謝坤

摘 要：以典型船舶電子設(shè)備為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型。按照環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)的數(shù)值模擬和分析研究，并提出提高抗沖擊性能的措施。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；沖擊；瞬態(tài)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on Impact Response of Marine Electronic Equipment

XIE Kun

（COSCO Shipping Bulk Co.， Ltd.， Guangzhou 510020）

Abstract： This paper creates the finite element model of the typical marine electronic equipment with the software ANSYS， simulates and analyzes the shock test of electronic equipment according to the standard of environmental test and puts forward the measures for improving the anti-shock performance of the electronic equipment.

Key words： ElectronicEquipment；Impact；TransientAnalysis；Optimized Design

1 前言

電子設(shè)備在實(shí)際工作環(huán)境下，不可避免地會(huì)受到各種形式機(jī)械力的作用，特別是振動(dòng)和沖擊會(huì)給電子設(shè)備帶來(lái)巨大的危害。本文采用有限元方法分析其在沖擊荷載作用下的動(dòng)響應(yīng)，重點(diǎn)研究典型電子設(shè)備的有限元建模技術(shù)和抗沖擊性能及其改進(jìn)措施，使振動(dòng)沖擊對(duì)其產(chǎn)生的影響減到最低水平。

2 有限元模型的建立

用SHELL63單元建立機(jī)箱前后板、頂板、底板、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和側(cè)板，用BEAM188建立各立柱和橫梁，在連接部位用“node to node”和節(jié)點(diǎn)耦合自由度的方法來(lái)模擬；用殼單元SHELL63來(lái)模擬印制電路板基板， CPU、插槽和質(zhì)量大的芯片、電容、線(xiàn)圈等電子元器件則根據(jù)其實(shí)際尺寸直接建立有限元模型；焊點(diǎn)和小元器件采用總質(zhì)量和剛度等效的方法，在電路板總質(zhì)量等效的基礎(chǔ)上考慮剛度的變化，選擇印制電路板的等效剛度。

印制電路板通過(guò)9個(gè)螺栓和機(jī)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相連接，在連接部位采用節(jié)點(diǎn)耦合自由度的方法來(lái)模擬主板和機(jī)箱的連接。

印制電路板基板的材料為FR-4，CPU的材料為硅、鋁和銅，插槽的材料為塑料，芯片的材料為硅，各元器件的材料參數(shù)可以參照有關(guān)參考文獻(xiàn)和《機(jī)

械工程材料數(shù)據(jù)手冊(cè)》。根據(jù)實(shí)際測(cè)量和等效得到的印制電路板各個(gè)電子元器件的尺寸、重量，以及等效得到的材料參數(shù)見(jiàn)下表：

表1 材料參數(shù)表

名稱(chēng) 尺寸（mm） 彈性模量（Pa） 泊松比 密度

（ ）

基板 220×305×2

0.3 4247

CPU 60.5×54.5×10

0.31 2700

芯片 35×35×2

23×23×2

0.3 2420

ISA插槽 7×12.5×85

0.46 892

內(nèi)存插槽 7×6.3×138

0.46 1240

1 3 沖擊響應(yīng)分析

一般沖擊在試驗(yàn)時(shí)采用半正弦波來(lái)模擬，其特點(diǎn)是不經(jīng)常遇到，次數(shù)少、加速度大。規(guī)范對(duì)于半正弦波規(guī)定其峰值加速度A取為15 g，持續(xù)時(shí)間D取為11 ms，速度變化量取為 m/s。采用將時(shí)間-加速度關(guān)系進(jìn)行積分使其成為時(shí)間-位移關(guān)系的方法，把加速度激勵(lì)轉(zhuǎn)化為位移激勵(lì)來(lái)將加速度沖擊施加到結(jié)構(gòu)上。

機(jī)箱等框體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)大于印制電路板，因此在振動(dòng)沖擊環(huán)境下印制電路板最容易發(fā)生損壞。為了研究沖擊結(jié)束時(shí)主板上各點(diǎn)的加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，在主板的上中下各取一個(gè)節(jié)點(diǎn)。選取主板上的節(jié)點(diǎn)9005、節(jié)點(diǎn)8658和節(jié)點(diǎn)8099，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體位置如圖1。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行垂直方向基礎(chǔ)激勵(lì)下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)即為其位移相對(duì)基礎(chǔ)的響應(yīng)。利用ANSYS后處理器的功能，對(duì)相對(duì)位移進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，就可以得到節(jié)點(diǎn)的相對(duì)加速度響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖2、圖3、圖4分別為主板上的節(jié)點(diǎn)9005、8658、8099相對(duì)于基礎(chǔ)的加速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)。

主板上節(jié)點(diǎn)9005、8658、8099的加速度具有相同的振型和節(jié)拍，振動(dòng)的強(qiáng)弱也基本相同。節(jié)點(diǎn)9005、8658、8099的加速度極值分別為（-21.2658g，21.9761g）、（-21.7721g，22.12g）、（-23.4508g，22.5385g）。比較這些點(diǎn)的振動(dòng)情況可知，印制電路板沖擊響應(yīng)滯后于所加的激勵(lì)，它們的響應(yīng)幅度也比所加激勵(lì)的幅度要大。

4 減振方法

很多學(xué)者對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行了減振的研究，要求電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取合理的強(qiáng)度、剛度和有效的隔振、緩沖措施。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的原理來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法都是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼特性分布來(lái)達(dá)到抗振減振的目的。

4.1 安裝隔振器的影響

選取隔振器的K=100000N/m和K=20000N/m來(lái)比較它們的效果。用彈簧阻尼單元來(lái)模擬隔振器，在電子設(shè)備與基礎(chǔ)接觸的4個(gè)地方布置Z方向的隔振器。圖4為K=100000N/m和K=20000N/m時(shí)節(jié)點(diǎn)9005的相對(duì)加速度曲線(xiàn)。endprint

隔振器的K=20000N/m時(shí)節(jié)點(diǎn)9005的加速度極值為（-14.0798g，9.8024g），K=100000N/m時(shí)的加速度極值為（-16.4681g，17.3886g）。由上可知，通過(guò)安裝隔振器，印制電路板和電源節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)幅值降低了很多，能夠迅速的提高電子設(shè)備抗沖擊的性能。

4.2 設(shè)備剛度的影響

機(jī)箱厚度初始值為t=0.9mm，將其厚度增加到t=1.5mm。圖5是t=0.9 mm和t=1.5 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)9005的相對(duì)加速度曲線(xiàn)。

印制電路板是螺栓固定在機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，原有螺栓9個(gè)，現(xiàn)增加螺釘?shù)?4個(gè)。圖6是有無(wú)螺栓時(shí)節(jié)點(diǎn)9005的相對(duì)加速度曲線(xiàn)。

增加厚度后，節(jié)點(diǎn)9005的加速度極值為（-12.2531g，12.3181g）；增加固定主板的螺栓后，節(jié)點(diǎn)9005的加速度極值為（-19.5489g，21.5775g）。

由上可知，增加機(jī)箱的厚度后設(shè)備的剛度和頻率都相應(yīng)的提高，印制電路板的加速度響應(yīng)的幅值下降了很多，電子設(shè)備的抗沖擊的性能得到顯著提高；通過(guò)增加固定印制電路板的螺栓數(shù)目，雖然增強(qiáng)了印制電路板與機(jī)箱的連接，但是效果不明顯。

4.3 元件布局的影響

電子設(shè)備中元件的位置對(duì)設(shè)備的其固有頻率有很大的影響，圖7為機(jī)箱在中間和下面的有限元模型。

圖8是電源布置在上中下位置時(shí)節(jié)點(diǎn)9005的相對(duì)加速度曲線(xiàn)。

將電源布置在機(jī)箱中間，節(jié)點(diǎn)9005的加速度極值為（-21.8945g，21.6356g）；布置在機(jī)箱下面，加速度極值為（-19.9904g，19.1976g）。由此可以看出，將電源移動(dòng)到中間和下部的結(jié)果都沒(méi)有很明顯的變化，特別是在沖擊發(fā)生的階段，電源布置在中間時(shí)主板的加速度響應(yīng)沒(méi)有降低，電源的加速度響應(yīng)有所降低；電源布置在下面時(shí)主板、電源的加速度響應(yīng)有所降低，但是不明顯。

5 綜合優(yōu)化及結(jié)果分析

綜合上所述，布置隔振器、機(jī)箱厚度取為1.5mm、電源位置在機(jī)箱上部時(shí)，利用ANSYS對(duì)設(shè)備進(jìn)行垂直方向基礎(chǔ)激勵(lì)下的頻率響應(yīng)分析，在時(shí)間歷程后處理器中提取瞬態(tài)響應(yīng)的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)9005的加速度極值為（-14.328g，8.51385g）。圖9是優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)9005的相對(duì)加速度曲線(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合考慮安裝隔振器和提高設(shè)備的剛度等措施，可以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備抗沖擊性能的進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，能夠明顯降低設(shè)備加速度響應(yīng)的幅值，顯著的提高整個(gè)電子設(shè)備抗沖擊的性能。

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