基于正交试验的分离母板互联结构振动可靠性设计

陈田海，周德俭,2，吴兆华

CHEN Tian-hai1, ZHOU De-jian1.2, WU Zhao-hua1

（1. 桂林电子科技大学 机电工程学院，桂林 541004；2. 广西工学院 机械工程系，柳州 545006）

基于正交试验的分离母板互联结构振动可靠性设计

Vibration reliability design of the interconnection structure of Separated motherboard based on orthogonal test

陈田海1，周德俭1,2，吴兆华1

CHEN Tian-hai1, ZHOU De-jian1.2, WU Zhao-hua1

（1. 桂林电子科技大学 机电工程学院，桂林 541004；2. 广西工学院 机械工程系，柳州 545006）

利用有限元分析软件ANSYS建立了分离母板互联结构的有限元模型。选取分离母板的长度、厚度及紧固螺钉到母板边端的距离3个参数作为关键因素，安排正交试验。进行了随机振动环境下的可靠性分析，基于试验结果进行了极差分析和方差分析。结果表明：板厚H和板长L对分离母板互联结构的振动可靠性影响较大，螺钉到母板边端的距离M影响较小。获得振动可靠性设计的较优方案组合为H1L1M1。

分离母板互联结构；可靠性；正交试验

0 引言

分离母板是一种为了扩展插件接口数量、便于电路模块插拔，满足模块化设计要求的新型母板结构。分离母板互联技术是指母板结构及母板接缝处采用的互联技术，如图1所示（略去其中一块分离母板），采用的是微型连接器互联技术。它可以实现快速、平整、可靠的互联，达到模块接口扩展目的。它是母板上信号传输连续性和可靠性的保障。据统计，在引起电子设备失效的环境因素中，振动因素约占27%[1]。因此，采用合理的设计方法对其尺寸参数进行优选设计，提高分离母板互联结构的振动可靠性，对保证电子设备的正常运行具有重大意义。

笔者以某研究所设计的应用于恶劣环境的分离母板互联结构为研究对象，利用ANSYS建立了分离母板互联结构的有限元模型。基于正交试验设计法，以研究结构尺寸相关参数与振动可靠性之间的关系为目的，对三个重要结构参数组合的分离母板互联结构进行了随机振动分析，并对试验结果进行了极差分析和方差分析，确定了各参数对振动可靠性的影响程度和影响规律，给出了可供实际结构参数优化设计作参考的分析结果。

图1 分离母板互联结构模型

1 随机振动分析理论

随机振动的数值模拟实质上是谱分析的一种。谱分析是将模态分析结果与一个已知谱联系起来对模型进行位移和应力计算的一种分析技术，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷，如地震、风载、火箭发动机振动等的动力响应情况。

2 正交试验设计

2.1 正交试验设计技术

正交试验设计是基于一定的规则设计正交表，确保以最小数目的实验获得全因子实验中影响性能参数的全部信息[2,3]。利用正交试验安排分离母板互联结构的振动可靠性分析，可减少计算量和分析时间，只需在所有可能的分离母板互联结构的结构尺寸参数组合中挑选一小部分因子组合进行计算分析，即可以获得全部试验中的全部信息。

2.2 分离母板互联结构设计

分离母板互联结构如图1所示，主要由母板、微型连接器和紧固螺钉组成。因该结构应用于恶劣环境，所以要对其结构参数进行优选设计，目的是提高其振动可靠性。研究表明，影响母板振动可靠性的主要因素有：母板厚度、母板面积、固定方式、元器件布局等[4]。结合实际需要考虑，本文选择的结构参数有：母板厚度H、母板长度L（因实际应用中要求宽度为定值，所以用长度表征面积）、螺钉距母板边端的距离M。选取以上3个关键因素，每个因素取3个水平，因素水平表如表1所示。

表1 正交试验因素水平表

采用正交表 安排正交试验，如表2所示。

表2 正交表与试验结果

3 分离母板互联结构振动可靠性分析

3.1 随机振动分析

根据产品需要进行随机振动耐久实验的要求，对模型施加指定加速度功率谱后，对各组合下的分离母板互联结构分别进行了X、Y、Z方向激励下的随机振动分析后，显示载荷步3的VONMISES应力分布。结果显示，所有组合在Y向激励下的应力明显高于其他两个方向。所以只需比较各组合在Y向激励下产生的应力即可衡量在随机振动环境下各组合振动可靠性的优劣。计算Y向激励下的VONMISES应力数据见表2最后一列。

3.2 仿真结果分析

对表2中各组试验进行随机振动分析，得到第1组在Y向激励下产生的应力最小，为11537Pa。应力越小，产生屈服变形的概率也就越小，可靠性越高。 纵观表2最后一列的结果可知，通过参数组合设计可以较好地减小随机振动环境下产生的应力。

4 试验结果分析

4.1 极差分析

利用极差分析方法计算表2，极差分析结果如表3所示。由表3可知，极差大小顺序为H>L>M。即板厚对随机振动环境下产生应力的影响最大，其次是板长，螺钉到边端的距离影响最小。根据极差分析结果，进行因素指标分析，得到各因素的主效应曲线，见图2。从图2中可以得知,从产生应力最小化考虑，其振动可靠性最优组合是:H1=3，L1=70，M1=2.5。该组合在Y向激励下产生的应力值仅为11537Pa。经过上述分析可知，优方案为H1L1M1。

图2 影响应力的主效应曲线

4.2 方差分析

通过以上的极差分析可以判断各因素对试验指标影响的相对大小，但是无法确定每个因素对指标的影响是否显著。而方差分析可以明确各因素对结果的影响是否显著。因此，对分离母板互联结构试验结果进行方差分析，结果见表3。由表3可知，板厚对分离母板互联结构在随机振动下产生的应力影响显著，三个因素的显著性排序为：H>L>M，与上述极差分析结果一致。

综合以上分析，在分离母板互联结构可靠性设计中，应该选择小尺寸母板，紧固螺钉位置可根据实际情况尽量靠近连接器。这样可以保证分离母板互联结构有较高的振动可靠性。

5 结论

1）正交试验设计成功应用于分离母板互联结构振动可靠性设计中，减少了试验次数和时间。

表3 应用数据极差分析与方差分析

2）极差分析表明：板厚H和板长L对分离母板互联结构振动可靠性影响较大，螺钉到母板边端的距离M影响最小。获得优方案组合为H1L1M1。

3）方差分析表明：在显著水平a=0.1时，因素H对在随机振动下产生的应力影响显著，三个因素的显著性排序为：H>L>M，与极差分析结果一致。

[1] 李朝旭.电子设备的抗振动设计[J].电子机械工程, 2002,18(1):51-53.

[2] 刘绪磊,周德俭,黄春跃,等.基于正交试验的板级电路模块热分析[J]. 电子元件与材料,2009,28(5):43-46.

[3] 黄春跃,周德俭,吴兆华.基于正交试验设计的塑封球栅阵列器件焊点工艺参数与可靠性关系研究[J].电子学报,2005,33(5):788-792.

[4] 戴芳菊,程国辉.印制板抗振设计[J].通信对抗,2004,(3):56-58.

TN406

A

1009-0134(2010)10(上)-0150-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).48

2009-12-21

广西自然科学基金（桂科自0832242)； 广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任基金（0842006_016_Z）

陈田海（1983 -），男，山西大同人，硕士，主要从事微电子制造可靠性研究。