基于ANSYS下射頻寬帶節(jié)點(diǎn)模擬校準(zhǔn)某電路模塊隨機(jī)振動(dòng)有限元分析

彭莎莎　程翊昕

摘要：通過有限元分析建模，對模塊電路及其工裝進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。對所建立的模塊電路有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，并結(jié)合分析結(jié)果和振動(dòng) 理論的相關(guān)知識(shí)，達(dá)到快速獲得模塊電路結(jié)構(gòu)各部分的振動(dòng)響應(yīng)，從而指導(dǎo)試驗(yàn)條件優(yōu)化。該分析結(jié)果也可為系統(tǒng)級(jí)電子電路結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)分析;模態(tài)分析;隨機(jī)振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TN83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0085-02

0 引言

面對日益復(fù)雜且條件惡劣的工況環(huán)境，電子設(shè)備受到的往往是復(fù)雜、隨機(jī)的載荷激勵(lì)。對于模塊電路來說，因其輕薄的基板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精密易損的各類電子元器件，在設(shè)計(jì)過程中如何避免其在惡劣的振動(dòng)環(huán)境下產(chǎn)生形變甚至斷裂，保證整個(gè)設(shè)備能否正常工作是首要問題。[1]

1 有限元模型的建立

針對模塊電路結(jié)構(gòu)而言，除了精密的電子元器件，還有各類引腳插孔、倒角、散熱孔等細(xì)節(jié)特征，在建模時(shí)可予以簡化，刪減細(xì)節(jié)特征，避免分網(wǎng)質(zhì)量降低。其網(wǎng)格劃分單元數(shù)為115760，節(jié)點(diǎn)數(shù)為69800。

1.1 定義約束

其約束定義為孔面固定約束，即省略螺釘建模工作，簡化建模過程，也可保證其準(zhǔn)確性。約束面為工裝盒體底面，模塊電路垂直于底面縱向插于卡槽中。

1.2 模態(tài)分析

完成約束定義后，對模塊電路-工裝進(jìn)行模態(tài)分析，對制動(dòng)系統(tǒng)影響較重的前6階模態(tài)進(jìn)行提取分析。第1階模態(tài)分析見圖1。

表1中為6階模態(tài)下對應(yīng)的固有頻率及最大變形位移量。

2 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

對于模塊電路而言，最常做的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)為5-15min篩選振動(dòng)，功能振動(dòng)及耐久振動(dòng)試驗(yàn)。本文選擇功能振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證模塊電路的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.1 施加隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)

對模塊電路的Z向（垂直工裝基板方向）進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。在ANSYS中Specturm加激勵(lì)載荷，功率譜密度曲線見圖2，通過公式（1）-（3）計(jì)算得到頻率對應(yīng)的功率譜密度值。

其中，已知F1=107.5Hz，F(xiàn)2=2F1，F(xiàn)3=3F1，F(xiàn)4=4F1，F(xiàn)X（X=1，2...4），LX（X=1，2...4）。經(jīng)計(jì)算，得出L2=0.025Hz，L3=0.01Hz，L4=0.006Hz。將計(jì)算得出LX及FX的2組數(shù)據(jù)做為ANSYS的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)數(shù)據(jù)，對其應(yīng)力、應(yīng)變量進(jìn)行分析。

2.2 應(yīng)力、變形量分布

施加隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)后，圖3、圖4為電路模塊的等效應(yīng)力云圖及最大變形量云圖。從圖3可以看出：模塊電路-工裝最大應(yīng)力為0.046341MPa，出現(xiàn)在工裝靠近底板約束處。從圖4可以看出：模塊電路-工裝最大變形量為6.9914×10-6mm出現(xiàn)在工裝最頂端。由此可知，在振動(dòng)過程中，電路模塊因有工裝的保護(hù)，因此不承受最大應(yīng)力及最大形變，且工裝所承受應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料的變形量許用量值，因此其結(jié)構(gòu)變形量、承載應(yīng)力皆滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)果分析

分析模塊前6階模態(tài)，了解設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)。通過隨機(jī)振動(dòng)分析得到模塊電路應(yīng)力分布及變形情況，確保精密級(jí)電路板設(shè)計(jì)合理性，降低產(chǎn)品失效率，縮短研制周期，為滿足電路模塊在隨機(jī)振動(dòng)工況下依然能夠正常工作提供了有效保障手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉治虎，郭建平，等.某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)分析[J].航空計(jì)算技術(shù)，2011（4）：91-93.

Finite ELement Analysis of Random Vabration of a Calibration Simulation Electric Circuit Module at RF Broadband Node Based on ANSYS

PENG Sha-sha，CHENG Yi-xin

（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an? Shaanxi? 710068）

Abstract：The dynamic feature of module circuit and frock has been studied based on finite element analysis and modeling. Modal and random vabration analysis has been done of finite element model of established module circuit. Given the results of the analysis and relavant knowledge of vabration theory， the vabration response to various parts of module circuit structures can be quickly achieved， hence guiding optimization of experiment condition. The results of the analysis can also provide? theretical support for stiffness strength design of systematic level of electric circuit strctures.

Key words：static analysis; modal analysis; random vabration