某型發(fā)射裝置電路板隨機振動響應(yīng)分析

鮑 華，劉萬遠

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

某型發(fā)射裝置電路板隨機振動響應(yīng)分析

鮑 華，劉萬遠

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

為合理確定某型發(fā)射裝置電路板的固定方式，采用有限元仿真的方法對其動力學(xué)特性進行計算，提出三種固定電路板的方案。在簡化模型的基礎(chǔ)上對三種方案分別進行模態(tài)分析和隨機振動響應(yīng)分析，利用隨機振動響應(yīng)結(jié)果比較了三種方案的優(yōu)劣，得出適合電路板的固定方案，該研究方法可以為相似產(chǎn)品的設(shè)計提供思路和方法。

電路板；模態(tài)分析；隨機振動響應(yīng)分析

0 引 言

印制電路板PCB(Print Circuit Board)是電子元器件的支撐體,為元器件插裝、檢查、維修提供識別字符和圖形［1-2］,是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的,故被稱為“印刷”電路板［3-4］。PCB板設(shè)計是目前電子產(chǎn)品設(shè)計鏈中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),其設(shè)計的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。電路板的固定方式是PCB板設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié),需要仿真來進行方案優(yōu)選［5］。

發(fā)射裝置在掛機飛行過程中由于表面的氣動擾流、載機振動傳遞、發(fā)動機排氣噪聲等原因?qū)⒊惺車揽岬碾S機振動環(huán)境［6-7］,這些隨機振動環(huán)境將嚴重影響發(fā)射裝置的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。發(fā)射裝置中PCB的固定方式對板上元器件的隨機振動影響較大,迫切需要開展動力學(xué)仿真。以隨機振動仿真為代表的動力學(xué)仿真,在產(chǎn)品方案階段開展,可大大節(jié)省費用,而且與產(chǎn)品設(shè)計同步,可以更好地指導(dǎo)發(fā)射裝置的設(shè)計,提高其環(huán)境適應(yīng)性。

1 某型發(fā)射裝置電路板模型

本文選取的發(fā)射裝置電路板的物理模型如圖1所示,其中包含18個元器件,分別是1個存儲芯片、1個晶振、4個快速光耦、4個CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)器、1個鉭電解電容、1個DSP芯片、4個八總線雙向驅(qū)動器、1個D/A轉(zhuǎn)換器和1個RS232驅(qū)動器。PCB板厚2 mm,包含8層,基板由0.3 mm厚的環(huán)氧玻璃布壓板組成,PCB表層銅箔厚度為50μm。

圖1 某型發(fā)射裝置電路板物理模型

為了簡化計算模型,建模過程中將電路板等效為各向同性的材料,忽略較小的孔洞,其材料為FR4,彈性模量為18.96 GPa,泊松比0.27,根據(jù)其實際質(zhì)量計算出密度；元器件忽略其管腳,并假設(shè)其表貼在電路板上,元器件的質(zhì)量和體積等于其實際參數(shù)。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型,是進行響應(yīng)分析的基礎(chǔ)［4］。利用商業(yè)有限元軟件ABAQUS進行隨機振動響應(yīng)分析,首先要進行模態(tài)分析,并提取模態(tài)；然后設(shè)置分析頻率段,采用基礎(chǔ)激勵法輸入加速度PSD曲線,計算隨機振動響應(yīng)。通過對某型發(fā)射裝置所經(jīng)歷的環(huán)境分析得知,對于該電路板而言,只有2 000 Hz頻率以內(nèi)的振動對其有重要影響,因此模態(tài)分析只給出其在2 000 Hz以內(nèi)的一階、二階、三階模態(tài)振型圖,如圖2～4所示。在該模態(tài)分析中,電路板四周全約束。

圖2 一階模態(tài)振型圖

圖3 二階模態(tài)振型圖

圖4 三階模態(tài)振型圖

3 隨機振動分析

隨機振動分析采用ABAQUS中的Random Response分析功能,隨機振動是以概率理論為基礎(chǔ),分析的輸入輸出都是具有隨機概率特性。它的原理是先計算模型的每階模態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計,再對它們進行綜合,并假設(shè)隨機振動過程為平穩(wěn)隨機過程。

在該仿真中采用的隨機振動試驗頻譜曲線如圖5,15～178 Hz的PSD值為0.009 41 g2/Hz,178～300 Hz的上升斜率為+4 B/oct,300～1 000 Hz的PSD值為0.0188 4 g2/Hz,1 000～2 000 Hz以-6 dB/oct的斜率下降。利用ABAQUS對某型發(fā)射裝置電路板的Z向(即垂直于電路板面的方向)的振動進行了分析。為了找到固定電路板的最佳方案,本文采用了三種方案,以便于優(yōu)選。

圖5 隨機振動試驗頻譜圖

方案一,電路板四周固定,并施加圖5所示隨機振動頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖6所示。可以看出,在此種情況下,電路板的中部DSP芯片振動明顯增大,此處加速度達到237.8m/s2,遠大于輸入的加速度48.8 m/s2,該方案在隨機振動條件下DSP芯片極易損壞,因而此種該方案風(fēng)險較大。

圖6 方案一電路板Z向加速度均方根值云圖

方案二,為了減小電路板中部DSP芯片處的振動響應(yīng),除了電路板四周固定,另外在DSP芯片的左右6 mm處也分別固定,施加圖5所示的隨機振動頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖7所示。雖然在此種情況下,DSP芯片處的振動響應(yīng)減小了許多,但是也造成了右上角八總線雙向驅(qū)動器響應(yīng)明顯增大,此處加速度達到229.5 m/s2,遠大于輸入的加速度48.8 m/s2,該方案在隨機振動條件下也容易造成電路板損壞。

圖7 方案二電路板Z向加速度均方根值云圖

方案三,為了減小電路板內(nèi)部振動響應(yīng),除了電路板四周固定,另外在電路板中部DSP芯片下方增加一個十字型的固定約束,該十字型約束距電路板左側(cè)60 mm、上側(cè)30 mm,通過4個螺釘與電路板連接。施加圖5所示的隨機振動頻譜,得出電路板的Z向加速度均方根值云圖,如圖8所示。在此情況下,雖然造成了左上角八總線雙向驅(qū)動器響應(yīng)增大,但此處加速度也只有74.95 m/s2,稍大于輸入的加速度48.8 m/s2,按照以往的設(shè)計經(jīng)驗,電路板可以承受,且安全余量較大。

圖8 方案三電路板Z向加速度均方根值云圖

三種方案的計算結(jié)果如表1所示,可以看出方案一和方案二結(jié)果較為相似,且放大倍數(shù)都比較大,方案三放大倍數(shù)明顯較小,可見方案三的固定方案更好,適合發(fā)射裝置的振動環(huán)境。

表1 三種方案的輸入輸出加速度對比

4 結(jié) 論

通過對某型發(fā)射裝置電路板三種固定方案的隨機振動響應(yīng)分析可以看出,不同的固定方案對電路板的環(huán)境適應(yīng)性影響很大,如果不進行深入分析,很容易造成電路板振動環(huán)境下的損壞,最終導(dǎo)致產(chǎn)品不能完成預(yù)定功能。通過三種固定方案可以得出,在通常的電路板設(shè)計中除滿足電路板布局的一般原則外,應(yīng)盡量將質(zhì)量較大的元器件設(shè)計在電路板的四周,若無法實現(xiàn),應(yīng)在大質(zhì)量元器件的周圍進行加固,以提高整個電路板的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

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Random Vibration Response Analysis of PCB Used in the Certain Launcher

Bao Hua,Liu Wanyuan
(China Airborne Missile Academy,Luoyang,471009)

In order to choose correct fixing scheme for the PCB used in the certain launcher,finite element analysis is used to calculate its dynamical characteristic,three fixing schemes are presented.Modal and random response analysis are carried out based on simplified model in each fixing scheme,comparison analysis on the schemes is constructed using random response method and the correct fixing scheme is selected.This investigation could provide ideas and methods for the design of similar products.

printed circuit board；modal analysis；random vibration response analysis

TN41

A

1673-5048(2015)03-0066-03

2015-03-23

鮑華（1983-），男，河南淮陽人，工程師，碩士研究生，研究方向是可靠性。