劉松濤，劉 營(yíng)，李鴻光，李富才

（上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)涉及到智能控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域[1–3]。作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本組成部分，機(jī)箱設(shè)備必須擁有數(shù)秒內(nèi)能夠路由數(shù)十億個(gè)數(shù)據(jù)包的能力。連接這些在線設(shè)備并影響通信速度的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量決定了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。為了提高通信速度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，機(jī)箱設(shè)備通常必須放在現(xiàn)場(chǎng)，這意味著它們將暴露于前所未有的極端溫度、濕度、腐蝕性煙霧和機(jī)械振動(dòng)等條件下[4]。在這些環(huán)境因素中，振動(dòng)特別是基礎(chǔ)振動(dòng)可能導(dǎo)致觸點(diǎn)松動(dòng)、開路或其他接觸問題，這些問題在系統(tǒng)故障原因中占很大比例。因此，需要系統(tǒng)級(jí)的仿真和實(shí)驗(yàn)來監(jiān)測(cè)和增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)機(jī)箱設(shè)備的結(jié)構(gòu)健康狀況。

目前在焊接點(diǎn)、連接器、裝配印刷電路板(PCBA)等許多方面對(duì)機(jī)箱內(nèi)部器件的振動(dòng)分析已經(jīng)取得了很多成果[5]。例如，F(xiàn).X.Che等[6]對(duì)倒裝焊點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)和分析，并開發(fā)了一種準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析方法，研究了焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)力應(yīng)變行為。Bo Zhang等[7]為采用3種芯片尺寸封裝組裝的標(biāo)準(zhǔn)PCBA板構(gòu)建了有限元模型，并通過模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證了分析結(jié)果。應(yīng)該注意的是，在這些研究中討論的有限元模型主要是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，而一個(gè)系統(tǒng)作為許多部件的綜合體，部件之間的特性相互影響，甚至部件間的接合面特性也會(huì)疊加到系統(tǒng)特性中。因此，在系統(tǒng)層面分析機(jī)箱設(shè)備的振動(dòng)特性仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究任務(wù)。

本文對(duì)某物聯(lián)網(wǎng)機(jī)箱設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)振動(dòng)特性分析和減振研究。首先，利用有限元方法，從部件到系統(tǒng)依次進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算了系統(tǒng)級(jí)基礎(chǔ)激勵(lì)下該機(jī)箱設(shè)備的固有頻率、模態(tài)振型和諧響應(yīng)，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)出整個(gè)系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，并分析振動(dòng)的來源和傳遞路徑，針對(duì)性地提出了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和減少振動(dòng)的措施，并在仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，采取的措施有效降低了機(jī)箱設(shè)備的振動(dòng)，提高了其安全性。

1 有限元分析

在本文中，針對(duì)此物聯(lián)網(wǎng)機(jī)箱設(shè)備的有限元仿真在ANSYS Workbench中實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)化后的機(jī)箱幾何模型和劃分后的網(wǎng)格如圖1所示，機(jī)箱的尺寸為450 mm×450 mm×50 mm，主要由底板、骨架、左右兩塊電路板、電路板支架、電源模塊和上機(jī)殼等六部分組成。為了更清楚地顯示機(jī)箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，在圖1(a)中將上機(jī)殼隱藏，同時(shí)將電路板支架設(shè)置為半透明。在底板上固定有一塊較大的T形PCBA板，在圖中用深黃色顯示；左右兩塊電路板穿過電路板支架與中間骨架相連，每塊電路板都由PCBA板和背部的防火板組成，其中PCBA板用綠色顯示，在測(cè)量電路板的振動(dòng)時(shí)主要測(cè)量的就是PCBA板。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)要求激光束能直射到待測(cè)點(diǎn)，而左右兩塊PCBA板被上機(jī)殼和電路板支架遮擋，因此在機(jī)箱的上機(jī)殼上去掉了兩個(gè)大的方孔對(duì)應(yīng)的材料，如圖1(b)所示，同時(shí)也在電路板支架上打了一系列的小孔。

圖1 機(jī)箱設(shè)備的模型

本文研究的是機(jī)箱裝配體的振動(dòng)特性和減振優(yōu)化，但是由于機(jī)箱內(nèi)部零件眾多且接觸情況復(fù)雜，如果直接進(jìn)行裝配體的有限元分析，不僅難以設(shè)置材料的參數(shù)，也容易設(shè)置錯(cuò)誤的接觸面參數(shù)。所以對(duì)于機(jī)箱的仿真分析，按照部件-半裝配體-機(jī)箱整體的順序逐步進(jìn)行。首先通過對(duì)部件的分析，確定部件材料的參數(shù)；對(duì)部件的分析完成之后，逐步對(duì)部件進(jìn)行裝配分析，依次確定部件之間接觸面的參數(shù)；將各個(gè)部件完全裝配并全部確定接觸參數(shù)之后，即得到可以代替實(shí)際機(jī)箱的分析模型。通過進(jìn)行諧響應(yīng)分析，找出機(jī)箱結(jié)構(gòu)中振動(dòng)劇烈的位置，分析振動(dòng)的來源和傳遞路徑，采取合理的優(yōu)化措施進(jìn)行減振，再進(jìn)行仿真分析對(duì)減振措施進(jìn)行驗(yàn)證。

在對(duì)機(jī)箱裝配體進(jìn)行分析時(shí)，用于固定機(jī)箱的四個(gè)掛耳的位置如圖1(b)所示，掛耳的表面與固定裝置綁定在一起，用來模擬邊界條件。如果不考慮自動(dòng)生成的接觸元素，該模型中包含有286 400個(gè)節(jié)點(diǎn)、119 334個(gè)四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格。

在計(jì)算時(shí)各個(gè)組件的初始材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。由于每個(gè)PCBA板都包含有芯片、散熱片、連接器和防火鋼板等零件，并不是由單一的材料組成，其實(shí)際的計(jì)算參數(shù)需要通過與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比之后進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。PCBA板通過螺釘和連接器固定在骨架上，為了方便計(jì)算，有限元模型中去掉螺釘和插針等細(xì)節(jié)特征，在ANSYS中把相應(yīng)位置連接處兩組件的表面綁定(bonded)在一起作為簡(jiǎn)化的接觸條件。

表1 機(jī)箱組件初始材料參數(shù)設(shè)置

設(shè)置完各個(gè)參數(shù)之后進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，采用分塊蘭索斯法提取包含許多局部模態(tài)的前60階模態(tài)。得到系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型之后，為了確定在不同頻率簡(jiǎn)諧載荷下各部分結(jié)構(gòu)的變形，需要進(jìn)行諧響應(yīng)分析，分析的結(jié)果可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性，幫助驗(yàn)證系統(tǒng)能否克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)等有害因素。諧響應(yīng)分析可采用完全法、縮減法和模態(tài)疊加法，本文使用模態(tài)疊加法進(jìn)行求解，掃描頻率為30 Hz到300 Hz，在整個(gè)模型上施加0.5 g的基礎(chǔ)加速度對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)方向?yàn)樨Q直向下，與水平機(jī)箱垂直，激勵(lì)位置為整個(gè)機(jī)箱。

由于系統(tǒng)中不同階振動(dòng)的強(qiáng)弱程度不同，隨著頻率變化系統(tǒng)中有的接觸時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，導(dǎo)致其阻尼隨之變化，因此在模型中設(shè)置單一的常值阻尼與現(xiàn)實(shí)情況不符。為了更好地模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有限元模型應(yīng)用模態(tài)阻尼的假設(shè)，根據(jù)不同的模態(tài)設(shè)置不同的模態(tài)阻尼比，利用ANSYS中的MDAMP命令將模態(tài)阻尼比輸入到分析模型中，前五階模態(tài)的阻尼比分別為0.003 5、0.1、0.4、0.04和0.006。各模態(tài)阻尼比的取值通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比調(diào)整之后確定。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證前面分析的有限元模型，實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了各個(gè)部件、半裝配體和機(jī)箱整體的固有頻率和模態(tài)振型，以及機(jī)箱的諧響應(yīng)，然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行比較。圖2和圖3分別展示了實(shí)驗(yàn)的原理圖和現(xiàn)場(chǎng)安裝圖。

被測(cè)機(jī)箱安裝在剛性固定裝置上，該剛性固定裝置與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的平臺(tái)相連，平臺(tái)的平面與運(yùn)動(dòng)方向垂直。參考加速度計(jì)安裝在固定裝置上用以測(cè)量基座振動(dòng)，并與電荷放大器相連。掃描激光測(cè)振儀的激光發(fā)生器固定在剛性框架上，從4米高處發(fā)出的激光束照射到被測(cè)點(diǎn)上，然后通過振動(dòng)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

如前面所述，由于掃描激光測(cè)振儀測(cè)量的位置需要激光能照射到，為了測(cè)量設(shè)備內(nèi)部?jī)蓧KPCBA板的振動(dòng)情況，在PCBA板的支架上打一系列的孔，孔的位置分布及相應(yīng)編號(hào)如圖4所示。

在測(cè)量時(shí)，將機(jī)箱和剛性框架固定在水平臺(tái)上，用幅值為0.5 g的正弦掃頻信號(hào)激勵(lì)水平平臺(tái)，掃描的頻率范圍為30 Hz～300 Hz，掃描速率是1 Hz/s，可認(rèn)為機(jī)箱受到的激勵(lì)與水平臺(tái)受到的激勵(lì)一致。以測(cè)量設(shè)備內(nèi)部的兩塊PCBA板為例，掃描激光測(cè)振儀對(duì)圖中的112個(gè)位置逐個(gè)進(jìn)行掃描，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出固有頻率和模態(tài)振型。提取被測(cè)點(diǎn)的諧響應(yīng)振幅和參考加速度計(jì)測(cè)得的平臺(tái)的諧響應(yīng)振幅，將二者之比作為振動(dòng)放大倍數(shù)來反映振動(dòng)的情況。利用圖4中點(diǎn)111在掃描頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)放大倍數(shù)曲線，將放大倍數(shù)曲線上的各個(gè)波峰與相應(yīng)的頻率振型與有限元中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置的安裝圖

圖4 PCBA板測(cè)量時(shí)孔的位置及相應(yīng)編號(hào)

3 結(jié)果對(duì)比

在本節(jié)中，將有限元分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在整個(gè)研究過程中為了確定材料的參數(shù)和各個(gè)接觸面之間的參數(shù)，依次對(duì)比了部件、半裝配體和機(jī)箱整體的結(jié)果，而在減振時(shí)主要控制的就是PCBA板連接處的振動(dòng)，因此限于篇幅及為了突出研究的重點(diǎn)，此處僅列出機(jī)箱內(nèi)部左右電路板中的兩塊PCBA板的振動(dòng)情況，選取這兩塊PCBA板的模態(tài)和PCBA板端部連接器處的點(diǎn)111的振動(dòng)放大曲線進(jìn)行對(duì)比。去除局部模態(tài)的前3階固有頻率、模態(tài)振型和振動(dòng)放大倍數(shù)曲線如表2和圖5所示。

從表2和圖5可以看出，從仿真分析中提取的響應(yīng)放大倍數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在基本的相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算得到的固有頻率的差異不超過2%，模態(tài)振型基本一致，說明機(jī)箱設(shè)備的有限元模型設(shè)置是合理的。因此這個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的有限元模型可用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 固有頻率和仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 優(yōu)化措施

通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析的結(jié)果，可以找出設(shè)備在不同固有頻率下振動(dòng)劇烈的位置，分別為上機(jī)殼中間部分、骨架一側(cè)的中間部分和PCBA板端部遠(yuǎn)離連接器的部分，如圖6所示。

結(jié)合設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，分析振動(dòng)的來源和傳遞路徑，提出如下的減振措施：

(1)在上機(jī)殼表面貼上約束阻尼層。阻尼層由于其內(nèi)部分子相互運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力的作用會(huì)消耗大量的能量，使振動(dòng)的能量耗散，起到減振的作用。(2)用螺釘連接機(jī)殼與中間骨架兩側(cè)以增加剛度。增加剛度可以提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，進(jìn)而提高設(shè)備的抗振抗沖擊性能[9]。(3)在PCBA板端部振動(dòng)劇烈處增加導(dǎo)向銷與中間骨架相連，其原理與措施(2)一致。但是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)無法添加導(dǎo)向銷，只能進(jìn)行有限元仿真進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，可在后續(xù)的設(shè)計(jì)中加以考慮，前兩種優(yōu)化措施如圖7所示。

分別對(duì)每種措施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真分析，并提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)在優(yōu)化前后的振動(dòng)放大曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后的諧響應(yīng)結(jié)果

圖8中的結(jié)果表明，優(yōu)化之前振動(dòng)劇烈的部位在優(yōu)化之后其振動(dòng)情況被有效抑制，一階諧振響應(yīng)被極大削弱，大部分的高階振動(dòng)也有明顯的降低。說明采取的減振優(yōu)化措施是有效的，優(yōu)化后的機(jī)箱設(shè)備安全性得到提高。

5 結(jié)語

為了監(jiān)測(cè)和提高物聯(lián)網(wǎng)機(jī)箱設(shè)備的結(jié)構(gòu)健康狀況，本文針對(duì)某型號(hào)的機(jī)箱進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的仿真和實(shí)驗(yàn)。從部件到裝配體逐步進(jìn)行仿真分析，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，不斷調(diào)整完善模型內(nèi)部的材料參數(shù)和接觸條件設(shè)置，盡可能使其與實(shí)際的條件相符，最終完成一個(gè)能代替實(shí)際結(jié)構(gòu)的仿真模型，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行減振研究。有限元模型通過固有頻率、模態(tài)振型和諧響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來進(jìn)行驗(yàn)證。基于驗(yàn)證后的模型，檢測(cè)出整個(gè)系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，通過分析振動(dòng)的來源和傳遞路徑，分別對(duì)不同的振動(dòng)劇烈部位提出針對(duì)性的減振優(yōu)化措施，并從實(shí)驗(yàn)和仿真兩方面進(jìn)行檢驗(yàn)，兩種方法都證明了減振方法的有效性。