酚醛覆铜板模态分析

陈汐，冯志华，陶斐，肖琛

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州215000）

酚醛覆铜板模态分析

陈汐，冯志华，陶斐，肖琛

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州215000）

针对PCB电路板中广泛应用的酚醛覆铜板进行振动模态分析，首先对酚醛电木梁进行振动实验，再计算得到了酚醛材料的弹性模量，然后利用Ansys软件分析了单面酚醛覆铜板在一端固支一端自由边界条件下的模态特性。通过振动实验与锤击实验得到复合板的固有频率，理论与实验结果基本一致，证实了酚醛电木板的弹性模量试验计算值是正确的。本方法可以为相同材料的复杂结构的分析提供参数依据。

振动与波；复合层合板；振动实验；模态分析

酚醛覆铜板广泛应用于机械性能要求较高的电机、电器设备中的PCB电路板中和绝缘结构零部件中。由于其层间性能较差，受到冲击后易发生分层和裂纹等损伤。这些损伤不仅会导致该复合材料结构静强度显著降低，而且也将影响整个电机、电器设备的工作运转和可靠性。因此，酚醛覆铜板通常需要进行模态分析，以避开它的固有频率，保证它的强度。

酚醛覆铜板是在酚醛底板上热压一层铜箔制成[1]。酚醛底板是由漂白木桨纸浸以酚醛树脂经热压而成的酚醛层压纸板，又称XPC FR-2酚醛板或电木板。电木板因具有绝缘、不产生静电、耐磨及耐高温等特性，成为电子产品之绝缘开关和可变电阻、机械用之模具及生产线上之夹具，同时用于纺织业及电器加工中作绝缘零部件，它的制品可在变压器油中使用，也可以加工成梳子，用途非常广泛。

铜箔的机械性能参数可以通过文[2]查得，但是对酚醛底板的机械性能尚不清楚。因此，做模态分析之前，需要通过振动实验得出基材的弹性模量，并经过理论分析与实验验证得出酚醛覆铜板的振动模态特性，为以后的工作做准备。

1 弹性模量的实验测定

将一宽30 mm、长255 mm、厚1.5 mm的电木酚醛条，置于两根工字钢之间，形成固支来模拟悬臂梁模型，如图1所示。

应变片贴于靠近工字钢一端，使梁作自由振动，动态应变量通过应变片输入BZ 2668动态应变仪，最后转换成的电压信号由INV采集仪输出，整个实验流程如图2所示。由采集仪传输给计算机得到的电压波形如图3所示。

图1 悬臂酚醛电木梁振动实验装置细节图

图2 悬臂酚醛电木梁振动实验流程图

图3 悬臂电木梁的振动波形

根据波形的包络线，计算得到

根据文[3]中公式，梁处于左端(x=0)固支，右端(x=l)自由边界条件下的固有频率方程为

其中

将上面参数代入得到

解得E=10.072 GPa

2 理论模态分析

在软件Ansys Workbench 12.0里导入先前建好的长a为248 mm、宽b为239 mm、厚h为1.6 mm的单面酚醛覆铜板的Pro/E模型，因为酚醛层与铜层通过热压粘合在一起，因此在有限元分析中通过“bond”命令将二者联系在一起,从而保证两层间力和位移的传递关系[4,5]。定义材料属性如表1所示。

表1 材料属性

将板固支一侧的六个自由度限定为“fixed”，进行前4阶的模态分析，得到固有频率如表2，固有振形如图4所示。

表2 酚醛覆铜板的各阶固有频率

由图4可看出，1阶振动为挥舞弯曲振动，2阶振动为摆振弯曲振动，3阶振动为挥舞平面内的第2阶弯曲振动，4阶振动为扭转振动[6]。

3 实验验证

将螺栓拧在工字钢上距离较大的两孔上，如图5所示，加紧一端，并让另一端悬臂，应变片贴于靠近工字钢加紧处，利用动态应变仪得到该条件下覆铜板的1阶固有频率。另外，搭建锤击试验平台如图7所示[7，8]，得到加速度波形，进行傅里叶变换后得到的频谱图如图8所示。

根据振动波形的结果，如图6所示，可以求得：f=15.528 Hz，ζ=0.047 1

图5 酚醛覆铜板振动实验细节图

图6 单面酚醛覆铜板一端固支一端自由振动波形

图7 单面酚醛覆铜板一端固支一端自由锤击实验图

将一端固支一端自由下的酚醛覆铜板前4阶固有频率的实验结果与Ansys理论分析结果作对比，果如表3所示。

4 结语

（1）酚醛覆铜板前4阶固有频率的实验值与Ansys理论分析值接近，说明本文建立的复合层合板的有限元模型合理，分析结果符合工程实际要求；

表3 单面酚醛覆铜板模态振动实验与理论结果误差分析

图8 单面酚醛覆铜板一端固支一端自由频谱图

（2）得到的弹性模量可以为以后同种材料复杂结构模型分析作参数，而Ansys模态分析结果可以作为以酚醛覆铜板为基底的PCB电路板的可靠性分析的理论与实验依据。

[1]辜信实.覆铜板技术[J].铜箔与基材，2003，（6）：15-17.

[2]单辉祖.材料力学，第2版[M].北京：高等教育出版社，2006.55-57.

[3]胡海岩，孙久厚，陈怀海.机械振动与冲击[M].北京：航空工业出版社，1998.154-160.

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[6]程小全，王飞，胡仁伟.含穿孔损伤复合材料桨叶结构的振动特性[J].复合材料学报，2010，27（2）：117-122.

[7]金勇，田宇忠，刘正林.橡胶艉轴承的试验模态分析[J].噪声与振动控制，2012，2（1）：34-38.

ModalAnalysis of Phenolic CCL

CHENXi，FENG Zhi-hua，TAOFei，XIAOChen

(School of Electromechanical Engineering,Soochow University,Suzhou 215000,Jiansu China)

The vibration modals of phenolic CCL panel,which is widely used in PCB circuit,are analyzed.First of all, the vibration of a beam composed by the phenol and wood is experimented so that the Young’s modulus of the phenolic material is calculated.Then,the modal characteristics of the phenolic CCL panel with the boundary condition of one end clamped and the other end free are analyzed with ANSYS software.Through the vibration experiment and hammering test, the natural frequencies of the composited phenolic CCL panel are obtained.The consistency of the theoretical results and experiment results proves the correctness of the Young’s modulus of the phenolic material.The results given in this paper have provided some parameters for analysis of the complex structures with the same materials.

vibration and wave;composited plate;vibration experiment;modal analysis

TH113.1；O32

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.012

1006-1355(2014)02-0056-03

2013-05-06

国家自然科学基金资助：（基金编号：11072164）

陈汐（1989-），女，江苏南通人，硕士，目前从事复合材料非线性动力学研究。

E-mail:624635565@qq.com

冯志华，男，博士生导师。

E-mail:zhfeng@suda.edu.cn