船舶電子設備沖擊響應分析研究

謝坤

摘 要：以典型船舶電子設備為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型。按照環境試驗的標準，對電子設備進行了沖擊試驗的數值模擬和分析研究，并提出提高抗沖擊性能的措施。

關鍵詞：電子設備；沖擊；瞬態分析；優化設計

中圖分類號：U665.2 文獻標識碼：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

電子設備在實際工作環境下，不可避免地會受到各種形式機械力的作用，特別是振動和沖擊會給電子設備帶來巨大的危害。本文采用有限元方法分析其在沖擊荷載作用下的動響應，重點研究典型電子設備的有限元建模技術和抗沖擊性能及其改進措施，使振動沖擊對其產生的影響減到最低水平。

2 有限元模型的建立

用SHELL63單元建立機箱前后板、頂板、底板、內部結構和側板，用BEAM188建立各立柱和橫梁，在連接部位用“node to node”和節點耦合自由度的方法來模擬；用殼單元SHELL63來模擬印制電路板基板， CPU、插槽和質量大的芯片、電容、線圈等電子元器件則根據其實際尺寸直接建立有限元模型；焊點和小元器件采用總質量和剛度等效的方法，在電路板總質量等效的基礎上考慮剛度的變化，選擇印制電路板的等效剛度。

印制電路板通過9個螺栓和機箱的內部結構相連接，在連接部位采用節點耦合自由度的方法來模擬主板和機箱的連接。

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可以參照有關參考文獻和《機

械工程材料數據手冊》。根據實際測量和等效得到的印制電路板各個電子元器件的尺寸、重量，以及等效得到的材料參數見下表：

表1 材料參數表

名稱 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

內存插槽 7×6.3×138

0.46 1240

1 3 沖擊響應分析

一般沖擊在試驗時采用半正弦波來模擬，其特點是不經常遇到，次數少、加速度大。規范對于半正弦波規定其峰值加速度A取為15 g，持續時間D取為11 ms，速度變化量取為 m/s。采用將時間-加速度關系進行積分使其成為時間-位移關系的方法，把加速度激勵轉化為位移激勵來將加速度沖擊施加到結構上。

機箱等框體結構的強度和剛度都遠大于印制電路板，因此在振動沖擊環境下印制電路板最容易發生損壞。為了研究沖擊結束時主板上各點的加速度隨時間的變化關系，在主板的上中下各取一個節點。選取主板上的節點9005、節點8658和節點8099，各個節點的具體位置如圖1。

對設備進行垂直方向基礎激勵下的瞬態動力學分析，每個節點相對于基礎節點的位移響應即為其位移相對基礎的響應。利用ANSYS后處理器的功能，對相對位移進行數學處理，就可以得到節點的相對加速度響應曲線。

圖2、圖3、圖4分別為主板上的節點9005、8658、8099相對于基礎的加速度時間歷程曲線。

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

4 減振方法

很多學者對電子設備進行了減振的研究，要求電子設備在結構設計中采取合理的強度、剛度和有效的隔振、緩沖措施。從結構動力學的原理來說，結構優化的方法都是通過改變結構的剛度、質量和阻尼特性分布來達到抗振減振的目的。

4.1 安裝隔振器的影響

選取隔振器的K=100000N/m和K=20000N/m來比較它們的效果。用彈簧阻尼單元來模擬隔振器，在電子設備與基礎接觸的4個地方布置Z方向的隔振器。圖4為K=100000N/m和K=20000N/m時節點9005的相對加速度曲線。endprint

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

4.2 設備剛度的影響

機箱厚度初始值為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時節點9005的相對加速度曲線。

印制電路板是螺栓固定在機箱內部結構的，原有螺栓9個，現增加螺釘到14個。圖6是有無螺栓時節點9005的相對加速度曲線。

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

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

4.3 元件布局的影響

電子設備中元件的位置對設備的其固有頻率有很大的影響，圖7為機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節點9005的相對加速度曲線。

將電源布置在機箱中間，節點9005的加速度極值為（-21.8945g，21.6356g）；布置在機箱下面，加速度極值為（-19.9904g，19.1976g）。由此可以看出，將電源移動到中間和下部的結果都沒有很明顯的變化，特別是在沖擊發生的階段，電源布置在中間時主板的加速度響應沒有降低，電源的加速度響應有所降低；電源布置在下面時主板、電源的加速度響應有所降低，但是不明顯。

5 綜合優化及結果分析

綜合上所述，布置隔振器、機箱厚度取為1.5mm、電源位置在機箱上部時，利用ANSYS對設備進行垂直方向基礎激勵下的頻率響應分析，在時間歷程后處理器中提取瞬態響應的結果對其進行分析，節點9005的加速度極值為（-14.328g，8.51385g）。圖9是優化前后節點9005的相對加速度曲線。

6 結束語

綜合考慮安裝隔振器和提高設備的剛度等措施，可以實現電子設備抗沖擊性能的進一步優化。通過優化改進，能夠明顯降低設備加速度響應的幅值，顯著的提高整個電子設備抗沖擊的性能。

參考文獻

[1] 生建友.機載設備的防振動抗沖擊設計.電子機械工程，1998，78（2）.

[2] 張亞峰.車載電子設備的抗振設計.電子機械工程，2003，19（2）.

[3] 劉衍平，高新霞，張劉斗.電子設備機柜隨即振動試驗的數值模擬.塑形工程學報，2007，4（14）.

[4] 江堅.某船用電子顯控臺的動力分析.電子機械工程，2002，18（6）.

[5] 王其東，楊竹豐，顏肖龍等.電子機柜結構連接部位建模.電子機械工程，2005，21（2）.endprint