智能網卡的模態分析與隨機振動仿真

施燕華

（英業達科技有限公司 結構分析部，上海 201112）

0 引言

隨著人工智能、網絡安全、云服務、5G、自動駕駛等趨勢的興起，社會對網絡提出了前所未有的要求。智能網卡作為對外接收數據、進行快速、高效地處理數據的重要電子設備，受到越來越多的重視。但作為高性能的設備對其可靠性也提出更高的要求。據相關的研究表明，引起電子產品的失效的因素中，振動因素要占比達27%[1-2]。為了保證智能網卡在實際運輸和使用過程中的結構可靠性，必須要對其進行隨機振動測試。目前，國內外針對網卡設備結構性能抗振測試標準的研究較多，但針對網卡的隨機振動響應與結構可靠性方面研究較少[3]。張海龍[4]研究了基于服務器系統的網卡隨機振動響應，指出了高可靠性下結構優化設計的重要性；吳晗[5]對網卡的振動進行了全面的分析，并指出：振動響應下網卡結構不僅需要全面加固，還需要進行抗振設計。本研究利用ABAQUS 有限元分析軟件在智能網卡設計階段進行模態分析和隨機振動仿真，既可縮短研發設計周期又可保證產品的結構可靠性，為后續的結構優化提供參考依據。

1 智能網卡結構

本次分析的智能網卡結構為標準的PCIe 全高半長卡，總體尺寸為167.65 mm*111.15 mm*18.31 mm，如圖1 所示。PCB 板上放置有CPU、FPGA、CPLD、DDR4 等主要BGA 類元器件；CPU 和FPGA 上側緊貼放置主要材質為Al6061 的散熱片；PCB 板背面放置用于增加整體結構剛度的機構件，其材質為2Al-T4 鋁合金材料；前端為用于固定支撐整張智能網卡的支架，其材質為SGCC。整張智能網卡通過前端支架和“金手指”部位固定在服務器內部，如圖2 所示。

圖1 智能網卡外觀結構

圖2 智能網卡固定方式

2 分析模型

2.1 建立有限元模型

根據智能網卡實體模型，利用前處理軟件Hyper mesh 對智能網卡進行有限元建模，有限元模型采用4節點四邊形線性縮減積分單元和8 節點六面體線性縮減積分單元，PCB 板、背板、支架采用CPS4R 單元模擬，CPU、FPGA、散熱片采用C3D8R 單元模擬，各部件間的連接采用coupling 約束處理。為了驗證網格數對計算結果的敏感度，分別對不同網格數量的模型進行預模擬，選取合適的網格數量，以保證計算的準確性。本分析網格數量26300 個，如圖3 所示。

圖3 網格模型圖

2.2 材料參數

PCB 板材質為FR4，散熱片材質為Al6061，背板材質為2Al-T4 鋁合金材料，前端固定支架材質為SGCC。具體的材料屬性見表1。

表1 材料屬性

2.3 工況與邊界條件

智能網卡通過前端支架和PCB 板“金手指”與服務器約束一起，兩者連接近似為剛性連接。大多數情況下智能網卡會隨服務器一起運輸安裝，在此過程中網卡會受到運輸安裝中的隨機振動因素影響。本分析工況模擬網卡的隨機振動環境，由于網卡與服務器的剛性連接，隨機振動載荷可直接施加于單張網卡。

隨機振動仿真的邊界條件為固定約束前端支架和PCB 板“金手指”，初始分析設為模態分析，頻率計算覆蓋隨機振動時的最大頻率值，隨機振動載荷直接施加于上述位移約束處，振動的臨界阻尼設為0.02，相同隨機振動載荷分別計算X/Y/Z三軸。

3 模態分析

模態分析是隨機振動分析的基礎，對產品進行模態分析可以確定其振動特性即固有頻率和振型。結構的振動特性決定了結構對各種載荷的反應情況，是結構設計的重要參數[6]。

本次模態分析的邊界條件是固定智能網卡前端支架左右兩側和PCB 板“金手指”位置，仿真得出前期3 階固有頻率數據見表2，圖4～圖6 是智能網卡對應頻率下的振型，從中發現前3 階的振型對智能網卡影響較大，相應頻率下的外界振動有可能干擾網卡的實際運輸與使用。

圖4 一階振型圖

圖5 二階振型圖

圖6 三階振型圖

表2 固有頻率數據

4 隨機振動分析

隨機振動分析是結構在功率密度譜下動力載荷響應的概率統計，原始數學模型是以概率進行的定性分析[7-8]。1σ、2σ和3σ表示在正態分布概率統計下的均方根響應分布，小于1 的出現概率68.27%，小于2σ的出現概率為95.95%，小于3σ的出現概率為99.94%。本仿真分析智能網卡實際運輸安裝的振動因素，隨機振動分析施加載荷采用加速度功率譜，如圖7 所示，功率譜包括了上述工況中相應頻率的加速度最大值。頻率范圍選取0 ～1000 Hz，此頻率范圍同時覆蓋了模態分析結果與隨機振動加速曲線。

圖7 加速度功率譜曲線圖

圖8 和圖9 分別給出了隨機振動z軸下3σ的最大加速度響應和最大位移響應，從圖中看出最大加速度響應位于PCB 板尾端，整體數值較小，最大位移響應同樣位于PCB 板尾端，位移最大處達0.29 mm，最大加速度響應與位移響應分布保持一致，這是由于前端支架和金手指位置固定，PCB 板后端相對自由，在隨機振動激勵下尾部發生上下擺動。圖10 是整張網卡3σ的最大米賽斯應力云圖，應力最大值位于前端支架，圖11 是PCB 板3σ的最大米賽斯應力云圖，應力最大值位于PCB 板某一孔位附近區域。

圖8 最大加速度響應云圖

圖9 最大位移響應云圖

圖10 整卡最大應力云圖

圖11 PCB 板最大應力云圖

前端支架結構強度滿足設計要求，同理得出PCB板安全裕度為

PCB 板結構強度滿足設計要求。綜合所上的分析該智能網卡性能受外界振動激勵影響較小。

5 結束語

針對智能網卡復雜的振動環境，通過使用有限元仿真的方法對該產品進行模態和隨機振動分析，完成了智能網卡的剛度和強度校核，達到了驗證所設計產品的機械環境可靠性的目的。在設計階段進行模態分析和隨機振動仿真，既可縮短研發設計周期又可保證產品的結構可靠性，為后續產品的結構優化和減重設計提供重要依據。