智能网卡的模态分析与随机振动仿真

施燕华

（英业达科技有限公司 结构分析部，上海 201112）

0 引言

随着人工智能、网络安全、云服务、5G、自动驾驶等趋势的兴起，社会对网络提出了前所未有的要求。智能网卡作为对外接收数据、进行快速、高效地处理数据的重要电子设备，受到越来越多的重视。但作为高性能的设备对其可靠性也提出更高的要求。据相关的研究表明，引起电子产品的失效的因素中，振动因素要占比达27%[1-2]。为了保证智能网卡在实际运输和使用过程中的结构可靠性，必须要对其进行随机振动测试。目前，国内外针对网卡设备结构性能抗振测试标准的研究较多，但针对网卡的随机振动响应与结构可靠性方面研究较少[3]。张海龙[4]研究了基于服务器系统的网卡随机振动响应，指出了高可靠性下结构优化设计的重要性；吴晗[5]对网卡的振动进行了全面的分析，并指出：振动响应下网卡结构不仅需要全面加固，还需要进行抗振设计。本研究利用ABAQUS 有限元分析软件在智能网卡设计阶段进行模态分析和随机振动仿真，既可缩短研发设计周期又可保证产品的结构可靠性，为后续的结构优化提供参考依据。

1 智能网卡结构

本次分析的智能网卡结构为标准的PCIe 全高半长卡，总体尺寸为167.65 mm*111.15 mm*18.31 mm，如图1 所示。PCB 板上放置有CPU、FPGA、CPLD、DDR4 等主要BGA 类元器件；CPU 和FPGA 上侧紧贴放置主要材质为Al6061 的散热片；PCB 板背面放置用于增加整体结构刚度的机构件，其材质为2Al-T4 铝合金材料；前端为用于固定支撑整张智能网卡的支架，其材质为SGCC。整张智能网卡通过前端支架和“金手指”部位固定在服务器内部，如图2 所示。

图1 智能网卡外观结构

图2 智能网卡固定方式

2 分析模型

2.1 建立有限元模型

根据智能网卡实体模型，利用前处理软件Hyper mesh 对智能网卡进行有限元建模，有限元模型采用4节点四边形线性缩减积分单元和8 节点六面体线性缩减积分单元，PCB 板、背板、支架采用CPS4R 单元模拟，CPU、FPGA、散热片采用C3D8R 单元模拟，各部件间的连接采用coupling 约束处理。为了验证网格数对计算结果的敏感度，分别对不同网格数量的模型进行预模拟，选取合适的网格数量，以保证计算的准确性。本分析网格数量26300 个，如图3 所示。

图3 网格模型图

2.2 材料参数

PCB 板材质为FR4，散热片材质为Al6061，背板材质为2Al-T4 铝合金材料，前端固定支架材质为SGCC。具体的材料属性见表1。

表1 材料属性

2.3 工况与边界条件

智能网卡通过前端支架和PCB 板“金手指”与服务器约束一起，两者连接近似为刚性连接。大多数情况下智能网卡会随服务器一起运输安装，在此过程中网卡会受到运输安装中的随机振动因素影响。本分析工况模拟网卡的随机振动环境，由于网卡与服务器的刚性连接，随机振动载荷可直接施加于单张网卡。

随机振动仿真的边界条件为固定约束前端支架和PCB 板“金手指”，初始分析设为模态分析，频率计算覆盖随机振动时的最大频率值，随机振动载荷直接施加于上述位移约束处，振动的临界阻尼设为0.02，相同随机振动载荷分别计算X/Y/Z三轴。

3 模态分析

模态分析是随机振动分析的基础，对产品进行模态分析可以确定其振动特性即固有频率和振型。结构的振动特性决定了结构对各种载荷的反应情况，是结构设计的重要参数[6]。

本次模态分析的边界条件是固定智能网卡前端支架左右两侧和PCB 板“金手指”位置，仿真得出前期3 阶固有频率数据见表2，图4～图6 是智能网卡对应频率下的振型，从中发现前3 阶的振型对智能网卡影响较大，相应频率下的外界振动有可能干扰网卡的实际运输与使用。

图4 一阶振型图

图5 二阶振型图

图6 三阶振型图

表2 固有频率数据

4 随机振动分析

随机振动分析是结构在功率密度谱下动力载荷响应的概率统计，原始数学模型是以概率进行的定性分析[7-8]。1σ、2σ和3σ表示在正态分布概率统计下的均方根响应分布，小于1 的出现概率68.27%，小于2σ的出现概率为95.95%，小于3σ的出现概率为99.94%。本仿真分析智能网卡实际运输安装的振动因素，随机振动分析施加载荷采用加速度功率谱，如图7 所示，功率谱包括了上述工况中相应频率的加速度最大值。频率范围选取0 ～1000 Hz，此频率范围同时覆盖了模态分析结果与随机振动加速曲线。

图7 加速度功率谱曲线图

图8 和图9 分别给出了随机振动z轴下3σ的最大加速度响应和最大位移响应，从图中看出最大加速度响应位于PCB 板尾端，整体数值较小，最大位移响应同样位于PCB 板尾端，位移最大处达0.29 mm，最大加速度响应与位移响应分布保持一致，这是由于前端支架和金手指位置固定，PCB 板后端相对自由，在随机振动激励下尾部发生上下摆动。图10 是整张网卡3σ的最大米赛斯应力云图，应力最大值位于前端支架，图11 是PCB 板3σ的最大米赛斯应力云图，应力最大值位于PCB 板某一孔位附近区域。

图8 最大加速度响应云图

图9 最大位移响应云图

图10 整卡最大应力云图

图11 PCB 板最大应力云图

前端支架结构强度满足设计要求，同理得出PCB板安全裕度为

PCB 板结构强度满足设计要求。综合所上的分析该智能网卡性能受外界振动激励影响较小。

5 结束语

针对智能网卡复杂的振动环境，通过使用有限元仿真的方法对该产品进行模态和随机振动分析，完成了智能网卡的刚度和强度校核，达到了验证所设计产品的机械环境可靠性的目的。在设计阶段进行模态分析和随机振动仿真，既可缩短研发设计周期又可保证产品的结构可靠性，为后续产品的结构优化和减重设计提供重要依据。