全球视点！XXX机载电子设备随机振动仿真分析

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全球视点！XXX机载电子设备随机振动仿真分析

时间 :2023-06-02 13:39:45 来源 : 个人图书馆-汉无为

在电子通讯产品设计过程中,除了面临常见的产品结构强度设计问题外,还经常碰到电子产品的振动可靠性问题。如今可靠性在电子产品中的地位已经越来越与产品的技术指标相提并论,如何保证和提高各种电子产品的可靠性已成为国内外电子产业界的共同目标。由于试验条件限制以及试验成本与周期等因素影响,使得采用试验方法进行电子产品可靠性研究进展缓慢,采用CAE软件进行数值仿真,可以给出具有明确物理意义的计算结果，对物理试验有着重要的指导意义。由于数值仿真具有可重复性好、周期短和成本低的优点,数值仿真在研究中发挥着越来越大的作用。

本文针对电子设备的结构和振动环境特点，利用ANSYS软件对电子设备进行有限元FEA模型建立和随机振动谱分析，得到了不同结构形式下的加速度响应和VonMises应力分布，并对电子设备结构的刚度和强度进行校核。

(资料图片)

1、随机振动基本原理

对于一个具体的振动问题，引起结构振动的原因复杂程度不一样。对于确定性的振动，人们已经比较清楚地了解振动的原因，当我们以相同的条件重现振动时，在预定的时刻将出现我们预定的振动。因此，确定性振动中的物理量在将来某一时刻的值是可以预测的。对于随机振动，造成其振动的原因复杂多样，不可能逐一分析清楚。当我们以相同的条件重现振动时，会发现整体的物理量没有重复性，即无法预测其在将来某一时刻究竟取什么值。随机振动服从概率统计规律，因此随机振动的振动规律可以而且只能用概率统计方法描述，我们只能满足于知道物理量的统计值。因此，与确定性振动不同的是，我们只能知道振动系统激励和响应的统计值。实际中经常用到的描述随机过程的统计量的方法有两种，我们可以用n维概率分布函数或n维概率密度函数在时域或由集合描述随机过程，即根据随机工程的样本函数和随机变量的概率分布函数或概率密度函数描述随机过程。在随机过程中，随时间改变的物理量是无法准确预知其变化的，但是其变化规律服从概率统计规律。为了预计电子设备在随机振动环境中可能的加速度水平，必须知道概率分布函数，最常见也是最适用于快速分析的是正态分布，其概率密度函数公式：

式中：a为瞬时加速度，m/s2；arms为均方根加速度，m/s2。随机振动所考虑的加速度水平是3σ水平，因为瞬时加速度处于+3σ和-3σ水平之间的时间占99.73%，已非常接近于100%的时间。

随机振动对于通过筛选去除有缺陷的器件和有缺陷的组件，以改善电子设备的制造完整性是一种很有用的工具，从而获得整个电子设备整体可靠性的提高。随机振动中，必须考虑三种故障模式：

（1）大的加速度响应：许多电子元器件如晶体振荡器，当它们的内部谐振频率受到激发时，它们的电气功能将会失常。在振动期间这些器件不会出现严重故障，但是它们不能正常的工作。

（2）高应力:如果在结构件中出现高应力，则会出现疲劳损伤，造成疲劳断裂。

（3）大的位移响应：如果相邻的PCB过于靠近时，大的位移响应会发生碰撞，造成断裂和破坏。

2、电子设备随机振动特性仿真

利用ANSYS有限元分析软件对某一电子设备不带减振器与带减振器的随机振动的数值仿真，主要评判是否需要减振器。

首先应对设计的三维模型进行适当的简化，以方便网格的划分。其简化的模型如图1所示。在FEA模型网格划分中，对于实体采用Solid185四面体实体单元，对于PCB采用Shell181壳单元，减振器采用combin14弹簧单元。带减振器的有限元模型如图2所示。

图1 三维简化模型

图2 带减震器的有限元模型

模型计算仿真所输入的随机振动谱线根据试验得到，见表1。

表1 功率谱密度

不带减振器的随机振动的加速度响应结果见表2。

表2 不带减振器随机振动加速度响应分析结果

整机加速度均方根值X、Y、Z方向的云图如图3所示；提取电子设备垂向（Y向）的托板结构的VonMises应力云图如图4所示，云图显示最大应力为260.524 MPa。

图3 整机加速度均方根值云图（单位：mm/s2）

图4 （Y向）托板的VonMises应力云图（单位：MPa）

分析结果显示，电子设备整机的加速度响应大，远超过了电子元器件的承受能力；托板的VonMises应力云图显示，其最大的应力260.524 MPa已经超过了材料铝5A06的疲劳极限。在随机振动过程中，托板支架会因材料疲劳产生疲劳裂纹，从而导致材料失效。因此在实际的结构设计中必须采用减震器。

减震器设计属于隔振原理的应用，其原理是将电子设备与来自基础振动的振源隔离，以减少对电子设备的影响。受基础激励系统的运动图如图5所示。

图5 受激励的系统

系统支撑基础的运动位移：x0 = A0* sin ft 式中：x0为支撑基础的位移坐标；A 0为位移幅值；f为频率；t为时间。系统中，k为弹簧刚度；x为质量块的位移坐标；c为阻尼阻尼器的阻尼系数。

仿真中赋予弹簧单元combin14的刚度值及阻尼系数是基于试验测得的垂直方向的减震器共振频率处的放大倍数计算所得，得到垂向（Y向）刚度k=536600 N/m，阻尼系数c=800 N·m/s，前后和左右刚度取垂向刚度的0.25倍～0.50倍。

带减振器的随机振动的加速度响应结果见表3。

表3 带减振器随机振动加速度响应分析结果

整机加速度均方根值X、Y、Z方向的云图如图6所示。提取电子设备垂向（Y向）的托板的VonMises应力云图如图7所示，云图显示最大应力为124.137 MPa。

图6 整机加速度均方根值云图（单位：mm/s2）

图7（Y向）托板的VonMises应力云图（单位：MPa）

分析结果显示，带减震器的整机X、Z向随机振动的加速度响应比不带减震器的加速度响应大幅度降低。Y向随机振动的最大加速度响应出现在托板上，托板的VonMises应力已经降低到材料铝5A06的疲劳极限以下。Y向电子设备的随机振动的加速度响应降低到48g（g为重力加速度），比不带减震器的加速度响应大幅度降低。随机振动中加速度响应降低，同样会减少动态的位移响应，从而改善疲劳寿命。综上所述，带减震器的整机结构设计满足应用环境下的振动刚度和强度的要求。

3、结束语

根据有无减振器前后的加速度响应及VonMises应力对比，带有减振器的电子设备的加速度响应及VonMises应力均大大降低，大部分振动能量被减振器磨损吸收，并且达到了电子设备能够承受的范围之内。这种带减振器的设计对结构的损害大大降低，提高了结构件的寿命。采用有限元分析软件，对电子设备产品进行随机振动仿真分析，提取结构的应力分布和变形情况,作为结构设计是否合理的判据。这种设计方法具有周期短和成本低的优点。而且得到的结论可以指导结构工程师在满足功能的前提下，对设备的质量和刚度做到最优设计。

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