濾波器輕量化結構設計與分析

摘 要：鑒于沖壓式濾波器外殼須灌封，機加工外殼質量大、成本高及生產周期長的缺點，本文基于模塊化、系列化設計理論，突破原有濾波器外殼結構限制，在沖壓外殼底部設計PCB鎖緊組件，自鎖于外殼底部，用于固定PCB組件。整個濾波器無須灌封，質量輕，生產成本低。外殼和鎖緊組件系列化設計可滿足多種產品需求，縮短濾波器樣品試制時間，提高研發效率。對其結構強度進行仿真分析，驗證強度安全、可靠，滿足中、低強度外載荷環境使用要求。

關鍵詞：濾波器；結構設計；模塊化；強度仿真

中圖分類號：TH 113" " " " " 文獻標志碼：A

電源內部開關管和整流管的通斷過程、電源內部的寄生電容充放電過程和變壓器件的工作過程等都將產生電源噪聲，為了抑制電源噪聲進入后續電路，電源濾波器具有廣泛應用[1]。電源EMI濾波器封裝結構有沖壓結構、機加工結構等。濾波器沖壓結構具備殼壁薄、沖壓工藝批產成本低的優點，然而只能采用冷軋鋼等進行沖壓，內部PCB板無法固定，需要灌封膠黏劑密封，整體質量較大。濾波器機加工結構的優點是PCB板通過螺釘鎖緊在外殼上，無須灌封，螺釘接地方便；缺點是成本高，殼壁厚，內部螺釘固定凸臺占用空間。航空航天領域對產品有輕量化要求，為了進一步降低濾波器的質量和成本，本文將設計一款輕量化濾波器結構，以更好地滿足使用要求。

1 結構設計

濾波器機加工結構通過螺釘固定PCB組件，無須灌封；沖壓結構殼壁薄，沖壓成本低，本文結合2種結構優點，采用模塊化設計理論，設計一款輕量化、低成本的濾波器結構。結構腔體采用沖壓工藝加工，殼壁薄，批產成本低。腔體頂部設計安裝法蘭，用于安裝、固定濾波器，腔體底部設計4個腰形孔且下沉1mm，用于安裝4組復合螺柱組件，復合螺柱組件用于固定PCB板組件，取代機加工結構PCB組件安裝凸臺，實現結構的模塊化、輕量化。

濾波器輕量化結構如圖1所示（整體圖如圖1（a）所示，爆炸圖如圖1（b）所示），由腔體、蓋板、接線片組件、接地組件和模塊化PCB鎖緊組件等組成。接線片組件由接線片和絕緣子組成；接地組件由直角接線片和鉚釘組成；PCB鎖緊組件由平頭螺釘、平墊圈、彈墊圈和雙頭孔復合螺柱組成。外形整體結構與沖壓結構相似，區別在于增加了PCB鎖緊組件，同時腔體底部設計有4個凹槽孔，PCB鎖緊組件安裝于凹槽孔內，如圖2所示。組裝方式如下。平頭螺釘穿過腔體底部凹槽孔，放置平墊圈，放置彈墊圈，放置復合螺柱，放置PCB組件，放置平墊圈，放置彈墊圈，放置平頭螺釘。平頭螺釘截面為腰形，具備防轉功能。整個結構通過鎖緊組件實現PCB組件的安裝固定功能（取代灌封膠固定功能），通過金屬腔體和蓋板的焊接實現電磁屏蔽和密封功能。通過復合螺柱高度和腔體外形尺寸系列化設計，實現整個封裝結構系列化。系列化設計的封裝結構可以提前采購入庫，研制過程中可以直接從倉庫中領取對應尺寸的結構體，有效規避產品研制過程中結構體采購緩慢、研制周期長的問題。

2 結構強度分析

產品在運輸、搬運和作業過程中承受沖擊、振動等外載荷，為了確定產品的結構和功能承受裝卸、運輸、使用環境中發生的非重復沖擊能力以及承受壽命周期內的隨機振動能力，對其進行隨機振動仿真分析和沖擊仿真分析，在設計階段保證產品的沖擊振動強度，避免產品在使用環境中因強度不足而遭到破壞[2]。

2.1 模態分析

基于模態疊加法的隨機振動仿真分析，需要先獲取產品的各階模態，因此先對產品進行模態分析[3]。同時模態分析可以在設計階段得到產品的各階模態，避開產品的工作頻率，防止產生共振。模態為結構的固有屬性，與載荷無關，模態分析簡化為無阻尼自由振動系統，其平衡方程如公式（1）所示。

M+KX=0 （1）

式中：M為結構的等效質量；為結構的加速度；K為結構的等效剛度；X為結構的位移向量。

方程的解如公式（2）所示。

Xi=A（i）sin（ωni+φi） （2）

式中：ωni為第i階振型的固有頻率；φi為第i階振型的頻率相位角。

經過n次迭代計算可得頻率，如公式（3）所示。

（3）

式中：λi為特征向量。

工程問題的理論計算較復雜，耗時長，易出錯，因此一般采用仿真軟件對產品模態進行仿真計算。約束法蘭安裝孔，利用ABAQUS仿真軟件對結構進行帶約束條件的模態仿真計算，提取前30階頻率，見表1。從表1可以看出，1階頻率為61Hz，30階頻率為3500Hz，其固有頻率分布較廣，選用此結構之前，需要對比產品使用環境振動頻率，避開固有頻率，防止共振發生。第30階頻率為3500Hz，為隨機振動仿真頻率上限2000Hz的1.75倍，為隨機振動仿真提供了可靠的數據基礎。

前4階模態振型如圖3所示。由圖3可知，1階振型為沿Z軸移動，2階振型為繞X軸旋轉，3階振型為繞Y軸旋轉，4階振型為繞X軸和Y軸的對角線旋轉。結構的模態振型圖可以指導設計與使用。當工作頻率在1階振型附近時，需要重點關注連接件拉應力，當工作頻率在2階模態、3階模態和4階模態附近時，需要重點關注被連接件擠壓應力和彎矩剛度。

2.2 隨機振動仿真分析

2.2.1 模型簡化

對仿真結果影響不大和不重要的模型特征進行簡化，有利于降低模型復雜度，避免模型不收斂情況，提高模型計算效率。本文將電感簡化為磁環，將電感質量全部施加在磁環上；將磁環底部與PCB板直接Tie連接，模擬漆包線與PCB板焊接、電感與PCB板膠接（仿真結果不考慮漆包線強度），將螺栓簡化為無螺紋柱段，采用Tie連接方式模擬螺栓連接，取消螺栓預緊力。

2.2.2 材料設置

根據結構的振動模型，材料需要設置密度、彈性模量和泊松比3個參數，各零件的材料參數見表2。

2.2.3 分析步設置

隨機振動仿真過程設置2個分析步，第一個分析步為頻率分析步，用于提取頻率，本次提取前30階頻率。第二個分析步為基于模態的隨機響應分析步，掃頻范圍為50Hz～2000Hz，阻尼設為0.03。

2.2.4 施加約束

對產品安裝法蘭進行固定約束，功率譜密度曲線如圖4所示。根據圖4功率譜密度曲線對X、Y、Z軸向共6個方向施加外載荷。隨機振動試驗條件見表3，試驗條件按表3中的條件D執行，即加速度譜密度為10（m/s2）2/Hz。

2.2.5 仿真結果

仿真結果顯示，與X向和Z向相比，Y向隨機振動工況最惡劣，應力最大，其應力云圖如圖5所示，RMS最大應力發生在腔體安裝法蘭處，因此安裝法蘭處為結構薄弱部位。

選取法蘭處最大應力點，繪制RMS應力-頻率曲線，如圖6所示。由圖6可知，最大RMS應力為100MPa，則3σ=

300MPa，大于屈服強度205MPa，小于抗拉強度335MPa，此網格點將發生塑性變形，但不會產生裂紋。從圖6還可看出，曲線在第6階頻率（377Hz）和第7階頻率（427Hz）快速上升，說明第6階頻率和第7階頻率對結構的破壞強度較大，因此產品使用環境應避開第6階頻率和第7階頻率。

選取最大應力附近網格點，繪制RMS應力-頻率曲線，RMS值曲線如圖7所示，最大RMS值為66MPa，3σ=198MPa，小于屈服強度205MPa。仿真結果表明，按條件D進行振動試驗時，產品將在安裝法蘭處發生極小范圍的塑性變形，但不會產生裂紋。

由于沖壓腔體厚度限制，強度有限，因此此類結構適用于中小強度振動環境，不適用于惡劣振動環境。

2.3 沖擊仿真分析

模型簡化。沖擊仿真模型同隨機振動仿真進行簡化，以降低計算時間及避免模型不收斂情況。

材料設置。沖擊仿真材料設置同隨機振動仿真材料設置，還要設置密度、彈性模量、泊松比3個參數。

分析步設置。沖擊仿真采用動力隱式分析步，分為零載階段、加載階段、卸載階段和零載階段共4個階段，分析總時間設為16.5ms。

施加約束。對結構安裝法蘭除沖擊方向之外的5個自由度進行約束，采用后峰鋸齒波，分別對模型施加X、Y、Z軸向沖擊載荷，如圖8所示，峰值取300m/s2，脈沖持續時間為11ms。

仿真結果。仿真結果顯示在Y向沖擊載荷作用下，結構承受應力最大，工況最惡劣，其應力云圖如圖9所示，最大應力發生在鎖緊組件彈簧墊圈處，因此彈簧墊圈為危險件。

選取彈簧墊圈最大應力點，繪制應力-時間曲線，如圖10所示。由圖10可知，最大沖擊應力發生在沖擊載荷滿載時刻，為49.8MPa，小于屈服強度205MPa，結構不會發生塑性變形，更不會產生裂紋等失效現象，結構強度可靠。

隱藏腔體和蓋板后的位移云圖如圖11所示。最大位移發生在PCB板處，選取位移最大點，繪制位移-時間曲線，如圖12所示。由圖12可知，最大位移發生在沖擊載荷滿載時刻，為2.4μm。進一步可知，沖擊過程中，器件間的最大位移不超過2.4μm，由于器件與器件間的距離、器件與腔體、蓋板間的距離均＞1mm，因此沖擊過程中，器件間不會發生碰撞現象，也不會與結構體間發生碰撞現象。仿真結果表明產品可以抵抗30g、11ms的沖擊載荷，強度可靠。

3 結論

本文結合濾波器沖壓結構和機加工結構的優點，基于模塊化設計理論，設計了一款輕量化濾波器結構，腔體和蓋板采用沖壓方式成型，腔體底部安裝PCB板鎖緊組件，PCB組件通過鎖緊組件安裝固定，整個結構安裝可靠，無須灌封，質量比傳統沖壓結構和機加工結構低，同時批產成本也顯著降低。鎖緊組件長度和腔體尺寸系列化設計可滿足不同結構尺寸要求。對此結構進行沖擊振動仿真，結果表明，該結構可以承受中低強度外載荷，無法承受高強度振動載荷。

參考文獻

[1]丁國臣，王翠珍，邵紅，等.開關電源濾波器設計及性能仿真研究[J].電工技術，2023（8）：124-126，133.

[2]許峰，李守成，辛天佐.車載機柜動態特性分析與研究[J].機械工程與自動化，2011（6）：11-13.

[3]向以鑫，張學新.某機載通信電子設備的結構設計與分析[J].機械工程師，2022（6）：29-31，35