

本书共6章，主要介绍了电子设备所处的各类工作环境及环境适应性设计的核心问题，即振动等环境对电子设备电性能的可靠性和长寿命影响机理。

结合工程应用实例，本书介绍了提高电子设备抗振动、抗冲击设计的理论及典型隔振系统的力学特点、常用隔振器特性和新型隔振器设计方法。

电子设备在工作和运载过程中，不可避免地会受到振动、冲击等机械力作用。如果结构设计不当，就会使电子设备受到损害以至失效。为了保证电子设备可靠地工作，必须采取相应的防护措施。

电子设备振动与冲击防护振动和冲击对电子设备的危害

①使电子设备不能正常工作。例如，振动引起弹性零件变形，可能使电位器、继电器、波段开关、插头、插座等接触不良或完全开路；可变电容器片子发生共振，电容量就会发生周期性的变化；导线的变形和变位，可能引起分布参量的变化，从而使电感和电容的耦合发生变化；振动使调谐电感的铁芯移动，从而引起电感量变化，造成回路失谐，工作状态遭到破坏等。

②振动和冲击所产生的机械应力超过强度极限，会使元件、器件和结构遭到破坏。例如，电阻器和电容器引线的断裂；机壳或底板发生变形甚至开裂，以及脆性材料如陶瓷、玻璃等的断裂。此外，长期振动或多次冲击也会使构件发生疲劳破坏。因此，要保证电子设备在振动和冲击的环境下正常工作，必须采取各种防护措施。

电子设备振动与冲击防护提高电子设备本身的抗振能力

提高抗振能力的措施包括：使结构具有足够的强度和刚度；缩短阻容元件的安装引线或用适当材料将阻容元件直接粘接到安装底板上；大而重的元件、器件应用固定夹或其他方式牢固地加以固定；对振动、冲击特别敏感的元件、器件采取专门防振措施；用甲基硅橡胶灌封整个印制线路板插件，使印制线路板及其上面的元件成为一个整体，消除元件和印制线路板之间的相互耦合振动；或者用甲基橡胶膜把印制线路板及其上面的元件包覆。在电子设备中如果能充分考虑上述各项抗振措施，设备即使不加减振器也能可靠地工作。

电子设备振动与冲击防护隔振措施

隔振是电子设备振动、冲击防护的一种重要手段。将特殊的弹性元件（减振器）正确地安装在设备和支承结构之间，可在一定频率范围内减小振动的影响。但是，如果减振器选择不当，其效果可能相反。

隔振分为主动隔振和被动隔振两类。当设备本身是振源时，为减小其对周围其他设备的影响而采取的隔振措施叫主动隔振。其目的是减小传到支承结构上的振动力。隔振对象是振源。例如，安装在电子设备上的通风机或泵是一种干扰源，必须单独隔振。当外界环境传给支承结构以振动时，为减小支承结构的振动传递到设备上而采取的隔振措施叫被动隔振。例如，安装在飞机上的电子设备，为减小机体振动对设备的影响，在支承结构和设备之间安装减振器。

电子设备振动与冲击防护主动隔振和被动隔振系统

电子设备振动与冲击防护主动隔振和被动隔振系统（图1）的原理是相似的。为说明隔振的基本原理，可以单自由度系统的正弦振动为例。对于主动隔振，设备上受到频率为、幅度为的激振力,传递给支承结构的力的频率亦为,而幅值则为。以传递力幅值与激振力幅值的比值=/表示主动隔振的隔振系数。对于被动隔振,支承结构以频率为、幅值为作正弦振动，而设备则以频率为、幅值为作振动，两个振幅的比=/就是被动隔振的隔振系数。根据数学推导，两种隔振系数的表达式完全相同，它与系统的频率比（激振频率与固有频率之比）和系统的阻尼比有关（图2）。只有当频率比大于，小于1，才有隔振意义。频率比越大，值越小，隔振效果越好。因此,系统的固有频率必须低于激振频率的 1/时才有隔振效果。阻尼对隔振效果虽有某些不利的影响，但增加阻尼可压低共振峰。因为外界机械环境复杂，有时可能会引起低频共振，因此减振器必须有适当的阻尼。

电子设备振动与冲击防护隔振设计的主要任务是选择和设计适当的减振器，进行合理的布置，使系统的固有频率尽可能低于激振频率，满足>。若将电子设备看作刚体,设备就是一个具有六个自由度的振动系统（即三个平移振动和三个绕坐标轴的旋转振动），这样就有六个固有频率。这六个方向的振动可能是相关的，也可能是彼此独立的。这主要取决于设备的重心位置、减振器的刚度和它们的安装位置等。减振器的安装力求系统的六个自由度的振动互不相关，但要求六个固有频率尽量接近。为使它们互不相关而彼此独立，应满足两个条件：①各减振器设备的作用力的合力应通过设备的重心；②当设备绕某坐标轴转动一个微小角度时，各减振器作用力合成一个力偶，力偶的作用平面应与坐标轴垂直。图3是电子设备中常用的几种减振器安装形式,其中a为重心安装系统，b为底部安装系统,其余四种安装形式也能减少相关性。隔振的电子设备应能自由晃动，所以要给设备留有偏移的空间，以便在各个方向上运动时不致冲撞邻近的其他设备。位移过大时，应安装适当的位移限制器。

电子设备振动与冲击防护冲击隔离　冲击是一种急剧的瞬态运动。冲击时使电子设备破坏的原因，主要是冲击加速度超过电子设备的最大允许加速度所造成的。采取增大冲击接触时间、减小系统固有频率、选择最佳的阻尼值(=0.25)等措施，就可以减小冲击加速度值。冲击隔离和隔振相似，分主动和被动隔冲两类。电子设备的隔冲大都属于被动隔冲。隔冲设计的实质在于把瞬态的、强烈的冲击能量，以位能的形式最大限度地储存在冲击减振器中，减振器产生较大的变形，然后以系统的固有频率缓慢地将能量释放出来，达到保护电子设备的目的。在一般情况下，减振器越软，设备受到的冲击越小。因此，应给隔冲设备留出一定的空间间隙。同时，在设计设备本身的抗冲结构时，应尽量避免悬臂式和应力集中的结构；运动和传力构件也应尽量做到力的平衡；设备的结构件尽量采用具有屈服强度、高极限强度和高延伸率的延性材料。

用来减小或消除振动的一种特殊弹性元件。用于隔振的材料有软木、毛毡、蜂窝式纸板、泡沫塑料、橡胶及金属弹簧等。电子设备常用的减振器有橡胶减振器和金属弹簧减振器等。当激振频率范围较宽时，会出现多个共振频率点，这时应增加系统的阻尼，消耗共振系统的能量，抑制共振峰。减振器常用的阻尼方式有空气阻尼和摩擦阻尼等。为适应各种减振要求，减振器还可以设计成变刚度、变阻尼型的。

在电子设备所处的机械环境中，激振频率范围有时很宽，从较低的频率延伸到较高的频率。这时，采用减振器隔振往往不能奏效，特别是对于宽带的随机振动。因此,现代电子设备往往不使用减振器,而是增加结构的阻尼来抑制振动。阻尼减振的原理是利用粘弹性阻尼材料的高阻尼特性，将振动的机械能转变为热能耗散掉。根据弹性阻尼层的涂覆及与金属板件的组合形式，可分自由层和约束层两类。自由层就是把粘弹性材料直接粘贴或涂覆在需要减振的构件(如印制板)上，可以是单面喷涂，也可以是双面喷涂。振动时通过粘弹性材料的变形，吸收振动的能量。约束阻尼层是把粘弹性材料粘贴在构件和金属板之间，可做成多层结构形式，但设计比较复杂。2100433B

绪论

第Ⅰ篇电子设备热设计

1概述

2电子设备热控制理论基础

3电子设备的自然冷却

4电子设备的强迫空气冷却

5电子设备的液体冷却

6冷板设计

7电子设备的蒸发冷却

8热电致冷器

9热管

10电子设备热测试技术

附录

参考文献

第Ⅱ篇振动和冲击隔离

11设备周围的机械环境

12单自由度系统的振动

13多自由度系统的振动

14冲击隔离

15隔振设计与阻尼减振技术

16振动和冲击测试技术

第Ⅲ篇电磁兼容性结构设计

17电磁兼容性概述

18电磁场基础

19屏蔽

20接地与搭接

21线缆敷设

22滤波

23电磁兼容性测试

参考文献

第Ⅳ篇防腐蚀设计

24概述

25金属电化学腐蚀基本原理

26各种环境中的腐蚀

27金属材料的耐蚀性

28防腐蚀设计

29生物腐蚀与防护

30高分子材料的老化和防老化

31腐蚀试验

参考文献

第Ⅴ篇电子设备造型与结构设计

32造型设计总论

33人机工程学

34电子设备结构设计

35计算机辅导造型设计简介

附录

参考文献