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电子设备振动冲击环境适应性设计

作译者：季馨等

出版时间：2025-05 千字数：518 版次：01-01 页数：324

开本：16开装帧： I S B N ：9787121502477

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纸质书定价：￥98.0

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第1章  电子设备环境适应性设计概论	1
1.1  引言	1
1.2  电子设备环境适应性设计的研究内容	2
1.3  电子设备环境平台研究	3
1.3.1  电子设备环境平台的含义	3
1.3.2  电子设备环境平台的组成	3
1.3.3  电子设备环境平台研究的主要内容	4
1.3.4  电子设备环境平台设计的内容与步骤	9
1.4  电子设备环境适应性平台研究	10
1.4.1  电子设备环境适应性（脆值）平台的组成	10
1.4.2  建立电子设备环境适应性平台的方法	11
1.4.3  提高电子设备环境适应性平台可靠性的技术措施	12
1.5  电子设备环境控制技术	13
1.5.1  无源环境控制技术	14
1.5.2  有源环境控制技术	14
1.6  电子设备环境适应性设计准则	15
1.6.1  结构总体设计	15
1.6.2  模块化设计	22
1.6.3  优化设计	23
第2章  电子设备振动冲击理论基础	26
2.1  振动的种类及特性	26
2.1.1  振动的种类	26
2.1.2  周期振动和准周期振动	27
2.1.3  非周期振动	29
2.1.4  平稳随机振动	30
2.1.5  非平稳随机振动	36
2.2  单自由度线性系统的振动	37
2.2.1  离散振动系统的力学模型	38
2.2.2  单自由度线性系统的自由振动	38
2.2.3  单自由度线性系统的强迫振动	41
2.2.4  单自由度线性系统对非谐和周期激励的响应	49
2.2.5  单自由度线性系统对非周期激励的响应	49
2.3  多自由度线性系统的振动	53
2.3.1  有阻尼二自由度线性系统受基础位移激励的振动	53
2.3.2  无阻尼二自由度线性系统的隔振设计	54
2.3.3  有阻尼动力消振器	56
2.4  连续弹性体系统的振动	59
2.4.1  杆的纵向振动	59
2.4.2  轴的扭转振动	63
2.4.3  梁的横向振动	63
2.5  非线性系统的振动	68
2.5.1  非线性系统的分类	68
2.5.2  非线性系统振动的物理特性	68
2.5.3  研究非线性系统振动的常用方法	71
2.5.4  标准冲击脉冲发生器	72
2.5.5  非线性系统的应用和刚度拟合技术	93
第3章  电子设备环境适应性平台	97
3.1  概述	97
3.2  电子设备环境适应性平台的环境因素	100
3.2.1  正弦振动	100
3.2.2  随机振动	101
3.2.3  炮击振动	104
3.2.4  地震	107
3.2.5  声振	109
3.2.6  冲击	110
3.2.7  颠振与碰撞	119
3.2.8  倾斜和摇摆	120
3.2.9  风载荷	121
3.2.10  加速度	122
3.3  电子设备环境适应性平台举例	123
3.3.1  道路车辆平台	124
3.3.2  轨道车辆平台	132
3.3.3  机载平台	144
3.3.4  星载平台	151
3.3.5  舰船平台	153
3.4  电子设备动力学环境适应性设计准则	154
第4章  电子设备振动冲击环境适应性设计技术	156
4.1  概述	156
4.2  电子元器件的环境适应性设计	156
4.2.1  电子元器件的类别	156
4.2.2  电子元器件质量等级	158
4.2.3  电子元器件的筛选等级	161
4.2.4  电子元器件的环境适应性设计要求	161
4.2.5  电子元器件的二次筛选	167
4.2.6  模块、组件的HALT-HASS	170
4.2.7  抗振动、抗冲击指标的确定	174
4.3  电子设备的强度设计	174
4.3.1 构件的强度设计	174
4.3.2  紧固件的选用与安装	178
4.3.3  电子元器件安装的注意事项	181
4.3.4  典型电子元器件的安装	183
4.3.5  印制电路板的安装	185
4.4  电子设备的刚度设计	186
4.4.1  概述	186
4.4.2  层次结构和二倍频规则	187
4.4.3  提高层次结构刚度的技术措施	188
4.4.4  悬臂结构的刚度设计	190
4.5  结构振动分析中的等效技术	193
4.5.1  等效质量、等效刚度和等效阻尼	193
4.5.2  弹性构件的等效技术	195
4.5.3  均布质量弹簧的等效集中质量	195
4.5.4  常见的无阻尼单自由度系统固有频率的计算公式	197
4.6  电子组装件振动环境适应性设计	198
4.6.1  概述	198
4.6.2  基板的动态特性及其影响	202
4.6.3  热应力	208
4.6.4  连接导线的应力分析	209
4.6.5  焊点的应力分析	215
第5章  电子设备隔振系统及隔振器	219
5.1  概述	219
5.1.1  隔振系统设计准则	219
5.1.2  隔振系统设计必备的原始资料	220
5.1.3  标准传递率曲线	220
5.1.4  隔振系统模块化设计基本要求	221
5.1.5  模块化隔振系统对隔振器的要求	223
5.1.6  隔振器的质量保证规范	225
5.1.7  隔振器的弹性特性设计	228
5.1.8  隔振器的阻尼特性	231
5.2  电子设备隔振系统	233
5.2.1  单自由度隔振系统	234
5.2.2  多自由度隔振系统	239
5.3  橡胶隔振器	249
5.3.1  胶料的力学特性	249
5.3.2  胶料性能的影响因素	250
5.3.3  橡胶隔振器设计	250
5.4  金属隔振器	252
5.4.1  钢丝绳隔振器	254
5.4.2  金属丝网隔振器	255
5.4.3  金属网阻尼隔振器	255
5.4.4  模块化抗冲击型无峰隔振器	256
5.4.5  歼（强）击机用隔振器	261
5.4.6  嵌入式隔振器	262
5.4.7  背（顶）部隔振器	267
5.4.8  壁挂式隔振器	270
5.4.9  抗倾覆隔振器	272
5.5  金属橡胶隔振器	272
5.5.1  JQZ型空气阻尼隔振器	272
5.5.2  GFD型低频隔振器	273
5.5.3  GF型复合阻尼隔振器	274
5.6  二次隔振系统	275
5.6.1  晶振隔振器	276
5.6.2  二次隔振系统的随机振动试验	277
5.7  并柜结构隔振系统	279
5.7.1  简单并柜结构隔振系统	280
5.7.2  具有公共减振平台的并柜结构隔振系统	281
5.7.3  应用实例	281
5.8  电子设备强冲击环境适应性设计	286
5.8.1  强冲击隔离的基本要求	286
5.8.2  强冲击的速度安全边界和加速度安全边界	288
5.8.3  电子设备强冲击环境适应性设计理念	289
5.9  振动主动控制技术	291
5.9.1  主动控制系统的分类	291
5.9.2  主动控制系统的组成	292
5.9.3  主动控制系统的建模	293
5.9.4  主动控制的控制器	294
5.9.5  主动控制技术的应用与展望	295
第6章  微转角隔振缓冲平台	296
6.1  概述	296
6.2  六连杆式微转角隔振缓冲平台	296
6.2.1  干摩擦阻尼式六连杆平台	297
6.2.2  油阻尼式六连杆平台	297
6.3  微转角限位隔振缓冲平台	298
6.3.1  微转角限位器的组成	298
6.3.2  强冲击方向与微转角限位器中滑轨的配置	301
6.3.3  现有隔振缓冲系统加微转角限位器	302
6.3.4  小型电子设备的精密微转角限位隔振缓冲平台	303
6.3.5  高质心大型平台	304
参考文献	307

电子机械工程的主要任务是进行面向电性能的高精度、高性能机电装备机械结构的分析、设计与制造技术的研究。
高精度、高性能机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主、电性能服务于机械性能的机械装备，如大型数控机床、加工中心等加工装备，以及兵器、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业的重大装备，主要是运用现代电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主、机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、计算机、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。
从广义上讲，这两类装备都属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。机电一体化（Mechatronics）的概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词组合而成，体现了机械与电技术不断融合的内涵演进和发展趋势。这里的电技术包括电子、电磁和电气。
伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了如机-电-液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而提高系统或设备的整体性能。
高性能机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合等三个不同的发展阶段。在高精度与高性能电子装备的发展上，这三个阶段的特征体现得尤为突出。
机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）是指电子装备的机械结构设计与电磁设计分别、独立进行，但彼此间的信息可实现在（离）线传递、共享，即机械结构、电磁性能的设计仍在各自领域独立进行，但在边界或域内可实现信息的共享与有效传递，如反射面天线的机械结构与电磁、有源相控阵天线的机械结构-电磁-热等。
需要指出的是，这种信息共享在设计层面仍是机电分离的，故传统机电分离设计固有的诸多问题依然存在，最明显的有两个：一是电磁设计人员提出的对机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构设计人员只能千方百计地满足其要求，带有一定的盲目性；二是工程实际中，又时常出现奇怪的现象，即机械结构技术人员费了九牛二虎之力设计、制造出的满足机械制造精度要求的产品，电性能却不满足；相反，机械制造精度未达到要求的产品，电性能却能满足。因此，在实际工程中，只好采用备份的办法，最后由电调来决定选用哪一个。这两个长期存在的问题导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，这已成为制约电子装备性能提升并影响未来装备研制的瓶颈。
随着电子装备工作频段的不断提高，机电之间的互相影响越发明显，机电分离设计遇到的问题越来越多，矛盾也越发突出。于是，机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的概念出现了。机电综合是机电一体化的较高层次，它比机电分离前进了一大步，主要表现在两个方面：一是建立了同时考虑机械结构、电磁、热等性能的综合设计的数学模型，可在设计阶段有效消除某些缺陷与不足；二是建立了一体化的有限元分析模型，如在高密度机箱机柜分析中，可共享相同空间几何的电磁、结构、温度的数值分析模型。
自21世纪初以来，电子装备呈现出高频段、高增益、高功率、大带宽、高密度、小型化、快响应、高指向精度的发展趋势，机电之间呈现出强耦合的特征。于是，机电一体化迈入了机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新阶段。
机电耦合是比机电综合更进一步的理性机电一体化，其特点主要包括两点：一是分析中不仅可实现机械、电磁、热的自动数值分析与仿真，而且可保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性；二是从数学上导出了基于物理量耦合的多物理系统间的耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对电性能的影响机理。其设计是基于该耦合理论模型和影响机理的机电耦合设计。可见，机电耦合与机电综合相比具有不同的特点，并且有了质的飞跃。
从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备制造的未来发展，将不断趋于多物理场、多介质、多尺度、多元素的深度融合，机械、电气、电子、电磁、光学、热学等将融于一体，巨系统、极端化、精密化将成为新的趋势，以机电耦合为突破口的设计与制造技术也将迎来更大的挑战。
随着新一代电子技术、信息技术、材料、工艺等学科的快速发展，未来高性能电子装备的发展将呈现两个极端特征：一是极端频率，如对潜通信等应用的极低频段，天基微波辐射天线等应用的毫米波、亚毫米波乃至太赫兹频段；二是极端环境，如南北极、深空与临近空间、深海等。这些都对机电耦合理论与技术提出了前所未有的挑战，亟待开展如下研究。
第一，电子装备涉及的电磁场、结构位移场、温度场的场耦合理论模型（Electro- Mechanical Coupling，EMC）的建立。因为它们之间存在相互影响、相互制约的关系，需在已有基础上，进一步探明它们之间的影响与耦合机理，廓清多场、多域、多尺度、多介质的耦合机制，以及多工况、多因素的影响机理，并将其表示为定量的数学关系式。
第二，电子装备存在的非线性机械结构因素（结构参数、制造精度）与材料参数，对电子装备电磁性能影响明显，亟待进一步探索这些非线性因素对电性能的影响规律，进而发现它们对电性能的影响机理（Influence Mechanism，IM）。
第三，机电耦合设计方法。需综合分析耦合理论模型与影响机理的特点，进而提出电子装备机电耦合设计的理论与方法，这其中将伴随机械、电子、热学各自分析模型以及它们之间的数值分析网格间的滑移等难点的处理。
第四，耦合度的数学表征与度量。从理论上讲，任何耦合都是可度量的。为深入探索多物理系统间的耦合，有必要建立一种通用的度量耦合度的数学表征方法，进而导出可定量计算耦合度的数学表达式。
第五，应用中的深度融合。机电耦合技术不仅存在于几乎所有的机电装备中，而且在高端装备制造转型升级中扮演着十分重要的角色，是迭代发展的共性关键技术，在装备制造业的发展中有诸多重大行业应用，进而贯穿于我国工业化和信息化的整个历史进程中。随着新科技革命与产业变革的到来，尤其是以数字化、网络化、智能化为标志的智能制造的出现，工业化和信息化的深度融合势在必行，而该融合在理论与技术层面上则体现为机电耦合理论的应用，由此可见其意义深远、前景广阔。
本丛书是在上一次编写的基础上进行进一步的修改、完善、补充而成的，是从事电子机械工程领域专家们集体智慧的结晶，是长期工作成果的总结和展示。专家们既要完成繁重的科研任务，又要于百忙中抽时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦。在此，我代表丛书编委会，向各分册作者与审稿专家深表谢意！
丛书的出版，得到了电子机械工程分会、中国电子科技集团公司第十四研究所等单位领导的大力支持，得到了电子工业出版社及参与编辑们的积极推动，得到了丛书编委会各位同志的热情帮助，借此机会，一并表示衷心感谢！ 

段宝岩
中国工程院院士
中国电子学会电子机械工程分会主任委员
    2024年4月

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