汽車(chē)電子控制器的模態(tài)仿真技術(shù)研究

3.1幾何模型修正

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，幾何模型修正的好壞決定著網(wǎng)格質(zhì)量的好壞。對(duì)復(fù)雜的模型來(lái)說(shuō)，不修正幾何模型，會(huì)增加奇異單元的數(shù)目和單元的總數(shù)目，導(dǎo)致仿真分析周期變長(zhǎng)，分析成本變大，甚至使仿真分析無(wú)法進(jìn)行。該控制器的PCBA上有成百上千個(gè)微小的孔和器件，殼體上有過(guò)密的硬點(diǎn)和線以及微小的倒圓角等，如果不修正幾何模型，在中等配置的HP工作站上無(wú)法完成分析。所以在劃分網(wǎng)格前，先對(duì)該控制器的幾何模型進(jìn)行修正。幾何模型修正工作包括：去掉較小的倒圓角和圓孔；隱藏過(guò)密的曲線和硬點(diǎn)；切分不規(guī)則的幾何體；忽略微小電器件等。該控制器修正后的幾何模型如圖2、圖3、圖4所示。

3.2有限元網(wǎng)格劃分和單元類型選擇

控制器的各部件均采用3D實(shí)體單元建模。其中PCBA由電路板、電容、電阻、天線、小電路板、插件，插針等部件組成，這些部件的形狀較規(guī)則，采用一階六面體單元建模，單元類型為C3D8R，需進(jìn)行沙漏控制。上、下殼體的形狀比較復(fù)雜，用二階四面體進(jìn)行建模，單元類型為C3D10M。模態(tài)分析時(shí)，不要使用一階四面體單元，因?yàn)橐浑A四面體單元?jiǎng)傂云珡?qiáng)，容易導(dǎo)致模態(tài)頻率偏大（下文將會(huì)給出驗(yàn)證）。

3.3邊界條件設(shè)定

對(duì)該控制器進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)，需固定安裝孔內(nèi)側(cè)面上的所有節(jié)點(diǎn)。上殼體的卡槽與PCBA的間隙為零或者過(guò)盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對(duì)面的粘貼；下殼體的滑道和卡槽與PCBA的間隙為零或者過(guò)盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對(duì)面的粘貼；PCB上的較小的電容、電阻及芯片等器件與PCB直接進(jìn)行面對(duì)面粘貼；為避免局部剛度過(guò)大對(duì)頻率和振型造成影響，把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元與PCB進(jìn)行粘貼。后文中比對(duì)了較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式與面對(duì)面直接粘貼到PCB上的方式對(duì)PCBA模態(tài)頻率的影響。證實(shí)了把較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式更優(yōu)越。

3.4材料參數(shù)

該型汽車(chē)電子控制器實(shí)物的總重205.4克，其中PCBA重為100.1克，殼體重為105.3克，有限元模型總重為204.9克，其中PCBA模型重為99.5克，殼體模型重為103.9克，實(shí)物和有限元模型重量的相對(duì)誤差為1.0%。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為電路板具有一種等效材料參數(shù)，該等效參數(shù)是通過(guò)對(duì)PCB光板的拉伸試驗(yàn)和測(cè)量對(duì)其測(cè)密度得到的。同樣認(rèn)為較大的電器件也具有一種等效材料參數(shù)，其彈性模量和泊松比是參考普通芯片的材料得到的，密度是由芯片的總重量除以總體積得到的。

3.5仿真分析結(jié)果

利用Abaqus軟件對(duì)該汽車(chē)電子控制器進(jìn)行約束模態(tài)分析，得到的前三階模態(tài)頻率和模態(tài)振型如圖9、圖10、圖11所示。第一階固有頻率為172Hz，第一階振型為控制器沿兩個(gè)安裝耳中心點(diǎn)連線的前后振動(dòng)；第二階固有頻率為262Hz，第二階振型為控制器殼體上下面的相向的凸凹振動(dòng)；第三階固有頻率為293Hz，第三階振型為控制器殼體上下面的相對(duì)的凸凹振動(dòng)。

4 模態(tài)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

4.1模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程

利用美國(guó)PCB公司的壓電式力錘和壓電式加速度計(jì)進(jìn)行激勵(lì)、拾振。然后用LMS TEST.LAB 試驗(yàn)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。試驗(yàn)設(shè)置為，采樣頻率為2048Hz，采樣帶寬為1024Hz，頻率分辨率為0.125Hz，激勵(lì)用力窗，響應(yīng)是指數(shù)窗。

汽車(chē)電子控制器通過(guò)兩個(gè)安裝孔固定在基頻大于500Hz試驗(yàn)臺(tái)上。采用了5傳感器布置方案（圖12）進(jìn)行模型試驗(yàn)。參照仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該傳感器布置方案漏掉了第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。而采用8傳感器的布置方案

6 結(jié)論

本文利用有限元軟件對(duì)某型汽車(chē)電子控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，并用模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模態(tài)仿真分析結(jié)果的可信度，得到以下結(jié)論：

1、高質(zhì)量的網(wǎng)格是仿真分析順利進(jìn)行的保障，并且能縮短仿真分析周期，要得到高質(zhì)量的網(wǎng)格需去掉較小的倒圓角和圓孔，隱藏過(guò)密的曲線和硬點(diǎn)，切分不規(guī)則的幾何體，忽略微小的電器件等；

2、對(duì)該類控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析時(shí)，不要使用一階四面體單元，否則會(huì)導(dǎo)致模態(tài)頻率偏大，可以使用一階六面體單元（對(duì)其進(jìn)行沙漏控制）和二階四面體單元。

3、對(duì)該類控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析時(shí)，較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件不能直接面對(duì)面粘貼到PCB上，否則會(huì)增大PCBA的局部剛性，可以把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上。

按照文中的仿真建模方法既能提高計(jì)算效率又能保障計(jì)算結(jié)果有93%以上的可信度。