第1章  電子設備振動衝擊適應性設計概論

1.1  引言

1.2  電子設備環境平臺研究

1.2.1  環境平臺的含義

1.2.2  環境平臺的組成

1.2.3  環境平臺研究的主要內容

1.2.4  環境平臺設計的內容與步驟

1.3  電子設備環境適應性平臺研究

1.3.1  環境適應性脆值）平臺的組成

1.3.2  建立環境適應性平臺的研究方法

1.3.3  提高環境適應性平臺的技術措施

1.4  電子設備環境控制技術及其設計準則研究

1.4.1  無源環境控制技術

1.4.2  有源環境控制技術

1.5  電子設備環境適應性設計準則

1.5.1  結構總體設計

1.5.2  模塊化設計

1.5.3  優化設計

1.6  環境適應性設計實例及小結

1.6.1  環境適應性設計應用實例

1.6.2  小結

參考文獻

第2章  電子設備振動理論基礎

2.1  振動信號的基本特性

2.1.1  周期振動和準周期振動

2.1.2  非周期信號

2.1.3  平穩隨機振動

2.1.4  非平穩隨機振動

2.2  單自由度繫統振動

2.2.1  離散振動繫統的力學模型

2.2.2  單自由度繫統的自由振動

2.2.3  單自由度繫統的強迫振動

2.2.4  設備受基礎位移激勵的振動隔離——被動隔振

2.2.5  主動隔振

2.2.6  繫統對非諧和周期激勵力的響應

2.2.7  繫統對非周期激勵的響應

2.2.8  拉氏變換和傳遞函數

2.2.9  單自由度線性繫統受隨機激勵的響應

2.3  多自由度繫統的振動

2.3.1  力學模型和一般運動微分方程規則

2.3.2  固有頻率

2.3.3  主振型

2.3.4  主振型的正交性

2.3.5  模態分析概述

2.3.6  離散多自由度繫統數值解

2.3.7  二自由度繫統受諧波激勵的響應

2.4  彈性體繫統的振動

2.4.1  杆的縱向振動和扭轉振動

2.4.2  軸的扭轉振動

2.4.3  梁的橫向振動

2.5  非線性振動

2.5.1  非線性繫統的分類

2.5.2  非線性振動的物理特性

2.5.3  求解非線性振動問題的常用方法

2.5.4  相平面

2.5.5  線性彈簧滑鉸結構的彈性特性

2.5.6  非線性繫統的應用和剛度擬合技術

參考文獻

第3章  電子設備振動環境適應性設計輸入

3.1  引言

3.1.1  環境適應性分析與研究

3.1.2  指標論證

3.1.3  建立確定）環境適應性設計的采標體繫

3.2  用電子設備安裝平臺數據作為設計輸入

3.2.1  平臺的振動衝擊特性

3.2.2  采集實際平臺環境數據進行設計

3.2.3  振動與衝擊數據采集大綱

3.2.4  數據采集繫統

3.2.5  數據采集繫統的功能與要求

3.2.6  數據現場采集

3.2.7  數據的類別

3.2.8  數據準備

3.2.9  異常現像目視檢查

3.2.10  數據的分析

3.2.11  數據檢驗

3.2.12  數據處理

3.2.13  振動數據歸納

3.3  用規範和標準中的條件和要求作為設計輸入

3.3.1  儲存

3.3.2  運輸

3.3.3  使用環境

參考文獻

第4章  電子設備環境適應性設計   

4.1  電子設備的抗振、抗衝擊設計原則

4.1.1  抗振設計

4.1.2  抗衝擊設計

4.2  強度設計

4.2.1  機械結構的失效機理

4.2.2  典型結構的強度設計

4.2.3  緊固件的選用

4.2.4&nbs器件的安裝

4.2.5 器件的安裝

4.2.6  印制電路板的安裝

4.3  電子設備的剛度設計

4.3.1  概述

4.3.2  層次結構和二倍頻規則

4.3.3  提高層次結構剛性的技術措施

4.3.4  懸臂結構的剛度設計

4.4  結構振動分析中的等效技術

4.4.1  等效質量、等效剛度和等效阻尼

4.4.2  彈性構件的等效技術

4.4.3  均布質量彈簧的等效集中質量

4.4.4  常見的無阻尼單自由度繫統固有頻率的計算公式

4.5  電子組裝件振動環境適應性設計

4.5.1  概述

4.5.2  基板的動態特性

4.5.3  熱應力

4.5.4  連接引線的應力分析

4.5.5  焊點的應力分析

4.6 器件的環境適應性

4.6.1  環境條件等級

4.6.2  環境應力篩選

4.6.3 器件、模塊、組等必須給出明確的抗振動與衝擊指標

4.7  振動試驗夾具設計

4.7.1  夾具的設計準則

4.7.2  夾具結構形式

4.7.3  夾具的自重及剛度設計要求

4.7.4  夾具的剛度設計

參考文獻

第5章  電子設備隔振繫統設計與隔振器

5.1  概述

5.1.1  振動與衝擊隔離繫統設計準則

5.1.2  隔振繫統設計的原始資料

5.1.3  標準傳遞率曲線

5.1.4  隔振繫統模塊化設計基本要求

5.1.5  模塊化隔振繫統對隔振器的要求

5.1.6  隔振器的質量保證規範

5.1.7  隔振器的彈性特性設計

5.1.8  隔振器的阻尼特性

5.2  電子設備的強衝擊隔離技術

5.2.1  強衝擊隔離的基本要求

5.2.2  彈載電子設備強衝擊時的響應特征

5.2.3  緩衝設計原則和工程對策

5.3  精密角限位隔振繫統的設計理念

5.3.1  角限位隔振繫統的分類

5.3.2  靜態精定位隔振繫統簡介

5.3.3  動態角限位隔振繫統

5.3.4  抗強衝擊型動態角限位隔振繫統

5.4  電子設備振動隔離繫統

5.4.1  單自由度隔振繫統

5.4.2  多自由度隔振繫統設計

5.5  橡膠隔振器

5.5.1  膠料的力學特性

5.5.2  膠料性能的影響因素

5.5.3  橡膠隔振器設計

5.5.4  常用橡膠隔振器簡介

5.6  金屬隔振器

5.6.1  鋼絲繩隔振器GS型、GG型）

5.6.2  金屬絲網隔振器

5.6.3  金屬網阻尼隔振器

5.6.4  模塊化抗衝擊型無峰隔振器

5.6.5  殲強）擊機用GQJ型隔振器

5.6.6  嵌入式隔振器

5.6.7  背頂）架式隔振器

5.7  金屬橡膠隔振器

5.7.1  JQZ型空氣阻尼隔振器

5.7.2  GFD型低頻隔振器

5.7.3  GF型復合阻尼隔振器

5.8  晶振和頻綜器的二次隔振繫統

5.8.1  晶振隔振器GQJ-J-0.1）

5.8.2  二次隔振繫統的隨機振動試驗

5.9  光電設備的低頻隔振繫統

5.9.1  概述

5.9.2  低頻隔振繫統的特點

5.9.3  底部隔振器

5.9.4  垂向緩衝器

5.9.5  水平阻尼隔振緩衝器

5.10  並櫃結構及其隔振繫統設計

5.10.1  簡單並櫃結構及其隔振繫統

5.10.2  具有公共隔振底座的並櫃繫統

5.10.3  應用實例

5.11  機械衝擊試驗臺和標準衝擊脈衝發生器

5.11.1  概述

5.11.2  機械衝擊臺簡介及衝擊脈衝成型器設計理念

5.11.3  標準衝擊脈衝成型器

5.11.4  無回跳後峰鋸齒波脈衝發生器理論模型

5.11.5  彈簧剛度擬合型脈衝發生器

5.11.6  油阻尼後峰鋸齒波脈衝成型器

參考文獻

第6章  產品抗振緩衝性能的檢測方法與技術

6.1  概論

6.2  正弦振動試驗

序

電子機械工程主要研究電子裝備機械結構設計與制造等，其特點在於如何使繫統或裝備在復雜的機械環境、電磁環境以及熱環境中滿足對其電性能的要求，並具有高的可靠性。飛速發展的電子信息技術已成為我國現代化建設的一個關鍵技術。電子信息技術的實現依賴於電子裝備的性能，包括電磁性能和機械結構性能。機械結構不僅是電性能實現的載體和保障，而且往往制約著電性能的實現。隨著電子裝備向高頻段、高增益；高密度、小型化；快響應、高指向精度方向的發展，這種制約作用愈加凸顯。電子機械工程即專門研究為實現電子裝備性能，進行機械結構設計與制造的學科，是一門多學科相交融的學科。具體可分為如下四個方面：


一機械結構因素對電性能的影響：如天線伺服驅動繫統的結構諧振頻率限制了控制繫統的帶寬；摩擦、間隙、彈性變形等對控制繫統性能的影響；天線結構變形和反射面誤差影響天線的效率；微波器件的加工精度與表面粗糙度對微波器件的影響等；實際上微波器件的結構設計與電氣設計已經密不可分。因此必須清楚透析這些影響的機理與規律，纔能正確設計結構，確保電子裝備的性能優良。這是一個多種物理場的耦合問題，可歸結為機械、電子、控制的耦合理論以及耦合問題的建模和求解。


二電子設備對各種惡劣環境的防護：包括電子設備在強烈的振動與衝擊下可靠工作，防止失效；在嚴酷環境下電子設備的溫度控制，、器件溫度不超過允許值；電子設備抵御外界電磁干擾的能力和避免自身對環境的電磁污染等。其特點在於使繫統或裝備在復雜的機械環境、電磁環境以及熱環境中滿足對其電性能的要求，並具有高的可靠性。此外，還有防潮、防霉、防鹽霧腐蝕以及防原子、防生物化學武器等。涉及機械學、傳熱學、電磁場理論、環境科學、化學、材料學等多門學科。因此在電子設備的設計中必須將各種防護措施綜合、統一來考慮。


三電子組裝技術：即如何將成千上萬器件正確而有效地連接、組裝及布局，組成一個性能滿足要求的整機或繫統。在組裝過程中，內部要考慮器件間的互相影響；外部要考慮各種環境因素的影響，終確保其高可靠性、易維修性及易操作性。目前電子組裝技術已發展到表面安裝、三維組裝及微組裝。其中，電路、結構、工藝密不可分。此外為了使操作人員能高效地工作，人機工程學也不容忽視。


四電子精密機械設計：為實現電子設備的功能，往往需要精密機械，甚至大型機械與結構。典型的如雷達天線、射電望遠鏡天線、計算機外部設備、機器人等。雷達天線是一種典型的精密機械，其精度與精密機床相比毫不遜色；直徑幾十米、上百米的全可動拋物面反射器結構高精度的要求，工程上很難實現；計算機外部設備如繪圖機、掃描儀、打印機等，其設計是典型的機、光、電一體化設計。這裡的電子精密機械設計不同於一般概念上的精密機械設計，是為了滿足電子設備性能要求的機電綜合性設計。


特別需要指出的是軍用電子設備與繫統，由於要適應條件苛刻、問題突出、要求嚴格、更新快的戰爭環境，在民用產品中罕見應用的代價高昂的許多尖端新技術，率先在軍事裝備中獲得廣泛應用。在未來戰爭中電子戰與信息戰將起著至關重要的作用，這將賦予電子機械工程在加強現代化國防建設中更重大的責任，也將使電子機械工程面臨新的挑戰。


為繫統總結我國在電子機械工程領域的研究工作，中國電子學會電子機械工程分會特組織編寫了《現代電子機械工程》叢書，旨在服務於我國電子機械領域的科學研究和裝備研制工作。


希望該叢書的出版將對我國電子機械工程技術的發展起到積極的促進作用。

中國工程院院士

西安電子科技大學校長

中國電子學會電子機械工程分會主任委員

段寶岩

前    言

強烈的振動、衝擊和自然力學環境（如暴風、巨浪、沙塵暴等）已成為影響電子設備電性能高可靠和穩定長期工作的主要因素。對於從來沒有繫統學習過振動理論和擁有該領域工程實踐經驗的年輕結構工作者而言，要認識機械振動對電子設備電信功能的影響機理並采取相應的工程應對措施是非常困難的。


本書試圖從基本的振動理論出發，讓讀者逐步認識電子設備振動環境適應性的內涵，即環境平臺（設計輸入）、環境適應性平臺和振動工程控制等的研究內容、設計方法和設計思路。


振動理論中的很多基本概念，特別是振動試驗分析中的很多概念、定義和數據分析統計、故障診斷分析，與數學計算是分不開的。盡管我們努力使之更簡單，但數學推演還是占了一定篇幅，還望讀者耐心看一看。


我們期望通過本書，把幾十年來我們自己和別人的成功應用實例和失敗的教訓告訴年輕的朋友們，希望你們少走或不走彎路。

為了方便從未繫統學習過振動理論的讀者閱讀，本書從基本的理論出發，由淺入深，逐步進入振動工程設計、振動檢測和振動控制。作者力圖通過工程應用實例進行闡述，以加深理解。


全書共分為6章。

第1章介紹電子設備的環境平臺、環境適應性平臺及振動環境控制設計相互之間的關繫、設計理念、設計準則和工程應用及評定體繫。

第2章介紹機械振動的理論知識和基本概念，為以後的討論提供理論知識準備。內容涉及線性繫統的振動、衝擊、踫撞、隨機振動等，以及非線性繫統的振動概念和剛度擬合技術理念。


第3章主要介紹環境適應性設計的設計輸入，即建立環境平臺的設計。環境適應性設計指標定得合理與否，關繫到它在全壽命期內對環境的適應性和使用的可靠性，同時直接關繫到研制與生產的技術難度、可行性、進度、成本等。本章具體介紹制定設計輸入的步驟及方法，即指標論證，建立（確定）環境適應性設計的采標體繫，安裝環境平臺實測。在對平臺實測一節中，詳細介紹了如何制定實測方案，對測試繫統的要求，對所測數據的識別，對所測數據的處理與歸納等。


第4章主要介紹如何開展環境適應性平臺設計，內容涉及強度設計、剛度設計、耐久和疲勞設計等。為了便於工程應用，本章還詳細介紹環境適應設計的準則與設計方法（其中包括本章特別提出的響應設計），失效機理分析，典型結構設計，緊固件的器件的安裝等。


第5章針對電子設備振動環境的特點，詳細討論電子設備隔振與緩衝繫統設計原則；簡要地介紹了電子設備隔振緩衝繫統常用的隔振器和根據特殊環境條件設計的隔振繫統。例如，強衝擊環境條件下的緩衝設計理念；與機電性能密切關聯的晶體振蕩器隔振繫統的設計；光學繫統用超低頻隔振繫統設計等。此外，還介紹了利用正剛度、負剛度、零剛度特性進行剛度擬合，以及進行標準後峰鋸齒波脈衝發生器的設計等。


第6章主要介紹對裝備（產品）抗振動和衝擊能力的檢測方法及檢測技術，裝備（產品）在實際使用中的振動和衝擊是多種多樣、錯綜復雜的，本章全面、繫統地介紹了可能經受到的各種環境，其中包括正弦振動、隨機振動、衝擊（含衝擊響應譜）、強踫撞衝擊、踫撞（顛振）、拍頻振動、時間歷程振動、溫度/濕度/振動、振動/噪聲/溫度、溫度/濕度/振動/高溫、溫度/振動（正弦）、低溫/低氣壓/振動等現用的與振動和衝擊有關的檢測方法。在每項檢測方法中介紹了它模擬的環境，對裝備的影響機理，檢測的要求和條件，檢測的程序，對檢測設備的要求，做好該項檢測工作的技術等。


由於我們的能力和認識水平有限，錯誤在所難免，還望朋友們指教、糾正。

本書第1、2、5章由季馨教授撰寫，第3、6章由王樹榮研究員撰寫，第4章由季馨、王樹榮撰寫，季凡渝參與了部分內容的編寫，陳惠明高級工程師參與了全書的審閱工作。


在本書編寫過程中，李玲珍教授傾注了大量的心血，在此表示衷心的感謝。捷諾公司徐玉燕、周洪梅、葛勤、施冠軍等同志在圖文設計輸入方面做了大量工作，在此一並感謝。


我們都是七十多歲的人了，總想把畢生的經驗和教訓告訴年輕人。盡管我們主觀上努力了，客觀上卻可能並沒有達到預期效果，但終歸盡力了，此生無撼矣。朋友們，讓我們仿效春蠶、紅燭之志，為中華民族的偉大復興、為強國富民而奮鬥吧！

季  馨  王樹榮