王 森，古智祥，王璐璐，張永紅，衛(wèi) 杰，蒲 剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

0 引言

當(dāng)前電子設(shè)備朝著多功能、高集成度方向發(fā)展，為提高電子設(shè)備的性能，一般需要在電子機(jī)箱內(nèi)混合使用不同功能的模塊。功能不同的模塊，一般其重量、剛度等結(jié)構(gòu)特征也不同。因此，機(jī)箱內(nèi)不同的模塊布局會(huì)對(duì)機(jī)箱內(nèi)部的動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。而且隨著應(yīng)用的深入，電子機(jī)箱面臨的力學(xué)環(huán)境也越來(lái)越惡劣，嚴(yán)重影響機(jī)箱內(nèi)精密器件的正常工作［1－3］。

常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)系統(tǒng)功能需要、方便電氣連接、降低電纜長(zhǎng)度、減少損耗等原則排布機(jī)箱內(nèi)的模塊布局。這種主要考慮電性能的布局方法，容易把對(duì)振動(dòng)敏感的設(shè)備置于機(jī)箱的高振動(dòng)區(qū)域，導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落、針腳斷裂等故障［3－6］。

目前主要通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)［7－8］或增加減振器［9－10］等方式，以減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。但本機(jī)箱為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，不能更改主體結(jié)構(gòu)形式；而增加減振器會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱的位移加大，增加裝機(jī)難度。

本文針對(duì)模塊內(nèi)的印制板在振動(dòng)環(huán)境下的低變形要求，利用Ansys Workbench有限元分析軟件計(jì)算了印制板的變形 特 征 和 機(jī) 箱 內(nèi) 部 典 型 區(qū) 域 的 振 動(dòng) 響 應(yīng)［1，4，5，11，12］。優(yōu)化了印制板的固定方式；并根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)在機(jī)箱內(nèi)部分布不均勻的特點(diǎn)，尋找加速度響應(yīng)均方根值相對(duì)較低區(qū)域用于安裝印制板模塊。最后，利用有限元分析驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。這種搜索低量級(jí)響應(yīng)區(qū)域用于安裝振動(dòng)敏感型設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法降低了機(jī)箱的設(shè)計(jì)、裝機(jī)難度。本文使用的方法可以為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師提供參考。

1 印制板模塊的初步安裝

1.1 機(jī)箱的結(jié)構(gòu)與組成

如圖1所示，機(jī)箱為圍框結(jié)構(gòu)，通過(guò)4個(gè)安裝支耳對(duì)外連接。機(jī)箱內(nèi)安裝了11個(gè)模塊，包括5個(gè)重量為1.4 kg的A型模塊，5個(gè)重量為0.9 kg的B型模塊和1個(gè)印制板模塊。各模塊在機(jī)箱內(nèi)的布局如圖1所示。印制板模塊外形如圖2所示。為便于電氣互連，印制板模塊初步安裝于機(jī)箱的中間位置（后文簡(jiǎn)稱初步安裝機(jī)箱）。印制板上安裝有3個(gè)器件。模塊殼體采用鏤空結(jié)構(gòu)以減重，印制板的外邊緣固定于模塊上。印制板內(nèi)的電路，及印制板與器件之間的連接引腳對(duì)振動(dòng)敏感。要求機(jī)箱承受X、Y、Z三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，印制板的最大變形小于0.3 mm。

圖1 機(jī)箱組成示意圖

圖2 印制板模塊

1.2 仿真分析設(shè)置

如圖3所示，為減小計(jì)算規(guī)模，先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：去除機(jī)箱內(nèi)不重要的倒角、凸臺(tái)等，采用質(zhì)量點(diǎn)代替A、B型模塊。保留印制板模塊的模塊殼體、印制板、器件的主要特征。利用Ansys Workbench進(jìn)行仿真分析。固定機(jī)箱的4個(gè)對(duì)外安裝孔，先計(jì)算結(jié)構(gòu)的模態(tài)，再采用模態(tài)疊加法計(jì)算印制板的變形和箱體內(nèi)部的加速度響應(yīng)。針對(duì)印制板的變形特征，分析印制板的固定方式。通過(guò)機(jī)箱內(nèi)部的加速度響應(yīng)分布，評(píng)估印制板模塊的安裝位置。

圖3 仿真模型

1.3 初步安裝機(jī)箱的模態(tài)分析

初步安裝機(jī)箱的前5階固有頻率如表1所示，第1、2階振型如圖4所示。從圖可知，初步安裝機(jī)箱的第一階振型為機(jī)箱的整體彎曲變形；第二階振型為印制板的變形。

表1 前5階固有頻率

圖4 第1、2階振型

1.4 初步安裝機(jī)箱的隨機(jī)振動(dòng)分析

加載的隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜密度（PSD）曲線，如圖5所示，均方根值（RMS）為12.3 g。輸入振動(dòng)條件，計(jì)算印制板的變形；并在機(jī)箱的安裝槽附近選取7個(gè)點(diǎn)位（圖6），計(jì)算各點(diǎn)位在X、Y、Z三個(gè)方向承受隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的加速度響應(yīng)。依次定義各個(gè)點(diǎn)位為P1、P2、P3、…、P7。

圖6 加速度響應(yīng)點(diǎn)位

圖7為印制板3個(gè)方向受載時(shí)的變形云圖。圖8為P1承受X方向載荷時(shí)的加速度響應(yīng)曲線。圖9為各點(diǎn)位在X、Y、Z三個(gè)方向的加速度響應(yīng)均方根值，反映了機(jī)箱內(nèi)部的加速度響應(yīng)分布。

圖7 初步安裝機(jī)箱的印制板變形云圖

由圖7可知，X方向受載時(shí)印制板的變形最大，其值為0.418 mm，出現(xiàn)在印制板的中間位置；Y方向的最大變形達(dá)到0.393 mm；Z方向的變形為0.04 mm。X、Y方向受載時(shí)，印制板的最大變形均超過(guò)了其能承受的最大變形。

由圖8、圖9可知，P1點(diǎn)位在Y方向受載時(shí)，響應(yīng)加速度的均方根值為12.2 g，與輸入值相當(dāng)。其余情況下，輸入的振動(dòng)量級(jí)經(jīng)過(guò)機(jī)箱后均出現(xiàn)了放大，總體放大趨勢(shì)為機(jī)箱兩側(cè)小、中間大。P7點(diǎn)位在X、Z方向的響應(yīng)量值最小；P7在Y方向的響應(yīng)均方根值為14.5 g，略大于P1的響應(yīng)值。

圖8 P1承受X方向載荷的加速度響應(yīng)曲線

圖9 各點(diǎn)位的均方根值

2 印制板模塊的改進(jìn)安裝

為了減小印制板的變形，需要提高印制板中間部分的剛度，同時(shí)減小印制板承受的振動(dòng)量級(jí)。由于本機(jī)箱為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，不能更改主體結(jié)構(gòu)形式，因此無(wú)法通過(guò)加強(qiáng)機(jī)箱達(dá)到增加印制板剛度的效果。在機(jī)箱安裝處增加減振器，可以降低傳遞到機(jī)箱和印制板模塊上的振動(dòng)量級(jí)，但增加減振器的方式會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱在振動(dòng)過(guò)程中的位移加大，可能與其它設(shè)備發(fā)生碰撞，增加裝機(jī)難度。為了降低設(shè)計(jì)、裝機(jī)難度，通過(guò)增加印制板在模塊內(nèi)部的安裝剛度，改善印制板模塊在機(jī)箱內(nèi)的布局兩種方式解決印制板變形過(guò)大的問(wèn)題。

2.1 印制板在模塊內(nèi)的改進(jìn)安裝

安裝印制板時(shí)，僅固定了印制板邊緣，導(dǎo)致印制板中間剛度差；而且印制板中間區(qū)域分布了3個(gè)器件，進(jìn)一步惡化了印制板的剛度特性。如圖10所示，模塊底板改進(jìn)為整板結(jié)構(gòu)，并在印制板上靠近器件的位置增加3個(gè)安裝孔，用于把印制板中間區(qū)域連接到模塊殼體上。

圖10 印制板在模塊內(nèi)的改進(jìn)安裝

2.2 改進(jìn)印制板模塊的安裝

機(jī)箱內(nèi)部中間區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)高，兩側(cè)響應(yīng)小。為了便于電氣互連，把印制板模塊置于中間位置，導(dǎo)致輸入給印制板模塊的振動(dòng)量級(jí)高。如圖11所示，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，協(xié)同電氣專業(yè)優(yōu)化電氣互連方案，把印制板模塊改進(jìn)安裝到機(jī)箱振動(dòng)響應(yīng)小的位置（后文簡(jiǎn)稱改進(jìn)安裝機(jī)箱）。雖然P1點(diǎn)在Y方向的響應(yīng)值最??；但P7點(diǎn)在X、Z方向的響應(yīng)值最小，在Y方向的響應(yīng)值僅略大于P1點(diǎn)；而且印制板的最大變形發(fā)生在X方向，因此選擇P7處用于安裝印制板模塊。

圖11 改進(jìn)印制板模塊的安裝

2.3 改進(jìn)安裝機(jī)箱的隨機(jī)振動(dòng)分析

對(duì)改進(jìn)安裝機(jī)箱進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，如圖12所示，計(jì)算了機(jī)箱承受3個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)載荷時(shí)的印制板的變形。從圖12可知，改進(jìn)安裝后，印制板的最大變形發(fā)生在X方向受載時(shí)，其值為0.207 mm。與初步安裝的印制板變形值相比，減小了50.5%，并且滿足印制板的變形要求。改進(jìn)安裝后，Y方向受載時(shí)，與初步安裝的變形值（0.393 mm）相比，印制板的最大變形大幅降低為0.052 mm，這說(shuō)明選擇P7點(diǎn)位安裝印制板模塊，不影響印制板在Y方向的使用。

圖12 改進(jìn)安裝后的印制板變形云圖

針對(duì)改進(jìn)方式受限，在不影響電氣性能的前提下，通過(guò)不同專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)模塊進(jìn)行了較小的改進(jìn)，滿足了印制板的安裝要求。這種根據(jù)機(jī)箱內(nèi)部的振動(dòng)響應(yīng)分布不均勻的特點(diǎn)，搜索低量級(jí)響應(yīng)區(qū)域用于安裝振動(dòng)敏感型設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法降低了機(jī)箱的設(shè)計(jì)、裝機(jī)難度。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）利用有限元分析獲得了印制板的變形特征和機(jī)箱內(nèi)部的加速度響應(yīng)分布。

（2）通過(guò)增加印制板在模塊內(nèi)部的安裝剛度，改進(jìn)印制板模塊在機(jī)箱內(nèi)的布局，使印制板的最大變形減小了50.5%，滿足了使用要求。

（3）根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)在機(jī)箱內(nèi)部分布不均勻的特點(diǎn)，搜索低量級(jí)響應(yīng)區(qū)域用于安裝振動(dòng)敏感型設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法降低了機(jī)箱的設(shè)計(jì)、裝機(jī)難度。

本文僅對(duì)機(jī)箱典型區(qū)域的加速度響應(yīng)值進(jìn)行了分析，有必要對(duì)機(jī)箱內(nèi)其它區(qū)域的加速度響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度。