航电设备结构的抗振性设计

刘世卿

（中航工业西安航空计算技术研究所，西安710119）

航电设备结构的抗振性设计

刘世卿

（中航工业西安航空计算技术研究所，西安710119）

电子设备在振动环境下,由于振动的疲劳效应及共振现象,可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的现象。因此在航电设备结构设计中考虑振动因素是必不可少的。文中主要通过PCB板和机箱结构件的频率特性分析，研究在振动环境下PCB板和机箱结构的设计方法。

PCB板；振动；频率

0 引言

电子设备在振动环境下，由于振动的疲劳效应及共振现象，可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的现象。据统计，在引起机载（弹载）电子设备失效的环境因素中，振动因素约占27%。所以，对结构进行优化设计，提高设备的抗振动能力，是保证产品性能和可靠性的重要手段。电子设备受到振源传输来的强迫振动，不同的振源、不同的振动环境，对产品的影响也不相同。车载设备及运输中的振动环境是中低频的随机振动，垂直方向的振动占优势，水平方向的振动量值远小于铅垂轴。在喷气式飞机及导弹上，其振源是发动机和气动扰流，以及着陆、滑行时机体的振动，其振动环境是宽带随机振动，垂直方向与水平方向的激励量值相当。一般情况下，在飞机或舰船运行时主振源是螺旋桨产生的高频周期振动，本文主要研究航电设备结构在振动环境下的设计。

1 电子设备分析

PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。本文的电子设备设计以PCB为例进行研究。

1.1 PCB所希望的固有频率

在几乎每一种民用和军用电子组件中，插入式PCB都是非常流行的。这种PCB容易拆除并且可以非常快速地修理或更换。典型情况下，为了易于搬运，并保护它们免受不良的环境影响，PCB是装在某种类型的机箱或底座内的。当这种类型的组件暴露于振动环境中时，其远离中心的底座结构首先吸收能量，因此可将其看做是第一个自由度。当PCB连接到底座上时，远离中心的底座结构的响应表现为对PCB的输入激励。因此，PCB表示如图1所示的第二自由度［1］。

图1 带有PCB的底座的数学模型，其中底座为第一自由度，PCB为第二自由度

正弦振动能够激励远离中心的底座结构的固有频率，以及封装在机箱之内的各种插入式PCB的固有频率。当底座的固有频率接近于机箱内任一PCB固有频率，并且机箱和PCB中的阻尼很小时，在底座与PCB之间将产生严重的动态耦合。底座上的各个PCB的重量通常比底座的重量轻得多。在这些条件下，经受很高加速度值的某些PCB有可能非常快地形成疲劳故障。

避免这种问题的方法之一就是使用倍频程规则。这一规则要求任何一个PCB的固有频率是底座固有频率的2倍或者2倍以上。这一规则被称为前向倍频程规则。当底座的重量是任何一个PCB的重量的10倍或者10倍以上时，逆向倍频程规则也是适用的，在这种条件下，底座固有频率是任何一个PCB的固有频率的2倍或者2倍以上。当底座固有频率与不同PCB的固有频率分开时，底座与PCB之间的动态耦合将大大降低。当任何一个PCB的重量接近于底座重量的25%时，则逆向倍频程规则不得使用，这种条件在底座与PCB之间能够产生非常严重的动态耦合。

为生成疲劳故障而进行的采用递增加速度值的大量PCB振动试验，结合试验样品的有限元建模已经显示：PCB的动态位移与PCB的疲劳寿命是近似相关的。研究已经表明：在正弦振动环境中，当PCB的峰值单振幅动态位移限定为低于式（1）所示的数值时，各种不同的器件能够达到大约107个应力循环的疲劳寿命。位移代表最大许用值。式（1）包含基于引线应力的1.3的安全因子。引线的疲劳曲线的斜率是6.4。因此，（1.3）6.4＝5.36，应能为完成5.36倍试验大纲提供附加的疲劳寿命。为减小动态耦合，所有的PCB设计都必须使用倍频程规则，以保证底座的固有频率与PCB的固有频率很好地隔离。

式中：B为平行于器件长边的PCB的边长，in；L为矩形或方形器件的长度，in；h为PCB高度或厚度，in；C为不同类型器件的常数；r为器件在PCB上的位置的相对位置因子。

动态位移取决于PCB的传输率Q，相对于振动结构的阻尼而言，Q是一个相对复杂的函数。为避免增加一个更为复杂的方程，可以使用近似的传输率值。式（2）表明高的频率将生成小的位移。而小的位移具有较小的阻尼。这也降低了Q值。对于插入式PCB来说，传输率Q的良好近似值可按式（3）求解：

所希望的PCB的最低固有频率需要为元器件引线和焊点提供大约107个应力循环的疲劳寿命。该固有频率能够通过综合式（1）、式（2）和式（3）求得：

1.2 箱体元器件的固有频率

1.1.1 小型器件

对一般的两脚型悬空安装元件，如图2（a）所示，可简化为简支梁和均布质量［2］。

图2 小型元器件

如图2（b）所示，该系统是一个单自由度自由振动系统，管脚质量不计，采用静变形法计算固有圆频率：

式中：E为杨氏模量；I为惯性矩，I＝πd4/64。

1.1.2 法兰型器件

对大型器件，如变压器、波导等，都采用法兰盘连接［2］。

刚性质点处理条件为l/b＜1。

按均质悬臂梁简化条件为l/b＞2（见图3）。

图3 法兰连接的器件

当1＜l/b＜2时，刚度密度比值高的按质点考虑（如铝、钛），刚度密度比值低的（如铜、非金属）按悬臂梁处理。

1）按图3的模型，梁作横向自由振动时的函数为

A、B、D是取决于边界条件的常数。

对悬臂梁的弯曲振动，其频率方程为：sinλ×chλ＝-1。

2 电子设备设计

2.1 振动环境下的PCB设计

由于PCB在设计航电设备结构上的用途广泛，本节以PCB在飞机上的电子设备为例，对于PCB设计和装配问题进行研究。PCB布局是把电路器件放在印制电路板布线区内。布局是否合理不仅影响后面的布线工作，而且对整个电路板的性能也有重要影响。在保证电路功能和性能指标后，要满足工艺性、检测和维修方面的要求，元件应均匀、整齐、紧凑布放在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，以得到均匀的组装密度。按电路流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，输入和输出信号、高电平和低电平部分尽可能不交叉，信号传输路线最短。

由前文所述可知PCB所希望的固有频率，因此我们可以根据测试飞机不同位置振动的频率，选取最接近于PCB所期望频率的位置来布局。

插入式PCB必须有某种使位于PCB底边的盲配电连接器对准的方法。可使用的各种边缘导向件包括弹簧夹和楔形压板。边缘导向件铸造或机器制造成保持插入式PCB的机架。由于底座与PCB之间严重的耦合，这些PCB能够经受很高的加速度值。当底座的固有频率接近于装在该底座上的一个或多个PCB的固有频率时，这种情况很可能发生。底座的响应是PCB的输入。当这些结构的阻尼较小时，它们将会具有高的传输率Q。这些Q值将相乘，并且在它们的固有频率彼此接近时，会生成很高的PCB加速度值。这样就会使PCB迅速地产生疲劳故障。

当PCB具有松动的边缘导向件时，因为其振动周期取决于位移幅值，所以该周期会增大。PCB的位移幅值取决于PCB的弯曲强度和其全部间隙。松动的边缘导向件将产生使PCB的总位移增大的间隙或间隔，这又会增大完成一个完整的交变循环所需的时间。因此，PCB的固有频率将通过PCB的弯曲、边缘导向件的间隙以及受加速度值控制的速度来确定。在边缘导向件中引入的间隙会增大PCB的周期，从而导致较低的PCB固有频率。而较低的PCB固有频率也许会使得它接近于底座的固有频率，而如果这种条件得不到纠正的话，它将增大动态耦合。

采用倍频程规则，以避免外壳与各内装PCB之间严重的动态耦合。倍频程意味着频率加倍。当PCB的固有频率是外壳固有频率的2倍或2倍以上时，这些结构之间的动态耦合将大大地降低。当PCB的边缘松动时，在振动期间由于增大的位移，为使PCB完成一个完整的位移，循环需要更多的时间。它将使周期加大并降低PCB的实际固有频率，从而使PCB得固有频率下降到接近于底座的固有频率。当底座的固有频率与PCB固有频率接近一致时，动态耦合将使加速度值非常快速地增大。因为高的加速度值能够损坏PCB，这是非常危险的。

因此，可以降低底座与PCB之间严重的动态耦合的唯一方法是：增加若干稳定地夹住各PCB的压板。这种压板能消除底座与PCB之间的间隙，从而提升PCB的固有频率。这会增大底座与PCB的固有频率之间的散布，从而降低动态耦合，并提高各PCB的疲劳寿命。

2.2 振动环境下电子设备的箱体材料选择

因为常常需要改变电子组件的形状，以使它们与汽车仪表板、飞机发动机、翼尖和尾部附近的狭小空间相适应，所以在电子组件中，非均质结构是常见的。只要可获得某种类型的平均惯性矩，可对设备设计提供很大帮助。因为固有频率是与惯性矩的平方根相关的，近似的平均惯性矩比正确的平均惯性矩大约小15.5%，固有频率也要低8.8%左右。这就形成了一个稍小的安全因子，而这实际上正是在设计能够进行可靠的振动操作的电子设备时所希望的。

包含金属和塑料的层压结构广泛用于电子系统，以利用它们特殊的力学和物理特性。任何时刻只要结构要素载荷通道的方向一有变化，应力量值的大小就会有所增加。这些具有累积趋向的较高应力区域称为应力集中区域。它们通常发生在不连续区域，这些不连续区或应力提升区在暴露于振动环境中时最严重。而高延展性材料似乎对高的静态载荷或反复的交变载荷不像低延展性材料那样敏感。因此其他电子设备主要使用高延展性材料，最主要的如缺口和小孔一类的几何应力集中的地方，都要使用高延展性材料。

2.3 振动环境下电子设备结构的总体设计

在进行机箱箱体的动力学设计时，除了进行静、动强度分析外，还应考虑它的物理特性对其内部组件、器件的影响，以及安装架的传递率。关键在于运用去谐、去耦设计来加强机箱抗振、抗冲击能力。适当的附加阻尼也可以抑制共振峰，降低传递系数。

2.3.1 去谐。去谐就是避免系统内部的局部共振现象。根据倍频程法则我们将机箱体与电路板的固有频率设计相差很大，若固有频率重合或接近时将会出现共振现象，这是所有电子设备中不愿看到的。一般我们将设计两者的固有频率比值大于2。在工程设计中，由于空间、重量的限制，将箱体、电路板的固有频率设计为1∶2以上有很多约束条件。

对机箱固有频率影响最大的因素就是机箱在安装架上的紧固方式及其位置，因此需要重点考虑。在机箱内安装电路板的部位，局部加强刚度，均匀布置电路板的安装点，这样可以提高电路板的固有频率，楔形夹安装的电路板的固有频率明显高于螺钉紧固的电路板，抗振效果好，可靠性高［3］。现已广泛应用于机载电子设备。

2.3.2 去耦。去耦就是消除多自由度系统的各振型的相关耦合。若想减少共振峰数量并抑制共振峰值则需要减少系统中谐振新系统的数量。将产生弯曲振动与扭转振动的耦合［4］。去除耦合的方法有：1）减小高度h；2）在机箱顶部增加固定点；3）将右下的锁紧螺母置于右上角；4）使固定点的中心与组合刚度中心以及机箱重心大致重合。面板的弯曲振动与电路板的主振型是相互垂直的，我们设计电路板的法线时应是机箱刚度较高方向，即机箱和电路板的主振方向不重合，减小施加给电路板的振动激励［5］。振动激励最小的方向是垂直于电路板的方向。对机箱结构采用等刚度设计，并将各组件均匀布置。这样将具有集中参数的组件转化为分布参数，使机箱内局部谐振的次数减少，避免了局部谐振的相互耦合。

2.3.3 阻尼。在振动环境下，系统内的阻尼将振动的机械能转换为其他形式，如转换为热能后耗散掉，或转换为势能后缓释，或转换为电能后磁滞损耗。阻尼可以降低共振峰值，减小传递率。在设计机箱及零部件时，尽量选用高阻尼结构材料，如铝、铝镁合金。在设计底座、机箱这类质量较大的零件时，可以考虑选择高阻尼的结构型式。各种结构型式的阻尼比依次为：铸造、铆接、螺接、焊接、整体金属［6］。黏性材料用于传动机构可以提供黏性阻尼，但其副作用是降低了工作效率，而且由于发热会使局部温度升高。黏弹性材料在转换态（介于高弹性状态与黏性玻璃态之间）具有很高的阻尼系数。利用这种特性，将其涂敷或粘贴在零件表面可以吸收中高频噪声;将黏弹性材料与金属薄板制成“三明治”即约束阻尼板，可以衰减振动的传递、抑制共振峰。但这种材料的缺陷在于：转换态的温区较窄，阻尼系数随频率变化较大。在进行黏弹性阻尼设计时，要重点考虑环境温度和激励频率对隔振效果的影响。

3 结 语

按照本文的设计思路，具体模块设计过程中，固有频率是可以事先获得的，因此通过结构、位置等条件的改变，对结构件进行振动性能指标的测试，是可以为设计选型提供实验依据的。按照“参数改变→实验→评估→定型”这样的思路设计实验。抗振能力主要与设备本身的设计和材料有很大关系，通过对固有频率的调整和提高设备内部的抗振强度仅仅是振动设计的一方面，采用一些隔振措施可以减小施加给设备的振动激励，如：使用减振器或阻尼器进行减振安装，或在设备上附加动力减振装置，设备内二次隔振等。综合考虑减振安装和设备的抗振强度，可以实现结构的进一步优化。

［1］ Steinberg D S.Preventing Thermal Cycling and Vibration Failures in Electronic Equipment［M］.Wiley-Interscience，2001.

［2］ 李朝旭.电子设备的抗振动设计［J］.电子机械工程，2002，18（1）：51-55.

［3］ 井町勇［日］.机械振动学［M］.北京：科学出版社，1976.

［4］ 贺兴书.机械振动学［M］.上海：上海交通大学出版社，1988.

［5］ 苏翼林.材料力学［M］.天津：天津大学出版社，1979.

［6］ MIL-STD-2000电气和电子组装焊接标准要求［S］.

（编辑黄 荻）

Avionics Architecture Design Under Vibration Environment

LIU Shiqing
（Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an 710119,China）

Because of the effects of fatigue and vibration resonance phenomenon,electronic equipment may occur the phenomenon of electrical performance degradation,parts failure,fatigue damage or even destroy in the vibration environment.So considering the vibration factor in avionics architecture design is necessary.The frequency characteristics of the PCB and chassis structure are analyzed to research the design of PCB board and chassis structures in vibration environment.

PCB;vibration;frequency

V 243

A

1002－2333（2014）05－0066－04

刘世卿（1983—），女，工程师，硕士，研究方向为电子设备结构设计、计算机辅助制造。

2014-01-20