基于振動分析的印制電路板安裝設計

王 森，古智祥，王璐璐，張永紅，衛 杰，蒲 剛

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

0 引言

當前電子設備朝著多功能、高集成度方向發展，為提高電子設備的性能，一般需要在電子機箱內混合使用不同功能的模塊。功能不同的模塊，一般其重量、剛度等結構特征也不同。因此，機箱內不同的模塊布局會對機箱內部的動態響應產生重要影響。而且隨著應用的深入，電子機箱面臨的力學環境也越來越惡劣，嚴重影響機箱內精密器件的正常工作［1－3］。

常規設計時，一般根據系統功能需要、方便電氣連接、降低電纜長度、減少損耗等原則排布機箱內的模塊布局。這種主要考慮電性能的布局方法，容易把對振動敏感的設備置于機箱的高振動區域，導致焊點脫落、針腳斷裂等故障［3－6］。

目前主要通過加強結構［7－8］或增加減振器［9－10］等方式，以減小結構的振動響應。但本機箱為標準結構，不能更改主體結構形式；而增加減振器會導致機箱的位移加大，增加裝機難度。

本文針對模塊內的印制板在振動環境下的低變形要求，利用Ansys Workbench有限元分析軟件計算了印制板的變形 特 征 和 機 箱 內 部 典 型 區 域 的 振 動 響 應［1，4，5，11，12］。優化了印制板的固定方式；并根據振動響應在機箱內部分布不均勻的特點，尋找加速度響應均方根值相對較低區域用于安裝印制板模塊。最后，利用有限元分析驗證了改進措施的有效性。這種搜索低量級響應區域用于安裝振動敏感型設備的精細化設計方法降低了機箱的設計、裝機難度。本文使用的方法可以為相關產品的設計師提供參考。

1 印制板模塊的初步安裝

1.1 機箱的結構與組成

如圖1所示，機箱為圍框結構，通過4個安裝支耳對外連接。機箱內安裝了11個模塊，包括5個重量為1.4 kg的A型模塊，5個重量為0.9 kg的B型模塊和1個印制板模塊。各模塊在機箱內的布局如圖1所示。印制板模塊外形如圖2所示。為便于電氣互連，印制板模塊初步安裝于機箱的中間位置（后文簡稱初步安裝機箱）。印制板上安裝有3個器件。模塊殼體采用鏤空結構以減重，印制板的外邊緣固定于模塊上。印制板內的電路，及印制板與器件之間的連接引腳對振動敏感。要求機箱承受X、Y、Z三個方向的隨機振動時，印制板的最大變形小于0.3 mm。

圖1 機箱組成示意圖

圖2 印制板模塊

1.2 仿真分析設置

如圖3所示，為減小計算規模，先對模型進行簡化處理：去除機箱內不重要的倒角、凸臺等，采用質量點代替A、B型模塊。保留印制板模塊的模塊殼體、印制板、器件的主要特征。利用Ansys Workbench進行仿真分析。固定機箱的4個對外安裝孔，先計算結構的模態，再采用模態疊加法計算印制板的變形和箱體內部的加速度響應。針對印制板的變形特征，分析印制板的固定方式。通過機箱內部的加速度響應分布，評估印制板模塊的安裝位置。

圖3 仿真模型

1.3 初步安裝機箱的模態分析

初步安裝機箱的前5階固有頻率如表1所示，第1、2階振型如圖4所示。從圖可知，初步安裝機箱的第一階振型為機箱的整體彎曲變形；第二階振型為印制板的變形。

表1 前5階固有頻率

圖4 第1、2階振型

1.4 初步安裝機箱的隨機振動分析

加載的隨機振動加速度功率譜密度（PSD）曲線，如圖5所示，均方根值（RMS）為12.3 g。輸入振動條件，計算印制板的變形；并在機箱的安裝槽附近選取7個點位（圖6），計算各點位在X、Y、Z三個方向承受隨機振動時的加速度響應。依次定義各個點位為P1、P2、P3、…、P7。

圖6 加速度響應點位

圖7為印制板3個方向受載時的變形云圖。圖8為P1承受X方向載荷時的加速度響應曲線。圖9為各點位在X、Y、Z三個方向的加速度響應均方根值，反映了機箱內部的加速度響應分布。

圖7 初步安裝機箱的印制板變形云圖

由圖7可知，X方向受載時印制板的變形最大，其值為0.418 mm，出現在印制板的中間位置；Y方向的最大變形達到0.393 mm；Z方向的變形為0.04 mm。X、Y方向受載時，印制板的最大變形均超過了其能承受的最大變形。

由圖8、圖9可知，P1點位在Y方向受載時，響應加速度的均方根值為12.2 g，與輸入值相當。其余情況下，輸入的振動量級經過機箱后均出現了放大，總體放大趨勢為機箱兩側小、中間大。P7點位在X、Z方向的響應量值最小；P7在Y方向的響應均方根值為14.5 g，略大于P1的響應值。

圖8 P1承受X方向載荷的加速度響應曲線

圖9 各點位的均方根值

2 印制板模塊的改進安裝

為了減小印制板的變形，需要提高印制板中間部分的剛度，同時減小印制板承受的振動量級。由于本機箱為標準結構，不能更改主體結構形式，因此無法通過加強機箱達到增加印制板剛度的效果。在機箱安裝處增加減振器，可以降低傳遞到機箱和印制板模塊上的振動量級，但增加減振器的方式會導致機箱在振動過程中的位移加大，可能與其它設備發生碰撞，增加裝機難度。為了降低設計、裝機難度，通過增加印制板在模塊內部的安裝剛度，改善印制板模塊在機箱內的布局兩種方式解決印制板變形過大的問題。

2.1 印制板在模塊內的改進安裝

安裝印制板時，僅固定了印制板邊緣，導致印制板中間剛度差；而且印制板中間區域分布了3個器件，進一步惡化了印制板的剛度特性。如圖10所示，模塊底板改進為整板結構，并在印制板上靠近器件的位置增加3個安裝孔，用于把印制板中間區域連接到模塊殼體上。

圖10 印制板在模塊內的改進安裝

2.2 改進印制板模塊的安裝

機箱內部中間區域的振動響應量級高，兩側響應小。為了便于電氣互連，把印制板模塊置于中間位置，導致輸入給印制板模塊的振動量級高。如圖11所示，在不影響系統性能的前提下，協同電氣專業優化電氣互連方案，把印制板模塊改進安裝到機箱振動響應小的位置（后文簡稱改進安裝機箱）。雖然P1點在Y方向的響應值最小；但P7點在X、Z方向的響應值最小，在Y方向的響應值僅略大于P1點；而且印制板的最大變形發生在X方向，因此選擇P7處用于安裝印制板模塊。

圖11 改進印制板模塊的安裝

2.3 改進安裝機箱的隨機振動分析

對改進安裝機箱進行隨機振動分析，如圖12所示，計算了機箱承受3個方向隨機振動載荷時的印制板的變形。從圖12可知，改進安裝后，印制板的最大變形發生在X方向受載時，其值為0.207 mm。與初步安裝的印制板變形值相比，減小了50.5%，并且滿足印制板的變形要求。改進安裝后，Y方向受載時，與初步安裝的變形值（0.393 mm）相比，印制板的最大變形大幅降低為0.052 mm，這說明選擇P7點位安裝印制板模塊，不影響印制板在Y方向的使用。

圖12 改進安裝后的印制板變形云圖

針對改進方式受限，在不影響電氣性能的前提下，通過不同專業之間的協同設計，對模塊進行了較小的改進，滿足了印制板的安裝要求。這種根據機箱內部的振動響應分布不均勻的特點，搜索低量級響應區域用于安裝振動敏感型設備的精細化設計方法降低了機箱的設計、裝機難度。

3 結束語

（1）利用有限元分析獲得了印制板的變形特征和機箱內部的加速度響應分布。

（2）通過增加印制板在模塊內部的安裝剛度，改進印制板模塊在機箱內的布局，使印制板的最大變形減小了50.5%，滿足了使用要求。

（3）根據振動響應在機箱內部分布不均勻的特點，搜索低量級響應區域用于安裝振動敏感型設備的精細化設計方法降低了機箱的設計、裝機難度。

本文僅對機箱典型區域的加速度響應值進行了分析，有必要對機箱內其它區域的加速度響應規律進行研究，以進一步提升結構設計的精細化程度。