鮑 華，劉萬(wàn)遠(yuǎn)

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

某型發(fā)射裝置電路板隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

鮑 華，劉萬(wàn)遠(yuǎn)

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009）

為合理確定某型發(fā)射裝置電路板的固定方式，采用有限元仿真的方法對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算，提出三種固定電路板的方案。在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上對(duì)三種方案分別進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，利用隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果比較了三種方案的優(yōu)劣，得出適合電路板的固定方案，該研究方法可以為相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供思路和方法。

電路板；模態(tài)分析；隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

0 引 言

印制電路板PCB(Print Circuit Board)是電子元器件的支撐體,為元器件插裝、檢查、維修提供識(shí)別字符和圖形［1-2］,是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的,故被稱為“印刷”電路板［3-4］。PCB板設(shè)計(jì)是目前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)鏈中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。電路板的固定方式是PCB板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),需要仿真來進(jìn)行方案優(yōu)選［5］。

發(fā)射裝置在掛機(jī)飛行過程中由于表面的氣動(dòng)擾流、載機(jī)振動(dòng)傳遞、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲等原因?qū)⒊惺車?yán)酷的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境［6-7］,這些隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境將嚴(yán)重影響發(fā)射裝置的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。發(fā)射裝置中PCB的固定方式對(duì)板上元器件的隨機(jī)振動(dòng)影響較大,迫切需要開展動(dòng)力學(xué)仿真。以隨機(jī)振動(dòng)仿真為代表的動(dòng)力學(xué)仿真,在產(chǎn)品方案階段開展,可大大節(jié)省費(fèi)用,而且與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同步,可以更好地指導(dǎo)發(fā)射裝置的設(shè)計(jì),提高其環(huán)境適應(yīng)性。

1 某型發(fā)射裝置電路板模型

本文選取的發(fā)射裝置電路板的物理模型如圖1所示,其中包含18個(gè)元器件,分別是1個(gè)存儲(chǔ)芯片、1個(gè)晶振、4個(gè)快速光耦、4個(gè)CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)器、1個(gè)鉭電解電容、1個(gè)DSP芯片、4個(gè)八總線雙向驅(qū)動(dòng)器、1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和1個(gè)RS232驅(qū)動(dòng)器。PCB板厚2 mm,包含8層,基板由0.3 mm厚的環(huán)氧玻璃布?jí)喊褰M成,PCB表層銅箔厚度為50μm。

圖1 某型發(fā)射裝置電路板物理模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型,建模過程中將電路板等效為各向同性的材料,忽略較小的孔洞,其材料為FR4,彈性模量為18.96 GPa,泊松比0.27,根據(jù)其實(shí)際質(zhì)量計(jì)算出密度；元器件忽略其管腳,并假設(shè)其表貼在電路板上,元器件的質(zhì)量和體積等于其實(shí)際參數(shù)。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型,是進(jìn)行響應(yīng)分析的基礎(chǔ)［4］。利用商業(yè)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析,首先要進(jìn)行模態(tài)分析,并提取模態(tài)；然后設(shè)置分析頻率段,采用基礎(chǔ)激勵(lì)法輸入加速度PSD曲線,計(jì)算隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。通過對(duì)某型發(fā)射裝置所經(jīng)歷的環(huán)境分析得知,對(duì)于該電路板而言,只有2 000 Hz頻率以內(nèi)的振動(dòng)對(duì)其有重要影響,因此模態(tài)分析只給出其在2 000 Hz以內(nèi)的一階、二階、三階模態(tài)振型圖,如圖2～4所示。在該模態(tài)分析中,電路板四周全約束。

圖2 一階模態(tài)振型圖

圖3 二階模態(tài)振型圖

圖4 三階模態(tài)振型圖

3 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析采用ABAQUS中的Random Response分析功能,隨機(jī)振動(dòng)是以概率理論為基礎(chǔ),分析的輸入輸出都是具有隨機(jī)概率特性。它的原理是先計(jì)算模型的每階模態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì),再對(duì)它們進(jìn)行綜合,并假設(shè)隨機(jī)振動(dòng)過程為平穩(wěn)隨機(jī)過程。

在該仿真中采用的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)頻譜曲線如圖5,15～178 Hz的PSD值為0.009 41 g2/Hz,178～300 Hz的上升斜率為+4 B/oct,300～1 000 Hz的PSD值為0.0188 4 g2/Hz,1 000～2 000 Hz以-6 dB/oct的斜率下降。利用ABAQUS對(duì)某型發(fā)射裝置電路板的Z向(即垂直于電路板面的方向)的振動(dòng)進(jìn)行了分析。為了找到固定電路板的最佳方案,本文采用了三種方案,以便于優(yōu)選。

圖5 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)頻譜圖

方案一,電路板四周固定,并施加圖5所示隨機(jī)振動(dòng)頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖6所示。可以看出,在此種情況下,電路板的中部DSP芯片振動(dòng)明顯增大,此處加速度達(dá)到237.8m/s2,遠(yuǎn)大于輸入的加速度48.8 m/s2,該方案在隨機(jī)振動(dòng)條件下DSP芯片極易損壞,因而此種該方案風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖6 方案一電路板Z向加速度均方根值云圖

方案二,為了減小電路板中部DSP芯片處的振動(dòng)響應(yīng),除了電路板四周固定,另外在DSP芯片的左右6 mm處也分別固定,施加圖5所示的隨機(jī)振動(dòng)頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖7所示。雖然在此種情況下,DSP芯片處的振動(dòng)響應(yīng)減小了許多,但是也造成了右上角八總線雙向驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)明顯增大,此處加速度達(dá)到229.5 m/s2,遠(yuǎn)大于輸入的加速度48.8 m/s2,該方案在隨機(jī)振動(dòng)條件下也容易造成電路板損壞。

圖7 方案二電路板Z向加速度均方根值云圖

方案三,為了減小電路板內(nèi)部振動(dòng)響應(yīng),除了電路板四周固定,另外在電路板中部DSP芯片下方增加一個(gè)十字型的固定約束,該十字型約束距電路板左側(cè)60 mm、上側(cè)30 mm,通過4個(gè)螺釘與電路板連接。施加圖5所示的隨機(jī)振動(dòng)頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖8所示。在此情況下,雖然造成了左上角八總線雙向驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)增大,但此處加速度也只有74.95 m/s2,稍大于輸入的加速度48.8 m/s2,按照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),電路板可以承受,且安全余量較大。

圖8 方案三電路板Z向加速度均方根值云圖

三種方案的計(jì)算結(jié)果如表1所示,可以看出方案一和方案二結(jié)果較為相似,且放大倍數(shù)都比較大,方案三放大倍數(shù)明顯較小,可見方案三的固定方案更好,適合發(fā)射裝置的振動(dòng)環(huán)境。

表1 三種方案的輸入輸出加速度對(duì)比

4 結(jié) 論

通過對(duì)某型發(fā)射裝置電路板三種固定方案的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析可以看出,不同的固定方案對(duì)電路板的環(huán)境適應(yīng)性影響很大,如果不進(jìn)行深入分析,很容易造成電路板振動(dòng)環(huán)境下的損壞,最終導(dǎo)致產(chǎn)品不能完成預(yù)定功能。通過三種固定方案可以得出,在通常的電路板設(shè)計(jì)中除滿足電路板布局的一般原則外,應(yīng)盡量將質(zhì)量較大的元器件設(shè)計(jì)在電路板的四周,若無法實(shí)現(xiàn),應(yīng)在大質(zhì)量元器件的周圍進(jìn)行加固,以提高整個(gè)電路板的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

［1］石宗義,夏路易.電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程［M］.北京：北京希望電子出版社,2002.

［2］劉文廣,吳凡.基于APDL的PCB元件布局優(yōu)化［J］.電子工藝技術(shù),2009,30(3),151-153.

［3］池雪蓮.PCB板工程設(shè)計(jì)及發(fā)展探析［J］.襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,12(2),17-19.

［4］楊宗軍,葉松林,游少雄.插板式PCB板的內(nèi)置減震設(shè)計(jì)方法及其 PSD動(dòng)力學(xué)仿真［J］.振動(dòng)與沖擊, 2013,26(2),39-42.

［5］呂連燦.印刷電路板設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)科技信息,2013 (14)：117.

［6］肖軍,程功,陳建敏.機(jī)載發(fā)射裝置燒粘-腐蝕防護(hù)評(píng)估技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.航空兵器,2014(5)：60-64.

［7］王清海,劉仲敏,陳小兵.基于Pattran/Nastran的發(fā)射裝置振動(dòng)特性設(shè)計(jì)［J］.航空兵器,2011(2)：52-56.

Random Vibration Response Analysis of PCB Used in the Certain Launcher

Bao Hua,Liu Wanyuan
(China Airborne Missile Academy,Luoyang,471009)

In order to choose correct fixing scheme for the PCB used in the certain launcher,finite element analysis is used to calculate its dynamical characteristic,three fixing schemes are presented.Modal and random response analysis are carried out based on simplified model in each fixing scheme,comparison analysis on the schemes is constructed using random response method and the correct fixing scheme is selected.This investigation could provide ideas and methods for the design of similar products.

printed circuit board；modal analysis；random vibration response analysis

TN41

A

1673-5048(2015)03-0066-03

2015-03-23

鮑華（1983-），男，河南淮陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，研究方向是可靠性。