基于ANSYS下射频宽带节点模拟校准某电路模块随机振动有限元分析

彭莎莎　程翊昕

摘要：通过有限元分析建模，对模块电路及其工装进行了动态特性研究。对所建立的模块电路有限元模型进行模态分析和随机振动分析，并结合分析结果和振动 理论的相关知识，达到快速获得模块电路结构各部分的振动响应，从而指导试验条件优化。该分析结果也可为系统级电子电路结构刚强度设计提供理论支撑。

关键词：静态分析;模态分析;随机振动

中图分类号：TN83 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0085-02

0 引言

面对日益复杂且条件恶劣的工况环境，电子设备受到的往往是复杂、随机的载荷激励。对于模块电路来说，因其轻薄的基板结构特点及精密易损的各类电子元器件，在设计过程中如何避免其在恶劣的振动环境下产生形变甚至断裂，保证整个设备能否正常工作是首要问题。[1]

1 有限元模型的建立

针对模块电路结构而言，除了精密的电子元器件，还有各类引脚插孔、倒角、散热孔等细节特征，在建模时可予以简化，删减细节特征，避免分网质量降低。其网格划分单元数为115760，节点数为69800。

1.1 定义约束

其约束定义为孔面固定约束，即省略螺钉建模工作，简化建模过程，也可保证其准确性。约束面为工装盒体底面，模块电路垂直于底面纵向插于卡槽中。

1.2 模态分析

完成约束定义后，对模块电路-工装进行模态分析，对制动系统影响较重的前6阶模态进行提取分析。第1阶模态分析见图1。

表1中为6阶模态下对应的固有频率及最大变形位移量。

2 随机振动仿真分析

对于模块电路而言，最常做的随机振动试验为5-15min筛选振动，功能振动及耐久振动试验。本文选择功能振动试验验证模块电路的产品结构强度。

2.1 施加随机振动激励

对模块电路的Z向（垂直工装基板方向）进行随机振动分析。在ANSYS中Specturm加激励载荷，功率谱密度曲线见图2，通过公式（1）-（3）计算得到频率对应的功率谱密度值。

其中，已知F1=107.5Hz，F2=2F1，F3=3F1，F4=4F1，FX（X=1，2...4），LX（X=1，2...4）。经计算，得出L2=0.025Hz，L3=0.01Hz，L4=0.006Hz。将计算得出LX及FX的2组数据做为ANSYS的随机振动激励数据，对其应力、应变量进行分析。

2.2 应力、变形量分布

施加随机振动激励后，图3、图4为电路模块的等效应力云图及最大变形量云图。从图3可以看出：模块电路-工装最大应力为0.046341MPa，出现在工装靠近底板约束处。从图4可以看出：模块电路-工装最大变形量为6.9914×10-6mm出现在工装最顶端。由此可知，在振动过程中，电路模块因有工装的保护，因此不承受最大应力及最大形变，且工装所承受应力远小于其材料的变形量许用量值，因此其结构变形量、承载应力皆满足设计要求。

3 结果分析

分析模块前6阶模态，了解设计薄弱环节。通过随机振动分析得到模块电路应力分布及变形情况，确保精密级电路板设计合理性，降低产品失效率，缩短研制周期，為满足电路模块在随机振动工况下依然能够正常工作提供了有效保障手段。

参考文献

[1] 刘治虎，郭建平，等.某机载电子设备结构随机振动分析[J].航空计算技术，2011（4）：91-93.

Finite ELement Analysis of Random Vabration of a Calibration Simulation Electric Circuit Module at RF Broadband Node Based on ANSYS

PENG Sha-sha，CHENG Yi-xin

（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an  Shaanxi  710068）

Abstract：The dynamic feature of module circuit and frock has been studied based on finite element analysis and modeling. Modal and random vabration analysis has been done of finite element model of established module circuit. Given the results of the analysis and relavant knowledge of vabration theory， the vabration response to various parts of module circuit structures can be quickly achieved， hence guiding optimization of experiment condition. The results of the analysis can also provide  theretical support for stiffness strength design of systematic level of electric circuit strctures.

Key words：static analysis; modal analysis; random vabration