【應(yīng)用】ANSYS動(dòng)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(jì)過程中,除了面臨常見的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題外,還經(jīng)常碰到載體與電子產(chǎn)品的振動(dòng)可靠性問題。如今可靠性在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外電子產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。由于試驗(yàn)條件限制以及試驗(yàn)成本與周期等因素影響,使得采用試驗(yàn)方法的電子產(chǎn)品可靠性研究進(jìn)展緩慢。得益于計(jì)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(duì)于電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì),使用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)仿真分析,將仿真分析和試驗(yàn)兩種手段充分結(jié)合起來,可以保證新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性。對(duì)于電子產(chǎn)品的試驗(yàn)有模態(tài)試驗(yàn)、正弦振動(dòng)試驗(yàn)、半正弦沖擊試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。ANSYS軟件與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)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(dòng)分析。

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,它們是可靠性設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí),也可以作為其它動(dòng)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(dòng)分析所必需的前期分析過程。

模態(tài)分析是一個(gè)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(duì)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(jì)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(jì)算如下圖1所示。

• 模態(tài)分析功能對(duì)于如何合理改進(jìn)板卡、電路板等產(chǎn)品的抗振性設(shè)計(jì)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(shí)間按正弦(簡(jiǎn)諧)規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。分析的目的是計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng),而不考慮發(fā)生在激勵(lì)開始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)。諧響應(yīng)分析使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性,從而使設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證其設(shè)計(jì)能否成功地克服共振、疲勞,及其它受迫振動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn):

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

• 計(jì)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(dòng)力學(xué)分析(亦稱時(shí)間歷程分析)是用于確定結(jié)構(gòu)承受任意隨時(shí)間變化載荷的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)?？梢杂盟矐B(tài)動(dòng)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(jiǎn)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(shí)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(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)中的半正弦沖擊試驗(yàn)相對(duì)應(yīng),下表1為某電子產(chǎn)品的激勵(lì)邊界,圖3為其計(jì)算結(jié)果。

表1 計(jì)算邊界條件

圖3 某電子產(chǎn)品的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

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

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

隨機(jī)振動(dòng)分析與實(shí)際產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)。

圖4 某電子產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)分析

電子行業(yè)的仿真分析,必須考慮動(dòng)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(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng),這種振動(dòng)又會(huì)影響到整個(gè)電子設(shè)備。所以采用ANSYS動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行分析,通過仿真分析和試驗(yàn)分析相結(jié)合,為電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和可靠性分析提供強(qiáng)有力的支撐。

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