徐偉杰，江 雄，沈巍巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

某星載電子設(shè)備有限元分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)*

徐偉杰，江 雄，沈巍巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

文中利用ANSYS建立了某星載電子設(shè)備的有限元分析模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，結(jié)果表明設(shè)備的剛強(qiáng)度滿足系統(tǒng)要求。獲得了某型器件安裝處的加速度響應(yīng)情況，結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)后最大加速度響應(yīng)值降低了19.4%，并順利通過了振動(dòng)試驗(yàn)考核。研究表明，在設(shè)計(jì)初期采用有限元方法對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析可以縮短研制周期，降低后續(xù)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

ANSYS；隨機(jī)振動(dòng)；剛強(qiáng)度；設(shè)計(jì)改進(jìn)

引 言

振動(dòng)環(huán)境可靠性是影響電子設(shè)備工作狀態(tài)和壽命的主要因素[1]。軍用電子設(shè)備在研制階段要經(jīng)受嚴(yán)酷的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)中最容易出現(xiàn)問題的是印制板上的元器件，如各類封裝器件管腳疲勞斷裂、焊點(diǎn)脫落等[2-4]。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段即開展相應(yīng)的仿真工作，以保證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

本文利用ANSYS對(duì)某星載電子設(shè)備進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行了校核，獲取了某型器件安裝處的加速度響應(yīng)情況。在重量允許條件下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)后器件安裝處的最大加速度響應(yīng)值降低了19.4%，有效改善了該器件的振動(dòng)環(huán)境。

1 設(shè)備有限元分析

設(shè)備由8個(gè)模塊拼裝組成，模塊通過長螺桿固定在一起。設(shè)備側(cè)面安裝有母板，用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的電氣連接。為滿足減重要求，模塊腔體使用鎂鋁合金材料銑加工成型。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。分析時(shí)所采用坐標(biāo)系的X向?yàn)閷挾确较颍琘向?yàn)樨Q直方向，Z向?yàn)榇怪庇趦?nèi)部印制板方向。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 模型簡化及網(wǎng)格劃分

在ANSYS Workbench中建立設(shè)備的有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化：忽略各個(gè)模塊上的接插件，印制板與腔體之間、模塊之間均通過綁定接觸(bonded)連接，腔體內(nèi)的倒角及連接用螺紋孔均忽略，忽略印制板上特征尺寸小于10 mm的器件?？紤]到器件與印制板的連接剛度很大，忽略各個(gè)器件的引腳，直接將器件與印制板進(jìn)行綁定接觸[5]。利用實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，在可能的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。有限元模型如圖2所示，計(jì)算時(shí)將支耳的安裝孔固定。

圖2 設(shè)備有限元模型

1.2 材料參數(shù)

設(shè)備腔體材料為鎂鋁合金，印制板材料為FR- 4，封裝芯片有塑料封裝和陶瓷封裝2種形式，其材料參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備內(nèi)各材料的物理參數(shù)

1.3 模態(tài)分析

對(duì)單機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，表2給出了幾階的固有頻率，對(duì)應(yīng)模態(tài)振型見圖3。

表2 設(shè)備固有頻率

圖3 設(shè)備模態(tài)振型

從分析結(jié)果可以看出，設(shè)備的基頻達(dá)到355.3 Hz，滿足總體設(shè)計(jì)要求。其中第1階和第2階模態(tài)振型分別由模塊1和模塊2的局部模態(tài)引起，這主要是因?yàn)槟K1和模塊2均采用整塊印制板設(shè)計(jì)形式(其余模塊內(nèi)部均有分腔)。

1.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

在模態(tài)分析基礎(chǔ)上，利用模態(tài)疊加法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，分別在3個(gè)方向上按給定振動(dòng)譜(見表3)施加激勵(lì)。在各向激勵(lì)下，腔體上最大應(yīng)力為85.1 MPa(出現(xiàn)在Z向激勵(lì)下，見圖4)，腔體材料的屈服強(qiáng)度為140 MPa，當(dāng)安全系數(shù)為1.35時(shí)，安全裕度為140/(85.1×1.35)-1=0.22，表明設(shè)備整體強(qiáng)度滿足要求，且有一定的安全裕度。

圖4 Z向振動(dòng)時(shí)應(yīng)力云圖

頻率范圍/Hz20～100100～600600～2000加速度功率譜密度+3dB/oct0.25g2/Hz-9dB/oct總均方根加速度14.33g

圖5～圖7給出了Z向(該方向的加速度響應(yīng)最大)激勵(lì)下模塊1～模塊3的加速度(以下加速度都為均方根值)分布情況。由于模塊1和模塊2均采用整塊印制板設(shè)計(jì)形式(其余模塊內(nèi)部均有分腔)，腔體剛度較小，因此加速度響應(yīng)明顯大于模塊3。

圖5 模塊1加速度分布

圖6 模塊2加速度分布

圖7 模塊3加速度分布

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

設(shè)備上共安裝了5個(gè)某型器件，模塊1中裝有3個(gè)，剩余2個(gè)安裝在模塊2中。從圖5和圖6可以看到，該型器件最大加速度達(dá)到79.9g，出現(xiàn)在模塊1上。過大的加速度響應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致器件出現(xiàn)故障，增加后續(xù)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，因此在結(jié)構(gòu)允許情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

從前文分析可知，模塊1和模塊2的剛度小，導(dǎo)致其內(nèi)部印制板上器件的加速度響應(yīng)較大，因此將這2個(gè)模塊的腔體均加厚1 mm，同時(shí)在1號(hào)器件上方增加一個(gè)固定螺柱。改進(jìn)后設(shè)備的第1階固有頻率由355.3 Hz提高至376.7 Hz，第2階固有頻率由410.1 Hz提高至446.8 Hz。圖8和圖9給出了改進(jìn)后2個(gè)模塊的加速度分布。模塊1上的最大加速度值得到有效降低，器件安裝處的最大加速度由79.9g降低至47.9g；模塊2上的最大加速度值略有降低，器件安裝處的最大加速度由65.9g降低至64.4g。

圖8 改進(jìn)后模塊1的加速度分布

圖9 改進(jìn)后模塊2的加速度分布

表4給出了改進(jìn)前后該型器件安裝處的最大加速度均方根值，從表中可以看出，器件安裝處的最大加速度值由79.9g降低至64.4g(減小了19.4%)。通過局部的改動(dòng)有效改善了器件的振動(dòng)環(huán)境，后續(xù)設(shè)備順利通過了振動(dòng)試驗(yàn)考核。

表4 不同模型下各器件加速度均方根值g

器件安裝處#1#2#3#4#5改進(jìn)前79.941.631.563.965.9改進(jìn)后47.929.527.262.364.4

3 結(jié)束語

本文對(duì)某星載電子設(shè)備進(jìn)行了有限元分析，其整體剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。但由于模塊1和模塊2的腔體剛度較小，導(dǎo)致模塊內(nèi)器件安裝處的加速度響應(yīng)較大。為降低后續(xù)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部設(shè)計(jì)改進(jìn)，器件安裝處的最大加速度值降低了19.4%，而總重量僅增加了310 g。在設(shè)計(jì)初期采用有限元方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行仿真分析，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱之處，縮短研制時(shí)間。

[1] STEINBERG D S. Vibration Analysis for Electronic Equipment[M]. 3rd Edition. New York: John Wiley and Sons, 1999.

[2] 劉芳, 孟光, 趙玟, 等. 板級(jí)跌落碰撞下無鉛焊點(diǎn)的有限元分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2008, 27(2): 75-77.

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[5] 任建峰. 航電設(shè)備PCB組件隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[C]//第九屆中國CAE工程分析技術(shù)年會(huì)專輯, 2013: 155-159.

[6] 朱位秋. 隨機(jī)振動(dòng)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1992.

徐偉杰(1972-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

江 雄(1985-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

沈巍巍(1984-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Finite Element Analysis and Design Improvement of a Satellite Electronic Equipment

XU Wei-jie，JIANG Xiong，SHEN Wei-wei

(The36thResearchInstituteofCETC,Jiaxing314033,China)

In this paper, the finite element model of a satellite electronic equipment is established by ANSYS, the random vibration response is analyzed based on the modal analysis. Results show that the strength and stiffness of the equipment meet the design requirement. The acceleration responses at the locations of particular components are obtained. The local structure design is improved according to the results of the finite element analysis. The maximum acceleration response after improvement is reduced by 19.4%. The equipment withstands the vibration test successfully. The research indicates that simulation analysis for equipment structure performance using finite element method in early design stage is able to shorten development cycle and reduce the risk of subsequent tests.

ANSYS; random vibration; strength and stiffness; design improvement

2016-11-24

TN957.8+3

A

1008-5300(2017)02-0034-03