某型發射裝置電路板隨機振動響應分析

鮑 華，劉萬遠

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

某型發射裝置電路板隨機振動響應分析

鮑 華，劉萬遠

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

為合理確定某型發射裝置電路板的固定方式，采用有限元仿真的方法對其動力學特性進行計算，提出三種固定電路板的方案。在簡化模型的基礎上對三種方案分別進行模態分析和隨機振動響應分析，利用隨機振動響應結果比較了三種方案的優劣，得出適合電路板的固定方案，該研究方法可以為相似產品的設計提供思路和方法。

電路板；模態分析；隨機振動響應分析

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制作的,故被稱為“印刷”電路板［3-4］。PCB板設計是目前電子產品設計鏈中的一個關鍵環節,其設計的好壞直接影響到產品的質量和生產效率。電路板的固定方式是PCB板設計的一個重要環節,需要仿真來進行方案優選［5］。

發射裝置在掛機飛行過程中由于表面的氣動擾流、載機振動傳遞、發動機排氣噪聲等原因將承受嚴酷的隨機振動環境［6-7］,這些隨機振動環境將嚴重影響發射裝置的環境適應性和可靠性。發射裝置中PCB的固定方式對板上元器件的隨機振動影響較大,迫切需要開展動力學仿真。以隨機振動仿真為代表的動力學仿真,在產品方案階段開展,可大大節省費用,而且與產品設計同步,可以更好地指導發射裝置的設計,提高其環境適應性。

1 某型發射裝置電路板模型

本文選取的發射裝置電路板的物理模型如圖1所示,其中包含18個元器件,分別是1個存儲芯片、1個晶振、4個快速光耦、4個CAN總線數據收發器、1個鉭電解電容、1個DSP芯片、4個八總線雙向驅動器、1個D/A轉換器和1個RS232驅動器。PCB板厚2 mm,包含8層,基板由0.3 mm厚的環氧玻璃布壓板組成,PCB表層銅箔厚度為50μm。

圖1 某型發射裝置電路板物理模型

為了簡化計算模型,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,根據其實際質量計算出密度；元器件忽略其管腳,并假設其表貼在電路板上,元器件的質量和體積等于其實際參數。

2 模態分析

模態分析可以獲得結構的固有頻率和固有振型,是進行響應分析的基礎［4］。利用商業有限元軟件ABAQUS進行隨機振動響應分析,首先要進行模態分析,并提取模態；然后設置分析頻率段,采用基礎激勵法輸入加速度PSD曲線,計算隨機振動響應。通過對某型發射裝置所經歷的環境分析得知,對于該電路板而言,只有2 000 Hz頻率以內的振動對其有重要影響,因此模態分析只給出其在2 000 Hz以內的一階、二階、三階模態振型圖,如圖2～4所示。在該模態分析中,電路板四周全約束。

圖2 一階模態振型圖

圖3 二階模態振型圖

圖4 三階模態振型圖

3 隨機振動分析

隨機振動分析采用ABAQUS中的Random Response分析功能,隨機振動是以概率理論為基礎,分析的輸入輸出都是具有隨機概率特性。它的原理是先計算模型的每階模態響應統計,再對它們進行綜合,并假設隨機振動過程為平穩隨機過程。

在該仿真中采用的隨機振動試驗頻譜曲線如圖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對某型發射裝置電路板的Z向(即垂直于電路板面的方向)的振動進行了分析。為了找到固定電路板的最佳方案,本文采用了三種方案,以便于優選。

圖5 隨機振動試驗頻譜圖

方案一,電路板四周固定,并施加圖5所示隨機振動頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖6所示?？梢钥闯?在此種情況下,電路板的中部DSP芯片振動明顯增大,此處加速度達到237.8m/s2,遠大于輸入的加速度48.8 m/s2,該方案在隨機振動條件下DSP芯片極易損壞,因而此種該方案風險較大。

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芯片處的振動響應,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所示的隨機振動頻譜,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芯片處的振動響應減小了許多,但是也造成了右上角八總線雙向驅動器響應明顯增大,此處加速度達到229.5 m/s2,遠大于輸入的加速度48.8 m/s2,該方案在隨機振動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,為了減小電路板內部振動響應,除了電路板四周固定,另外在電路板中部DSP芯片下方增加一個十字型的固定約束,該十字型約束距電路板左側60 mm、上側30 mm,通過4個螺釘與電路板連接。施加圖5所示的隨機振動頻譜,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動器響應增大,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,按照以往的設計經驗,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

三種方案的計算結果如表1所示,可以看出方案一和方案二結果較為相似,且放大倍數都比較大,方案三放大倍數明顯較小,可見方案三的固定方案更好,適合發射裝置的振動環境。

表1 三種方案的輸入輸出加速度對比

4 結 論

通過對某型發射裝置電路板三種固定方案的隨機振動響應分析可以看出,不同的固定方案對電路板的環境適應性影響很大,如果不進行深入分析,很容易造成電路板振動環境下的損壞,最終導致產品不能完成預定功能。通過三種固定方案可以得出,在通常的電路板設計中除滿足電路板布局的一般原則外,應盡量將質量較大的元器件設計在電路板的四周,若無法實現,應在大質量元器件的周圍進行加固,以提高整個電路板的環境適應性和可靠性。

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

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

［3］池雪蓮.PCB板工程設計及發展探析［J］.襄陽職業技術學院學報,2013,12(2),17-19.

［4］楊宗軍,葉松林,游少雄.插板式PCB板的內置減震設計方法及其 PSD動力學仿真［J］.振動與沖擊, 2013,26(2),39-42.

［5］呂連燦.印刷電路板設計［J］.中國科技信息,2013 (14)：117.

［6］肖軍,程功,陳建敏.機載發射裝置燒粘-腐蝕防護評估技術的研究進展［J］.航空兵器,2014(5)：60-64.

［7］王清海,劉仲敏,陳小兵.基于Pattran/Nastran的發射裝置振動特性設計［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，河南淮陽人，工程師，碩士研究生，研究方向是可靠性。