电子设备振动环境适应性设计

　　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。

　　本书详细介绍了环境平台、环境适应性平台的建立准则及环境控制技术的设计方法，并较全面地介绍了振动、冲击等环境试验方法及评价准则。

　　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。

第1章  电子设备振动冲击适应性设计概论
　1.1  引言
　1.2  电子设备环境平台研究
　1.2.1  环境平台的含义
　1.2.2  环境平台的组成
　1.2.3  环境平台研究的主要内容
　1.2.4  环境平台设计的内容与步骤
　1.3  电子设备环境适应性平台研究
　1.3.1  环境适应性脆值）平台的组成
　1.3.2  建立环境适应性平台的研究方法
　1.3.3  提高环境适应性平台的技术措施
　1.4  电子设备环境控制技术及其设计准则研究
　1.4.1  无源环境控制技术
　1.4.2  有源环境控制技术
　1.5  电子设备环境适应性设计准则
　1.5.1  结构总体设计
　1.5.2  模块化设计
　1.5.3  优化设计
　1.6  环境适应性设计实例及小结
　1.6.1  环境适应性设计应用实例
　1.6.2  小结
　参考文献
第2章  电子设备振动理论基础
　2.1  振动信号的基本特性
　2.1.1  周期振动和准周期振动
　2.1.2  非周期信号
　2.1.3  平稳随机振动
　2.1.4  非平稳随机振动
　2.2  单自由度系统振动
　2.2.1  离散振动系统的力学模型
　2.2.2  单自由度系统的自由振动
　2.2.3  单自由度系统的强迫振动
　2.2.4  设备受基础位移激励的振动隔离——被动隔振
　2.2.5  主动隔振
　2.2.6  系统对非谐和周期激励力的响应
　2.2.7  系统对非周期激励的响应
　2.2.8  拉氏变换和传递函数
　2.2.9  单自由度线性系统受随机激励的响应
　2.3  多自由度系统的振动
　2.3.1  力学模型和一般运动微分方程规则
　2.3.2  固有频率
　2.3.3  主振型
　2.3.4  主振型的正交性
　2.3.5  模态分析概述
　2.3.6  离散多自由度系统数值解
　2.3.7  二自由度系统受谐波激励的响应
　2.4  弹性体系统的振动
　2.4.1  杆的纵向振动和扭转振动
　2.4.2  轴的扭转振动
　2.4.3  梁的横向振动
　2.5  非线性振动
　2.5.1  非线性系统的分类
　2.5.2  非线性振动的物理特性
　2.5.3  求解非线性振动问题的常用方法
　2.5.4  相平面
　2.5.5  线性弹簧滑铰结构的弹性特性
　2.5.6  非线性系统的应用和刚度拟合技术
　参考文献
第3章  电子设备振动环境适应性设计输入
　3.1  引言
　3.1.1  环境适应性分析与研究
　3.1.2  指标论证
　3.1.3  建立确定）环境适应性设计的采标体系
　3.2  用电子设备安装平台数据作为设计输入
　3.2.1  平台的振动冲击特性
　3.2.2  采集实际平台环境数据进行设计
　3.2.3  振动与冲击数据采集大纲
　3.2.4  数据采集系统
　3.2.5  数据采集系统的功能与要求
　3.2.6  数据现场采集
　3.2.7  数据的类别
　3.2.8  数据准备
　3.2.9  异常现象目视检查
　3.2.10  数据的分析
　3.2.11  数据检验
　3.2.12  数据处理
　3.2.13  振动数据归纳
　3.3  用规范和标准中的条件和要求作为设计输入
　3.3.1  储存
　3.3.2  运输
　3.3.3  使用环境
　参考文献
第4章  电子设备环境适应性设计   
　4.1  电子设备的抗振、抗冲击设计原则
　4.1.1  抗振设计
　4.1.2  抗冲击设计
　4.2  强度设计
　4.2.1  机械结构的失效机理
　4.2.2  典型结构的强度设计
　4.2.3  紧固件的选用
　4.2.4  元器件的安装
　4.2.5  典型元器件的安装
　4.2.6  印制电路板的安装
　4.3  电子设备的刚度设计
　4.3.1  概述
　4.3.2  层次结构和二倍频规则
　4.3.3  提高层次结构刚性的技术措施
　4.3.4  悬臂结构的刚度设计
　4.4  结构振动分析中的等效技术
　4.4.1  等效质量、等效刚度和等效阻尼
　4.4.2  弹性构件的等效技术
　4.4.3  均布质量弹簧的等效集中质量
　4.4.4  常见的无阻尼单自由度系统固有频率的计算公式
　4.5  电子组装件振动环境适应性设计
　4.5.1  概述
　4.5.2  基板的动态特性
　4.5.3  热应力
　4.5.4  连接引线的应力分析
　4.5.5  焊点的应力分析
　4.6  电子元器件的环境适应性
　4.6.1  环境条件等级
　4.6.2  环境应力筛选
　4.6.3  新研元器件、模块、组件、单元等必须给出明确的抗振动与冲击指标
　4.7  振动试验夹具设计
　4.7.1  夹具的设计准则
　4.7.2  夹具结构形式
　4.7.3  夹具的自重及刚度设计要求
　4.7.4  夹具的刚度设计
　参考文献
第5章  电子设备隔振系统设计与隔振器
　5.1  概述
　5.1.1  振动与冲击隔离系统设计准则
　5.1.2  隔振系统设计的原始资料
　5.1.3  标准传递率曲线
　5.1.4  隔振系统模块化设计基本要求
　5.1.5  模块化隔振系统对隔振器的要求
　5.1.6  隔振器的质量保证规范
　5.1.7  隔振器的弹性特性设计
　5.1.8  隔振器的阻尼特性
　5.2  电子设备的强冲击隔离技术
　5.2.1  强冲击隔离的基本要求
　5.2.2  弹载电子设备强冲击时的响应特征
　5.2.3  缓冲设计原则和工程对策
　5.3  精密角限位隔振系统的设计理念
　5.3.1  角限位隔振系统的分类
　5.3.2  静态精定位隔振系统简介
　5.3.3  动态角限位隔振系统
　5.3.4  抗强冲击型动态角限位隔振系统
　5.4  电子设备振动隔离系统
　5.4.1  单自由度隔振系统
　5.4.2  多自由度隔振系统设计
　5.5  橡胶隔振器
　5.5.1  胶料的力学特性
　5.5.2  胶料性能的影响因素
　5.5.3  橡胶隔振器设计
　5.5.4  常用橡胶隔振器简介
　5.6  金属隔振器
　5.6.1  钢丝绳隔振器GS型、GG型）
　5.6.2  金属丝网隔振器
　5.6.3  金属网阻尼隔振器
　5.6.4  模块化抗冲击型无峰隔振器
　5.6.5  歼强）击机用GQJ型隔振器
　5.6.6  嵌入式隔振器
　5.6.7  背顶）架式隔振器
　5.7  金属橡胶隔振器
　5.7.1  JQZ型空气阻尼隔振器
　5.7.2  GFD型低频隔振器
　5.7.3  GF型复合阻尼隔振器
　5.8  晶振和频综器的二次隔振系统
　5.8.1  晶振隔振器GQJ-J-0.1）
　5.8.2  二次隔振系统的随机振动试验
　5.9  光电设备的低频隔振系统
　5.9.1  概述
　5.9.2  低频隔振系统的特点
　5.9.3  底部隔振器
　5.9.4  垂向缓冲器
　5.9.5  水平阻尼隔振缓冲器
　5.10  并柜结构及其隔振系统设计
　5.10.1  简单并柜结构及其隔振系统
　5.10.2  具有公共隔振底座的并柜系统
　5.10.3  应用实例
　5.11  机械冲击试验台和标准冲击脉冲发生器
　5.11.1  概述
　5.11.2  机械冲击台简介及冲击脉冲成型器设计理念
　5.11.3  标准冲击脉冲成型器
　5.11.4  无回跳后峰锯齿波脉冲发生器理论模型
　5.11.5  弹簧刚度拟合型脉冲发生器
　5.11.6  油阻尼后峰锯齿波脉冲成型器
　参考文献
第6章  产品抗振缓冲性能的检测方法与技术
　6.1  概论
　6.2  正弦振动试验

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，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