某型发射装置电路板随机振动响应分析

鲍 华，刘万远

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

某型发射装置电路板随机振动响应分析

鲍 华，刘万远

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

为合理确定某型发射装置电路板的固定方式，采用有限元仿真的方法对其动力学特性进行计算，提出三种固定电路板的方案。在简化模型的基础上对三种方案分别进行模态分析和随机振动响应分析，利用随机振动响应结果比较了三种方案的优劣，得出适合电路板的固定方案，该研究方法可以为相似产品的设计提供思路和方法。

电路板；模态分析；随机振动响应分析

0 引 言

印制电路板PCB(Print Circuit Board)是电子元器件的支撑体,为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形［1-2］,是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板［3-4］。PCB板设计是目前电子产品设计链中的一个关键环节,其设计的好坏直接影响到产品的质量和生产效率。电路板的固定方式是PCB板设计的一个重要环节,需要仿真来进行方案优选［5］。

发射装置在挂机飞行过程中由于表面的气动扰流、载机振动传递、发动机排气噪声等原因将承受严酷的随机振动环境［6-7］,这些随机振动环境将严重影响发射装置的环境适应性和可靠性。发射装置中PCB的固定方式对板上元器件的随机振动影响较大,迫切需要开展动力学仿真。以随机振动仿真为代表的动力学仿真,在产品方案阶段开展,可大大节省费用,而且与产品设计同步,可以更好地指导发射装置的设计,提高其环境适应性。

1 某型发射装置电路板模型

本文选取的发射装置电路板的物理模型如图1所示,其中包含18个元器件,分别是1个存储芯片、1个晶振、4个快速光耦、4个CAN总线数据收发器、1个钽电解电容、1个DSP芯片、4个八总线双向驱动器、1个D/A转换器和1个RS232驱动器。PCB板厚2 mm,包含8层,基板由0.3 mm厚的环氧玻璃布压板组成,PCB表层铜箔厚度为50μm。

图1 某型发射装置电路板物理模型

为了简化计算模型,建模过程中将电路板等效为各向同性的材料,忽略较小的孔洞,其材料为FR4,弹性模量为18.96 GPa,泊松比0.27,根据其实际质量计算出密度；元器件忽略其管脚,并假设其表贴在电路板上,元器件的质量和体积等于其实际参数。

2 模态分析

模态分析可以获得结构的固有频率和固有振型,是进行响应分析的基础［4］。利用商业有限元软件ABAQUS进行随机振动响应分析,首先要进行模态分析,并提取模态；然后设置分析频率段,采用基础激励法输入加速度PSD曲线,计算随机振动响应。通过对某型发射装置所经历的环境分析得知,对于该电路板而言,只有2 000 Hz频率以内的振动对其有重要影响,因此模态分析只给出其在2 000 Hz以内的一阶、二阶、三阶模态振型图,如图2～4所示。在该模态分析中,电路板四周全约束。

图2 一阶模态振型图

图3 二阶模态振型图

图4 三阶模态振型图

3 随机振动分析

随机振动分析采用ABAQUS中的Random Response分析功能,随机振动是以概率理论为基础,分析的输入输出都是具有随机概率特性。它的原理是先计算模型的每阶模态响应统计,再对它们进行综合,并假设随机振动过程为平稳随机过程。

在该仿真中采用的随机振动试验频谱曲线如图5,15～178 Hz的PSD值为0.009 41 g2/Hz,178～300 Hz的上升斜率为+4 B/oct,300～1 000 Hz的PSD值为0.0188 4 g2/Hz,1 000～2 000 Hz以-6 dB/oct的斜率下降。利用ABAQUS对某型发射装置电路板的Z向(即垂直于电路板面的方向)的振动进行了分析。为了找到固定电路板的最佳方案,本文采用了三种方案,以便于优选。

图5 随机振动试验频谱图

方案一,电路板四周固定,并施加图5所示随机振动频谱,得出电路板的Z向加速度均方根值云图,如图6所示。可以看出,在此种情况下,电路板的中部DSP芯片振动明显增大,此处加速度达到237.8m/s2,远大于输入的加速度48.8 m/s2,该方案在随机振动条件下DSP芯片极易损坏,因而此种该方案风险较大。

图6 方案一电路板Z向加速度均方根值云图

方案二,为了减小电路板中部DSP芯片处的振动响应,除了电路板四周固定,另外在DSP芯片的左右6 mm处也分别固定,施加图5所示的随机振动频谱,得出电路板的Z向加速度均方根值云图,如图7所示。虽然在此种情况下,DSP芯片处的振动响应减小了许多,但是也造成了右上角八总线双向驱动器响应明显增大,此处加速度达到229.5 m/s2,远大于输入的加速度48.8 m/s2,该方案在随机振动条件下也容易造成电路板损坏。

图7 方案二电路板Z向加速度均方根值云图

方案三,为了减小电路板内部振动响应,除了电路板四周固定,另外在电路板中部DSP芯片下方增加一个十字型的固定约束,该十字型约束距电路板左侧60 mm、上侧30 mm,通过4个螺钉与电路板连接。施加图5所示的随机振动频谱,得出电路板的Z向加速度均方根值云图,如图8所示。在此情况下,虽然造成了左上角八总线双向驱动器响应增大,但此处加速度也只有74.95 m/s2,稍大于输入的加速度48.8 m/s2,按照以往的设计经验,电路板可以承受,且安全余量较大。

图8 方案三电路板Z向加速度均方根值云图

三种方案的计算结果如表1所示,可以看出方案一和方案二结果较为相似,且放大倍数都比较大,方案三放大倍数明显较小,可见方案三的固定方案更好,适合发射装置的振动环境。

表1 三种方案的输入输出加速度对比

4 结 论

通过对某型发射装置电路板三种固定方案的随机振动响应分析可以看出,不同的固定方案对电路板的环境适应性影响很大,如果不进行深入分析,很容易造成电路板振动环境下的损坏,最终导致产品不能完成预定功能。通过三种固定方案可以得出,在通常的电路板设计中除满足电路板布局的一般原则外,应尽量将质量较大的元器件设计在电路板的四周,若无法实现,应在大质量元器件的周围进行加固,以提高整个电路板的环境适应性和可靠性。

［1］石宗义,夏路易.电路原理图与电路板设计教程［M］.北京：北京希望电子出版社,2002.

［2］刘文广,吴凡.基于APDL的PCB元件布局优化［J］.电子工艺技术,2009,30(3),151-153.

［3］池雪莲.PCB板工程设计及发展探析［J］.襄阳职业技术学院学报,2013,12(2),17-19.

［4］杨宗军,叶松林,游少雄.插板式PCB板的内置减震设计方法及其 PSD动力学仿真［J］.振动与冲击, 2013,26(2),39-42.

［5］吕连灿.印刷电路板设计［J］.中国科技信息,2013 (14)：117.

［6］肖军,程功,陈建敏.机载发射装置烧粘-腐蚀防护评估技术的研究进展［J］.航空兵器,2014(5)：60-64.

［7］王清海,刘仲敏,陈小兵.基于Pattran/Nastran的发射装置振动特性设计［J］.航空兵器,2011(2)：52-56.

Random Vibration Response Analysis of PCB Used in the Certain Launcher

Bao Hua,Liu Wanyuan
(China Airborne Missile Academy,Luoyang,471009)

In order to choose correct fixing scheme for the PCB used in the certain launcher,finite element analysis is used to calculate its dynamical characteristic,three fixing schemes are presented.Modal and random response analysis are carried out based on simplified model in each fixing scheme,comparison analysis on the schemes is constructed using random response method and the correct fixing scheme is selected.This investigation could provide ideas and methods for the design of similar products.

printed circuit board；modal analysis；random vibration response analysis

TN41

A

1673-5048(2015)03-0066-03

2015-03-23

鲍华（1983-），男，河南淮阳人，工程师，硕士研究生，研究方向是可靠性。