螺栓緊固型印制板組件簡化建模研究

李思陽　陳麗麗

摘 要：螺栓緊固型印制電路板組件（PCBA）在航天領域應用廣泛。為了仿真獲得螺栓緊固型印制電路板組件的精確模態頻率，提高分析效率，必須對螺栓接觸中存在的復雜非線性行為進行簡化建模處理。針對螺接型PCBA，提出螺栓連接的簡化建模方案，利用ANSYS?Workbench仿真軟件，在各方案下進行仿真模態分析。通過模態仿真與掃頻試驗數據的誤差分析比較，得到了螺接型PCBA的高效準確的建模方案。利用該方案對螺接型PCBA簡化建模，獲得的模態分析結果和試驗數據吻合很好。

關鍵詞：印制板組件； 螺栓緊固； 簡化建模； 模態仿真

中圖分類號：TN911?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0068?03

0 引 言

星載電子設備在運輸、發射、工作過程中都要經歷惡劣的振動環境，其振動可靠性問題一直是航天關注的焦點。印制電路板組件（PCBA）又是振動問題的核心。為提高印刷電路板組件的抗振性能，航天領域多采用螺栓緊固方式，將印制板與加強筋連接加固。但螺栓連接中存在摩擦、非線性邊界約束及螺栓預緊力的影響[1?2]，給仿真獲得螺接型PCBA的模態頻率帶來困難。不掌握結構的模態頻率，避開外部激勵頻率，抗振問題就無從談起[3]。因此在有限元仿真過程中，合理簡化螺栓建模及接觸，降低模態分析誤差，對結構設計人員了解螺接型PCBA的動態特性，解決抗振問題具有重要意義。

本文針對螺栓緊固型PCBA，提出四種螺栓建模及接觸簡化方案。

在4種方案下，利用ANSYS?Workbench仿真軟件，對目標PCBA分別建模仿真，得出仿真模態頻率與試驗數據的相對誤差，并比較大小，從而提出分析精度高、時間省的建模方案。

1 螺栓緊固型PCBA模態分析

1.1 螺栓緊固型PCBA有限元建模

進行模態分析的有限元建模方案如下：

方案1：忽略螺釘實體，忽略安裝孔，將PCB與框架接觸面綁定。

方案2：忽略螺釘實體，建立PCB安裝孔特征，將PCB安裝孔邊與框架接觸面綁定。

方案3：將螺釘模型簡化為圓柱，將PCB安裝孔和框架安裝孔分別與圓柱接觸面綁定，忽略預緊力。

方案4：建立螺釘模型，忽略螺紋特征，將印制板上表面和螺釘帽接觸面綁定，在螺栓柱與印制板孔接觸面施加400 N預緊力，再將螺栓柱與框架孔接觸面綁定[4]。

依據以上各方案，對目標螺接型PCBA建立三維模型，印制板為FR?4環氧玻璃纖維板，尺寸為237 mm×160 mm×2.0 mm，左右板面中心處裝聯有3D?PLUS公司的SOP封裝芯片，實物及整板模型圖如圖1所示，方案4螺栓連接局部特征如圖2所示。

3 結 語

（1）在只關注1階模態頻率時，方案2～4都可以滿足模態分析精度要求；在關注多階模態頻率時，尤其要基于模態結果繼續進行振動應力分析時，建議使用方案4建立有限元模型，應力計算結果將更加精確。

（2）使用方案4對螺栓緊固型PCBA建立有限元模型，仿真模態結果更加接近實際螺栓安裝情況下組件結構的模態頻率。

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