在電子通訊產(chǎn)品設(shè)計過程中,除了面臨常見的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度設(shè)計問題外,還經(jīng)常碰到電子產(chǎn)品的振動可靠性問題。如今可靠性在電子產(chǎn)品中的地位已經(jīng)越來越與產(chǎn)品的技術(shù)指標相提并論,如何保證和提高各種電子產(chǎn)品的可靠性已成為國內(nèi)外電子產(chǎn)業(yè)界的共同目標。由于試驗條件限制以及試驗成本與周期等因素影響,使得采用試驗方法進行電子產(chǎn)品可靠性研究進展緩慢,采用CAE軟件進行數(shù)值仿真,可以給出具有明確物理意義的計算結(jié)果，對物理試驗有著重要的指導(dǎo)意義。由于數(shù)值仿真具有可重復(fù)性好、周期短和成本低的優(yōu)點,數(shù)值仿真在研究中發(fā)揮著越來越大的作用。

本文針對電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)和振動環(huán)境特點，利用ANSYS軟件對電子設(shè)備進行有限元FEA模型建立和隨機振動譜分析，得到了不同結(jié)構(gòu)形式下的加速度響應(yīng)和VonMises應(yīng)力分布，并對電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的剛度和強度進行校核。

1、隨機振動基本原理

(資料圖)

對于一個具體的振動問題，引起結(jié)構(gòu)振動的原因復(fù)雜程度不一樣。對于確定性的振動，人們已經(jīng)比較清楚地了解振動的原因，當我們以相同的條件重現(xiàn)振動時，在預(yù)定的時刻將出現(xiàn)我們預(yù)定的振動。因此，確定性振動中的物理量在將來某一時刻的值是可以預(yù)測的。對于隨機振動，造成其振動的原因復(fù)雜多樣，不可能逐一分析清楚。當我們以相同的條件重現(xiàn)振動時，會發(fā)現(xiàn)整體的物理量沒有重復(fù)性，即無法預(yù)測其在將來某一時刻究竟取什么值。隨機振動服從概率統(tǒng)計規(guī)律，因此隨機振動的振動規(guī)律可以而且只能用概率統(tǒng)計方法描述，我們只能滿足于知道物理量的統(tǒng)計值。因此，與確定性振動不同的是，我們只能知道振動系統(tǒng)激勵和響應(yīng)的統(tǒng)計值。實際中經(jīng)常用到的描述隨機過程的統(tǒng)計量的方法有兩種，我們可以用n維概率分布函數(shù)或n維概率密度函數(shù)在時域或由集合描述隨機過程，即根據(jù)隨機工程的樣本函數(shù)和隨機變量的概率分布函數(shù)或概率密度函數(shù)描述隨機過程。在隨機過程中，隨時間改變的物理量是無法準確預(yù)知其變化的，但是其變化規(guī)律服從概率統(tǒng)計規(guī)律。為了預(yù)計電子設(shè)備在隨機振動環(huán)境中可能的加速度水平，必須知道概率分布函數(shù)，最常見也是最適用于快速分析的是正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)公式：

式中：a為瞬時加速度，m/s2；arms為均方根加速度，m/s2。隨機振動所考慮的加速度水平是3σ水平，因為瞬時加速度處于+3σ和-3σ水平之間的時間占99.73%，已非常接近于100%的時間。

隨機振動對于通過篩選去除有缺陷的器件和有缺陷的組件，以改善電子設(shè)備的制造完整性是一種很有用的工具，從而獲得整個電子設(shè)備整體可靠性的提高。隨機振動中，必須考慮三種故障模式：

（1）大的加速度響應(yīng)：許多電子元器件如晶體振蕩器，當它們的內(nèi)部諧振頻率受到激發(fā)時，它們的電氣功能將會失常。在振動期間這些器件不會出現(xiàn)嚴重故障，但是它們不能正常的工作。

（2）高應(yīng)力:如果在結(jié)構(gòu)件中出現(xiàn)高應(yīng)力，則會出現(xiàn)疲勞損傷，造成疲勞斷裂。

（3）大的位移響應(yīng)：如果相鄰的PCB過于靠近時，大的位移響應(yīng)會發(fā)生碰撞，造成斷裂和破壞。

2、電子設(shè)備隨機振動特性仿真

利用ANSYS有限元分析軟件對某一電子設(shè)備不帶減振器與帶減振器的隨機振動的數(shù)值仿真，主要評判是否需要減振器。

首先應(yīng)對設(shè)計的三維模型進行適當?shù)暮喕苑奖憔W(wǎng)格的劃分。其簡化的模型如圖1所示。在FEA模型網(wǎng)格劃分中，對于實體采用Solid185四面體實體單元，對于PCB采用Shell181殼單元，減振器采用combin14彈簧單元。帶減振器的有限元模型如圖2所示。

圖1 三維簡化模型

圖2 帶減震器的有限元模型

模型計算仿真所輸入的隨機振動譜線根據(jù)試驗得到，見表1。

表1 功率譜密度

不帶減振器的隨機振動的加速度響應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 不帶減振器隨機振動加速度響應(yīng)分析結(jié)果

整機加速度均方根值X、Y、Z方向的云圖如圖3所示；提取電子設(shè)備垂向（Y向）的托板結(jié)構(gòu)的VonMises應(yīng)力云圖如圖4所示，云圖顯示最大應(yīng)力為260.524 MPa。

圖3 整機加速度均方根值云圖（單位：mm/s2）

圖4 （Y向）托板的VonMises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

分析結(jié)果顯示，電子設(shè)備整機的加速度響應(yīng)大，遠超過了電子元器件的承受能力；托板的VonMises應(yīng)力云圖顯示，其最大的應(yīng)力260.524 MPa已經(jīng)超過了材料鋁5A06的疲勞極限。在隨機振動過程中，托板支架會因材料疲勞產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致材料失效。因此在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須采用減震器。

減震器設(shè)計屬于隔振原理的應(yīng)用，其原理是將電子設(shè)備與來自基礎(chǔ)振動的振源隔離，以減少對電子設(shè)備的影響。受基礎(chǔ)激勵系統(tǒng)的運動圖如圖5所示。

圖5 受激勵的系統(tǒng)

系統(tǒng)支撐基礎(chǔ)的運動位移：x0 = A0* sin ft 式中：x0為支撐基礎(chǔ)的位移坐標；A 0為位移幅值；f為頻率；t為時間。系統(tǒng)中，k為彈簧剛度；x為質(zhì)量塊的位移坐標；c為阻尼阻尼器的阻尼系數(shù)。

仿真中賦予彈簧單元combin14的剛度值及阻尼系數(shù)是基于試驗測得的垂直方向的減震器共振頻率處的放大倍數(shù)計算所得，得到垂向（Y向）剛度k=536600 N/m，阻尼系數(shù)c=800 N·m/s，前后和左右剛度取垂向剛度的0.25倍～0.50倍。

帶減振器的隨機振動的加速度響應(yīng)結(jié)果見表3。

表3 帶減振器隨機振動加速度響應(yīng)分析結(jié)果

整機加速度均方根值X、Y、Z方向的云圖如圖6所示。提取電子設(shè)備垂向（Y向）的托板的VonMises應(yīng)力云圖如圖7所示，云圖顯示最大應(yīng)力為124.137 MPa。

圖6 整機加速度均方根值云圖（單位：mm/s2）

圖7（Y向）托板的VonMises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

分析結(jié)果顯示，帶減震器的整機X、Z向隨機振動的加速度響應(yīng)比不帶減震器的加速度響應(yīng)大幅度降低。Y向隨機振動的最大加速度響應(yīng)出現(xiàn)在托板上，托板的VonMises應(yīng)力已經(jīng)降低到材料鋁5A06的疲勞極限以下。Y向電子設(shè)備的隨機振動的加速度響應(yīng)降低到48g（g為重力加速度），比不帶減震器的加速度響應(yīng)大幅度降低。隨機振動中加速度響應(yīng)降低，同樣會減少動態(tài)的位移響應(yīng)，從而改善疲勞壽命。綜上所述，帶減震器的整機結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足應(yīng)用環(huán)境下的振動剛度和強度的要求。

3、結(jié)束語

根據(jù)有無減振器前后的加速度響應(yīng)及VonMises應(yīng)力對比，帶有減振器的電子設(shè)備的加速度響應(yīng)及VonMises應(yīng)力均大大降低，大部分振動能量被減振器磨損吸收，并且達到了電子設(shè)備能夠承受的范圍之內(nèi)。這種帶減振器的設(shè)計對結(jié)構(gòu)的損害大大降低，提高了結(jié)構(gòu)件的壽命。采用有限元分析軟件，對電子設(shè)備產(chǎn)品進行隨機振動仿真分析，提取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況,作為結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的判據(jù)。這種設(shè)計方法具有周期短和成本低的優(yōu)點。而且得到的結(jié)論可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師在滿足功能的前提下，對設(shè)備的質(zhì)量和剛度做到最優(yōu)設(shè)計。

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