某車型門窗控制器PCBA的簡(jiǎn)化建模方法
針對(duì)某車型門窗控制器的PCBA,提出了一種有限元分析中PCBA簡(jiǎn)化建模方法。通過(guò)對(duì)PCBA有限元仿真模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證該簡(jiǎn)化建模方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法的提出為后續(xù)對(duì)汽車電子產(chǎn)品PCBA進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析提供了可靠地分析依據(jù)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/387987.htm前言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,汽車電子產(chǎn)品的可靠性越來(lái)越引起人們的重視,汽車電子產(chǎn)品的可靠性對(duì)行人和車輛的舒適性及安全性是至關(guān)重要的。印刷電路板組件(PCBA:Printed Circuit Broad Assembly)是汽車電子產(chǎn)品的核心,其可靠性也是汽車電子產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。
準(zhǔn)確的有限元分析結(jié)果能提前預(yù)知PCBA在后期試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。PCBA由PCB、電阻、繼電器、天線、芯片等零件組成。芯片、電容、繼電器等器件的PIN和焊點(diǎn)十分微小,數(shù)量多,體積小,在有限元仿真分析前處理階段建模費(fèi)時(shí),計(jì)算過(guò)程中消耗過(guò)多計(jì)算資源。如何準(zhǔn)確、高效地建立PCBA的有限元模型,是得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵。
本文基于某車型門窗控制器(DCM:Door Control Module)的PCBA提出一種有限元分析中PCBA的簡(jiǎn)化建模方法,并進(jìn)行有限元仿真模態(tài)分析。通過(guò)仿真模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證所提出的簡(jiǎn)化建模方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
1 有限元分析
1.1 模型概況
DCM的PCBA包括:PCB、接插件、大天線、小天線、繼電器、電容、芯片、電阻等,器件總體數(shù)量約180個(gè),如圖1所示。其中電阻數(shù)量大于100個(gè)且體積小、質(zhì)量小。
圖1:某車型DCM的PCBA
1.2 模型簡(jiǎn)化
1.2.1 邊界條件簡(jiǎn)化
PCB和器件之間通過(guò)表面貼裝技術(shù)(SMT:Surface Mounted Technology)與PCB焊接,焊點(diǎn)的焊錫、PCB上的器件都對(duì)PCBA的剛度產(chǎn)生了一定影響。器件單個(gè)管腳(PIN)和焊錫的體積和質(zhì)量相對(duì)于PCBA很小。在有限元仿真分析中,若建立PIN和焊錫的有限元模型,焊錫的體積難確定且PIN需要?jiǎng)澐址浅<?xì)小的網(wǎng)格,這種建模過(guò)程復(fù)雜且運(yùn)算過(guò)程中將消耗大量計(jì)算資源。因此PCBA有限元建模時(shí)對(duì)器件的PIN和焊錫進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用面-面粘貼的方式將器件和PCB的接觸面進(jìn)行剛性連接。
1.2.2 電阻簡(jiǎn)化
PCB上的電阻數(shù)量多、體積小、質(zhì)量小。若在有限元分析中直接建立電阻的模型,則在模型前處理階段需要?jiǎng)澐趾芏嗉?xì)小的網(wǎng)格,計(jì)算過(guò)程中也將消耗過(guò)多的計(jì)算資源。若以將每個(gè)微小的電阻以一個(gè)集質(zhì)量點(diǎn)代替,將導(dǎo)致有限元模型前處理時(shí)間大大增加。
通過(guò)多次DCM控制器及與其類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品DV(Design Validation)試驗(yàn)觀察,微小的電阻在試驗(yàn)過(guò)程中很少出現(xiàn)由于振動(dòng)和沖擊問(wèn)題導(dǎo)致的失效,因此在建模過(guò)程中對(duì)體積較小的電阻進(jìn)行簡(jiǎn)化,不建立電阻的有限元模型,但考慮電阻對(duì)PCBA質(zhì)量和剛度的影響。通過(guò)調(diào)整PCB的密度和彈性模量以等效電阻被簡(jiǎn)化前的PCB。
1.2.3 簡(jiǎn)化后PCB材料參數(shù)調(diào)整
PCB和PCBA質(zhì)量如表1所示。
表1:PCB和PCBA質(zhì)量表
表中:PCB1為沒(méi)有經(jīng)過(guò)SMT的PCB;PCB2為帶有所有電阻和所有焊點(diǎn)焊錫的PCB。
由表1可知,電阻和焊錫的質(zhì)量2.90g約占PCBA總質(zhì)量的2.90%。若直接將電阻和焊錫的質(zhì)量刪除,在有限元分析中不予考慮是不妥的。因此將電阻和焊錫的質(zhì)量作為附加質(zhì)量計(jì)入PCB質(zhì)量中。
簡(jiǎn)化后有限元模型中PCB密度為
ρ=m/(V)= 2.592 e-3 g/mm3 (1)
式中:m為PCB2實(shí)測(cè)質(zhì)量;V 為PCB1的有限元模型體積。
模型簡(jiǎn)化前PCB的彈性模量E1=17000MPa,被簡(jiǎn)化的電阻和焊錫增強(qiáng)了PCB的剛度。模型簡(jiǎn)化后PCB彈性模量E2的值取19000MPa時(shí),有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果前三階模態(tài)頻率相對(duì)誤差達(dá)到最小值。
1.3 單元類型和材料參數(shù)
根據(jù)PCB的薄板類結(jié)構(gòu)特點(diǎn),經(jīng)過(guò)對(duì)幾種不同單元類型的PCB有限元分析結(jié)果比較,最終PCBA的有限元分析模型選用一階六面體減縮積分加沙漏控制單元。
PCBA的有限元仿真分析模型如圖2所示。各零件材料參數(shù)和質(zhì)量如表2所示,PCBA的有限元模型質(zhì)量和實(shí)測(cè)質(zhì)量如表3所示。
圖2:PCBA有限元模型
表2:材料參數(shù)表
表3:PCBA質(zhì)量表
1.4 仿真分析
采用蘭索斯分塊法(Block Lanczos Method)進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析就是通過(guò)求解系統(tǒng)的特征方程,得到系統(tǒng)的特征值和特征向量,亦即振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率和振型。
一般多自由度系統(tǒng)的特征方程公式為
[K]{X}=ω2[M]{X} (2)
式中:[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣;{X}為系統(tǒng)的特征向量;ω為系統(tǒng)的特征值。
通過(guò)有限元分析軟件對(duì)PCBA有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,取前三階模態(tài)頻率和振型與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,有限元分析前三階模態(tài)頻率如表4所示,前三階模態(tài)振型如圖8、圖9、圖10所示。
2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析
2.1 試驗(yàn)設(shè)備
根據(jù)PCBA的結(jié)構(gòu)特性,采用激光非接觸測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行PCBA模態(tài)試驗(yàn),該系統(tǒng)由德國(guó)Polytec公司生產(chǎn),包括計(jì)算機(jī)、激光頭、信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)采集箱等部分,其測(cè)量頻率范圍為0~200KHz,其最大的特點(diǎn)為非接觸掃描測(cè)試,掃描方式代替了多通道傳感器,較其它測(cè)試方式有較大的優(yōu)越性。
2.2 試驗(yàn)設(shè)置
測(cè)試開始前先進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置:
1.邊界條件:試驗(yàn)采用剛度很小的線繩將PCBA懸掛起來(lái),懸掛點(diǎn)位于試件一邊的兩個(gè)端點(diǎn),模擬自由-自由狀態(tài)。
2.激勵(lì)方式:采用0~2000Hz正弦掃頻。
3.采樣頻率: 0~20kHz;激勵(lì)加Hanning窗;響應(yīng)加Hanning窗。
4.響應(yīng)測(cè)量:在Polytec軟件中將PCBA劃分為20塊,共30個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖3所示綠色的點(diǎn)為激光測(cè)振系統(tǒng)中的激光測(cè)點(diǎn)。對(duì)激光掃描點(diǎn)進(jìn)行預(yù)設(shè),并且將信號(hào)弱的掃描點(diǎn)粘貼反光薄膜。用激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量PCBA器件較少的面的速度響應(yīng)。
圖3:PCBA懸掛方式及測(cè)點(diǎn)圖
2.3 試驗(yàn)結(jié)果
PCBA的激光非接觸模態(tài)測(cè)試輸入電壓如圖4所示。
圖4:PCBA激光非接觸模態(tài)測(cè)試輸入電壓
PCBA的激光非接觸模態(tài)測(cè)試速度響應(yīng)自譜如圖5所示。
圖5:PCBA激光非接觸模態(tài)測(cè)試響應(yīng)自譜
PCBA的激光非接觸模態(tài)測(cè)試頻響函數(shù)FRF如圖6所示。
圖6:PCBA激光非接觸模態(tài)測(cè)試頻響函數(shù)
激光非接觸模態(tài)測(cè)試得到PCBA前三階模態(tài)頻率和陣型如圖7所示。
圖7:激光非接觸測(cè)試PCBA前三階模態(tài)振型圖
3 仿真模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比
3.1 仿真模態(tài)頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對(duì)比
對(duì)PCBA的仿真模態(tài)分析頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析頻率進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。
表4:仿真模態(tài)頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對(duì)比
3.2 仿真模態(tài)振型和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型比較
從仿真模態(tài)分析振型和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析振型比較結(jié)果可以看出,前三階模態(tài)振型一致,并按階次對(duì)應(yīng)良好,如圖8、圖9和圖10所示。
圖8:PCBA第一階仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比
圖9:PCBA第二階仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比
圖10:PCBA第三階仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比
4 結(jié)論
有限元模型的簡(jiǎn)化是否合理、模型的參數(shù)是否準(zhǔn)確是有限元計(jì)算能否達(dá)到預(yù)期目的的前提和關(guān)鍵。本文提出的PCBA有限元建模方法將PCBA的電阻、PIN、焊點(diǎn)以及PCB內(nèi)部導(dǎo)線進(jìn)行簡(jiǎn)化,通過(guò)調(diào)整PCB的密度和彈性模量以等效被簡(jiǎn)化的電阻、PIN和焊錫的質(zhì)量和剛度。器件和PCB通過(guò)面-面粘貼的方式進(jìn)行連接。PCB和器件采用一階六面體減縮積分加沙漏控制單元。通過(guò)進(jìn)行有限元仿真模態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的對(duì)比,前三階模態(tài)頻率相對(duì)誤差在4%以內(nèi),振型按階次對(duì)應(yīng)良好。
評(píng)論