【應(yīng)用】ANSYS動力學(xué)分析在電子行業(yè)的應(yīng)用

2016-10-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

在電子通訊產(chǎn)品設(shè)計過程中,除了面臨常見的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計問題外,還經(jīng)常碰到載體與電子產(chǎn)品的振動可靠性問題。如今可靠性在電子產(chǎn)品設(shè)計中的地位可以與技術(shù)指標(biāo)相提并論,如何保證和提高各種電子產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)成為國內(nèi)外電子產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。由于試驗條件限制以及試驗成本與周期等因素影響,使得采用試驗方法的電子產(chǎn)品可靠性研究進(jìn)展緩慢。得益于計算機(jī)硬件的迅速提高,使得采用有限元方法的仿真分析得到快速發(fā)展,其具有可重復(fù)性好、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

對于電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計,使用ANSYS軟件對其進(jìn)行振動仿真分析,將仿真分析和試驗兩種手段充分結(jié)合起來,可以保證新產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和可靠性。對于電子產(chǎn)品的試驗有模態(tài)試驗、正弦振動試驗、半正弦沖擊試驗、隨機(jī)振動試驗。ANSYS軟件與之對應(yīng)的動力學(xué)分析類型主要包括:模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析、響應(yīng)譜分析和隨機(jī)振動分析。

模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,它們是可靠性設(shè)計中的重要參數(shù)。同時,也可以作為其它動力學(xué)分析的起點(diǎn),即模態(tài)分析是進(jìn)行譜分析、諧響應(yīng)分析及隨機(jī)振動分析所必需的前期分析過程。

模態(tài)分析是一個線性分析,任何非線性特性將被忽略,如材料非線性、接觸非線性等。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法,它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、PCG Lanczos法、Supermode法、非對稱法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。

通過模態(tài)分析,可以得到:

• 計算模型的固有頻率、振型、參與因子等,某電子產(chǎn)品的模態(tài)計算如下圖1所示。

• 模態(tài)分析功能對于如何合理改進(jìn)板卡、電路板等產(chǎn)品的抗振性設(shè)計也提供了可靠的定性依據(jù)。

圖1 某電子產(chǎn)品的模態(tài)分析

諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。分析的目的是計算出結(jié)構(gòu)在指定頻率范圍內(nèi)的響應(yīng),并得到響應(yīng)值(通常是位移)與頻率的關(guān)系曲線。從這些曲線上能夠找到“峰值”響應(yīng),可以進(jìn)一步觀察峰值頻率的應(yīng)力。該技術(shù)只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動,而不考慮發(fā)生在激勵開始時的瞬態(tài)振動。諧響應(yīng)分析使設(shè)計人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性,從而使設(shè)計人員能夠驗證其設(shè)計能否成功地克服共振、疲勞,及其它受迫振動引起的有害后果。

諧響應(yīng)分析同樣是一種線性分析。任何非線性特性,如塑性和接觸(間隙)單元,即使定義了也將被忽略。分析中可以包含非對稱系統(tǒng)矩陣,如分析流體-結(jié)構(gòu)相互作用問題。諧響應(yīng)分析也可以包含預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),如小提琴的共鳴頻率(假定簡諧應(yīng)力比預(yù)加的拉伸應(yīng)力小得多)。

諧響應(yīng)分析可以實現(xiàn):

• 通過掃頻試驗?zāi)M,找到結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)的峰值頻率;

• 計算在掃頻過程中,結(jié)構(gòu)的最大變形和應(yīng)力水平,是否滿足強(qiáng)度要求。

瞬態(tài)動力學(xué)分析(亦稱時間歷程分析)是用于確定結(jié)構(gòu)承受任意隨時間變化載荷的動力學(xué)響應(yīng)?？梢杂盟矐B(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷等隨意組合作用下的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時間的相關(guān)性使慣性力和阻尼作用比較重要,如果慣性力和阻尼作用可以忽略,則可以用靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)分析。

瞬態(tài)分析與實際產(chǎn)品試驗中的半正弦沖擊試驗相對應(yīng),下表1為某電子產(chǎn)品的激勵邊界,圖3為其計算結(jié)果。

表1 計算邊界條件

圖3 某電子產(chǎn)品的瞬態(tài)動力學(xué)分析

譜分析是一種將模態(tài)分析的結(jié)果與一個已知的譜聯(lián)系起來計算模型的位移和應(yīng)力的分析技術(shù)。譜分析替代時間-歷程分析,主要用于確定結(jié)構(gòu)對隨機(jī)載荷或隨時間變化載荷(如地震、風(fēng)載、海洋波浪、噴氣發(fā)動機(jī)推力、火箭發(fā)動機(jī)振動等等)的動力響應(yīng)情況。

隨機(jī)振動分析是一種基于概率和統(tǒng)計上的譜分析技術(shù)。由于時間歷程的不確定性,不能選擇瞬態(tài)分析,因此,將統(tǒng)計樣本時間歷程轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V密度函數(shù)(PSD)---一種載荷時間歷程的統(tǒng)計響應(yīng)。

隨機(jī)振動分析與實際產(chǎn)品的隨機(jī)振動試驗相對應(yīng)。

圖4 某電子產(chǎn)品的隨機(jī)振動分析

電子行業(yè)的仿真分析,必須考慮動力學(xué)分析。電子設(shè)備工作狀態(tài)下,其內(nèi)部的零部件會產(chǎn)生一定的振動,這種振動又會影響到整個電子設(shè)備。所以采用ANSYS動力學(xué)分析模塊對電子設(shè)備進(jìn)行分析,通過仿真分析和試驗分析相結(jié)合,為電子產(chǎn)品的設(shè)計和可靠性分析提供強(qiáng)有力的支撐。

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