电路板组件随机振动试验的仿真实现

孟玥然

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

电路板组件随机振动试验的仿真实现

孟玥然

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

简述电路板组件随机振动试验仿真实现的原理和方法。通过有限元软件对电路板组件模型进行随机振动仿真分析，结合电路板组件随机振动试验的频率响应特性结果验证了仿真分析的有效性。

电路板组件；随机振动；有限元仿真；频率响应特性

1 随机振动试验有限元仿真实现的意义

随机振动环境是军工电子产品在寿命期内必须经历的环境应力。作为产品的重要组成单元，电路板组件耐受振动应力的能力与产品可靠性水平紧密相关。通过对关键电路板组件进行动力学仿真分析确定电路板组件的振动特性，可在电路板组件布板设计之初就能有效避免不良的振动设计，优化电路板器件的布局，从而提高整机的可靠性水平。

2 随机振动试验的功用

随机振动试验是通过模拟装备平台振动环境，利用振动台对产品输入特定的随机振动激励谱，检验产品在随机振动环境下可靠工作的能力。随机振动试验一般具有以下功用：

1）功能试验[1]

通过功能试验，对产品施加使用环境下的最大振动应力，检验产品能否正常工作。

2）耐久试验[1，2]

通过耐久试验，确认产品在给定的使用寿命期内能够可靠工作的能力。耐久试验考核产品结构强度及疲劳寿命等问题，考验产品在一定振动环境下是否产生疲劳破坏、机械磨损等引起的寿命缩短或失效。由于这种试验与寿命相关，所以试验强度和试验时间都必须考虑使用要求。

3）振动频率响应特性试验

通过振动频率响应特性试验，掌握产品的动力学特性，便于对产品进行抗振设计。

本文仅关注振动频率响应特性试验，即通过对随机振动试验的仿真确定产品的频率响应特性。

3 电路板组件有限元模型的建立和模型质量、刚度误差分析

随机振动有限元仿真试验，需要对产品进行有限元数字样机（FEM）建模。数字样机包括材料、元器件封装和产品结构及约束条件等方面的信息[3]；将建立好的产品数字样机，经过有限元仿真软件解算器的解算得到模态；然后在产品的规定位置输入随机振动激励谱型，通过响应分析得到产品随机振动频率响应结果。

电路板组件上安装了各种封装类型的不同元器件，除了元器件之外，通常还安装加固肋片、冷板和电连接器等。元器件的质量、焊接方式、材料，冷板肋片和电连接器的接触方式等因素都会影响电路板组件有限元模型的准确度。这些受影响的模型参数决定了产品的仿真结果。但是如果建立的数字样机细节过多，对模型有限元网格划分时，由于模型细部特征复杂，会造成网格的畸形。即使产品的数字样机构建成功，其模型的有限元节点、单元数目庞大，不利于高效解算[4]。

因此有必要对电路板组件的数字样机进行简化，可将电路组件上的冷板、肋板、电连接器等结构保留，仅将某些细部特征（小孔、凸台等）忽略。对于大质量的元器件，必须使其保留，并注意其封装形式和安装刚度。对于小质量元器件，如贴片式电阻、电容等忽略其几何模型，将其局部质量、刚度等效。这样可以得到符合性较好的电路板组件数字样机模型。

要建立准确的电路板组件数字样机，需要明确产品的频率响应对何种动力学参数敏感。由于分析结构模态时，需要考虑的产品结构参数只有质量和刚度两个因素。通过对结构质量、刚度的改变对振动频率的影响，从理论上给出数字样机建模的指导建议[5，6]。

下面以质量或刚度的相对误差作为一个函数，分析其对结构固有频率造成的误差，即：

K为模态刚度，M为模态质量，则固有频率：

先令M为常数，则：

对K求导得到：

因为：

使用Taylor级数展开，取前两项：

再令K为常数，则：

对M求导：

因为：

使用Taylor级数展开，取前两项：

对比发现：

由此可见质量误差带来的影响高于刚度误差。因此，在电路板组件元器件建模时，准确输入元器件质量的信息比刚度信息更为重要。

4 电路板组件随机振动试验的仿真试验

为了确定电路板组件随机振动试验仿真结果的有效性，本研究以某自制电路板组件作为被试品设计了随机振动试验。通过试验得到被试品关注点的加速度频率响应特性曲线。随后，使用ANSYS有限元软件对电路板组件模型进行了随机振动频率响应仿真分析。

4.1 电路板组件随机振动试验方案

随机振动试验考查被试品振动频率响应特性，可通过随机振动试验测试被试品特定位置的频率响应特性曲线。本试验在设计上特别注意到以下几点：

1）试件固定方式

电路板组件固定在振动台面上的方式应简单可靠：使用螺钉将受被试品固定于振动台面上，振动台面与电路板之间必须留有足够的空间以保证电路板在振动时不会触碰振动台面，保证电路板振动特性不受影响。必须指出的是，开展真实产品的随机振动试验，必须尽量模拟电路板组件在产品中的安装方式、振动应力的施加方向。本研究旨在实现电路板组件随机振动试验的仿真方法，暂不考虑的实际安装方式。电路板组件的安装固定方式见图1。

2）传感器

使用电荷式加速度传感器检测电路板上的加速度频响信号。由于电路板自身质量轻，本试验使用的加速度传感器质量、体积都相对较大。故在试验时，传感器对电路板组件的影响是不能忽略的。在随机振动仿真分析中，必须将传感器的影响因素予以考虑，即对电路板组件和传感器均作为被试品进行数字样机建模。

3）试验谱型设置

采用平直谱和折线谱进行试验。随机振动谱参数如图2所示。

采用平直谱，可使振动能量在分析频率范围内保持不变，这种谱型适用于检测结构的频率响应特性；采用折线谱，可模拟国军标中的随机振动试验标准。使用这用谱型具有较大的工程实践价值[7]。

4）响应点的设置

试验通过改变位于电路板组件上的加速度传感器位置，测试电路板上不同点的随机振动频响曲线。在试验件上取多个试验点的目的在于考查受试结构多个点的频率响应特性，这样利于随机振动仿真试验的对比分析。试验点的位置宜选择在受试电路板组件的中心位置、固定边缘1/2处、关键元器件附近等。

4.2 电路板随机振动试验的仿真实现

1）随机振动试验仿真分析的流程

随机振动仿真分析的合理流程可以保证分析结果的准确性和可信性。图3为振动试验 仿真分析的流程图。

2）受试产品FEM数字样机及仿真试验设置

对电路板组件建立FEM数字样机，具体过程在此就不再赘述。仿真中设定电路板组件约束条件均为固定支撑，即设为“Fixed Support”。

需要说明的是，电路板组件随机振动仿真分析是在ANSYS Workbench环境下的“Random Vibration”功能模块下完成的。在ANSYS Workbench中使用随机振动仿真分析模块的前提是：先要对受试FEM数字样机进行模态分析。在成功解算模态之后，才能进行随机振动分析。

图1 电路板固定方式

图2 随机振动施加谱型

3）随机振动试验与仿真分析的结果比对

正确设置电路板组件材料特性和约束条件后，对两种分析的频率响应函数进行对比，结果如下。

情况1 ：四点固支，传感器位于电路板中心位置，采用平直谱，激励谱量值为W0=0.001 g2/Hz，图4为试验—仿真结果的频率响应函数对比。

情况2：四点固支，传感器位于电路板左方中心位置如图5所示，激励谱量值为W0=0.001 g2/Hz。图6为试验—仿真结果的频率响应函数对比。

情况3：四点固支，传感器位于电路板中心位置，激励谱量值改为折线谱，图7为试验—仿真结果的频率响应函数对比。

图3 随机振动试验仿真分析的流程图

图4 试验设置情况1下的加速度频响函数对比

图5 四点固定的电路板试验设置情况2

图6 试验设置情况2下的加速度频响函数对比

图 7 试验设置情况3下的加速度频响函数对比

从以上三组试验结果的比对结果看，仿真分析与试验之间的加速度频率响应函数的差距很小，采用四点固支的约束方式时，二者的频响函数曲线峰值的相似度较高，但谱型依然存在一些误差。主要原因可能在于：

①传感器自身质量和刚度引入误差。

②电路板属于各项异性材料。我们在仿真分析中，将其材料特性设为各项同性，并且材料参数也是基于材料特性试验得到的。

通过以上分析对比，依然可以得到以下结论：本电路板随机振动仿真分析与实际物理试验的符合性良好。

5 总结

本文以电路板组件作为研究对象，论述了随机振动试验仿真实现的原理和方法。对某自制电路板组件设计了较为合理的随机振动试验方案并进行试验。通过使用ANSYS有限元软件实现了随机振动试验的仿真分析。通过对比真实试验与仿真分析得到的加速度频响函数曲线，证实了仿真分析的有效性。

[1] GJB150 -1986, 军用设备环境试验方法[S].

[2] 董树印.谈随机振动试验[J]. 企业标准化, 2007, (08):71.

[3] 李永红,单昆仑,曾晨辉,等.电子产品可靠性虚拟试验与评估方法研究[J].中国质量, 2007, (7):17-21.

[4] 杜平安.有限元网格划分的基本原则[J]. 机械设计与制造, 2000 (1):34-36.

[5] Dave S. Steinberg. Vibration analysis for electronic equipment [M]. Third edition. New York:John Wiley & Sons, Inc., 2000: 39-149.

[6] Pitarresi J. M. , Primavera A. A. Comparison of Modeling Techniques for the Vibration Analysis of Printed Circuit Cards [J]. ASME Journal of Electronic Packaging, 1992, 114(4):378-383.

[7] 丁力,等.工程应用中的随机振动试验技术研究[J].航空计算技术, 2002, 3(32):110-114.

Simulation Realization of Random Vibration Test of PCB Assembly

MENG Yue-ran
(AVIC China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028)

The principle and method of random vibration simulation testing of PCB assembly are introduced in this paper. And then, the random vibration simulation analysis of PCB assembly is carried out by the finite element analysis software. Finally, the effectiveness of the simulation analysis is verified by the frequency response characteristics of the random vibration testing of PCB assembly.

PCB assembly;random vibration;finite element simulation;frequency response characteristics

V216.2+1

A

1004-7204（2017）03-0006-05

孟玥然（1985-），男，工程师，主要研究方向为环境可靠性试验技术。