可靠性仿真試驗方法簡介——振動篇

1、北京航空航天大學(xué)可靠性工程研究所莎紇，»丿、.gir'Zl V：可靠性仿真試驗方法簡介李傳日lichuanri 主要內(nèi)容振動仿試驗的意義振動仿真試驗的意義嫖求需要我們應(yīng)該在設(shè)計有沒統(tǒng)如集雜卿正面臨著巨大的挑戰(zhàn)！ ！階段就不疇鬻融合于性能設(shè)計的可靠，豊當(dāng)優(yōu)化是解決這一問題的最根本方法。傳統(tǒng)的可靠性增 砂設(shè)計冠改這種方法談卿醴方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新的電子元器件封裝 技術(shù)，這要求我們找到能夠在短期內(nèi)評估其可靠性的技 術(shù)?？煽啃岳碚摵图夹g(shù)的浚展數(shù)學(xué)認(rèn)為故障具宥隧機(jī)性、定敵障率指數(shù)分希和莢限看侖檬型 來描謎、對其可靠性蹄價塞褰聚鷹 J 欖擬驗逵驗逵和綾詵譚緒。故障物理的基

2、本思;基于故障物理的可靠性認(rèn)為：電子產(chǎn)品的任何故障必然是由特定的工作應(yīng)力或環(huán)境應(yīng)力引起的某種機(jī) 理造成的；化學(xué)電對于產(chǎn)品的任何故障均應(yīng)分析其原因，確定其故障位置.模式.故障機(jī) 理.造成故障的應(yīng)力并計算故障時間。故障模式零部件、子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)不能實現(xiàn)某種功能的某種表現(xiàn)方式。故障機(jī)理引發(fā)故障的物理、電學(xué)、化學(xué)、力學(xué)或其他過程。故障機(jī)理從微觀方面闡明故障的本質(zhì)、規(guī)律和原因，可以追朔到原子 、分子尺度和結(jié)構(gòu)上的變化。故障物理模型描述故障發(fā)生的時間與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、承受的應(yīng)力等之 間關(guān)系的模型。振動仿真試驗的定義振動仿真試驗基于故障物理（PoF）方法，利用電腦仿真工具 （有限元軟件）建立產(chǎn)品的

3、幾何特性、材料特性.邊界條件及振動剖面，計算出產(chǎn)品各節(jié)點/單元的位移.加速度及 應(yīng)力等，最后結(jié)合相關(guān)故障物理模型預(yù)計出產(chǎn)品的平均故 障首發(fā)時間。振動仿真試驗的意義通過振動仿真試驗，我們能解決什么 問題？實現(xiàn)電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計與性能設(shè)計相結(jié)合，脫離“兩張皮”的局面。將振動仿真試驗與模態(tài).隨機(jī)振動試驗相結(jié)合，能夠有效解決一些工程上較難處理的問題。發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在的缺陷，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供 修改的意見和建議，得到結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)解。主要內(nèi)容試驗的意義試驗的基本流程振動應(yīng)力分析的目的是獲得產(chǎn)品的振動模態(tài)及給定振動激勵條件的響應(yīng)分布，用于發(fā)現(xiàn)設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)以指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)，提高產(chǎn)品耐振動設(shè)計的合理

4、性。在獲得了加速度響應(yīng)均方根值及應(yīng)力響應(yīng)值等相關(guān)參數(shù)后，可結(jié)合故障物理模型給出首次失效時間，為產(chǎn)品可靠性預(yù)計提供參考?；拘畔⒔Y(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)備名稱.代號和說明結(jié)構(gòu)設(shè)計文件設(shè)備功能框圖及模塊性 能說明電路設(shè)計文件設(shè)備安裝位直及安裝方 式各模塊元器件淸單和 手冊單障物理模型基于應(yīng)力的疲勞模型累積損傷模型Steinberg經(jīng)驗?zāi)Ｐ驼駝討?yīng)力分析、N振型分析結(jié)果共振頻率和扳型加速度均方根值應(yīng)力云圖WK據(jù)振動載荷數(shù)出結(jié)果電路板失效機(jī)理設(shè)計改進(jìn)方案首次失效時間、才振動仿真試驗詳細(xì)過程1.收集產(chǎn)品的設(shè)計信息機(jī)箱各部分組件的材料信息“牌號，用來確定密度、楊氏模量和泊松比等 PCB設(shè)計信息Protel文件，用來導(dǎo)出元

5、器件的位置信息元器件清單“用來確定元器件的尺寸和重量信息各模塊和元器件的重量信息“有些器件的重量信息無法查詢振動仿真試驗的 詳細(xì) 流程2.建立產(chǎn)品的CAD模型和FEA模型（原始CAD模型要先進(jìn) 行簡化）設(shè)置網(wǎng)格尺寸和形狀選擇適當(dāng)?shù)膭澐址椒?，如自?映射.掃掠等FEA modelCAD model振動仿真試驗的 詳細(xì) 流程3進(jìn)行模態(tài)仿真試驗，查看共振頻率和模態(tài)振型Total DeformationTotal Deformation 2A: Modal (ANSYS)Total Deformation Type: Total Deformation Frequency: 115.44 Hz Uni

6、t; mmTime: 115442011/3/24 18:073263.7 Max2901.12538.52175.81813.21450.50.00A: Mochi (ANSYS)Total Deformation 2 Type: Total Deformation Frequency: 116.15 Hz Unit: mrnTime: 116.152011/3/24 18:071087.9725.27200.00400.00 (mm)3267 Max290425412178181514521089726.010.00400.00 (mm)200.00振動仿真試驗的 詳細(xì) 流程4進(jìn)行實物模態(tài)

7、試驗，利用模態(tài)試驗結(jié)果校正原模型仿真結(jié)果對比共振頻率和振型實物模態(tài)試驗校正仿真結(jié)果5.定義環(huán)境載荷，計算位移和加& ftandOM Vaxjtk>n <AN孰幻DrtCfiOMl /Scteler«on EQjidMQ Tfpei Dkeaofid Acceh。仙(X A-jj i £r«J F«rtar Vah: 1 Sgn-u Frcbebiitz 唧 0Ur<t:Sohbon CocrdiMtf 勿,tomTmeiO2C»1V3/K1«3速度均方根值«J0« M2Xme C-MOT

8、MT?42咖13603OMin加速度均方根值t Random Vib«4ti>h (ANSYJ) OrvdionJ Dtfocrrutinnrorgiwwg T ": Oricbonal Defer nation < X)$uJe foOcr Skirt 1 幺he P3如S如Ur«ti mSohCor* SrdzS 5yJW<r>TmeiO2M“"25 1V>U隨機(jī)振動剖面2J?M« «M*X 乙54?2Z 23如6W07.-6M鄧ZL2137ZUHW33t-7L52巧？M2Z41 We?SIU-?14

9、4We?0.3N 切MWD3561 竺d.725位移均方根值振動仿真試驗的 詳細(xì) 流程6.對PCB.元器件和焊點進(jìn)行應(yīng)力分析整機(jī)分析邊界載荷條件AM3焊點應(yīng)力分析主要內(nèi)容1振動仿真試驗的意義振動仿真試驗的基本流程模態(tài)試驗方法簡介利用實物模態(tài)試驗方法對航空電子機(jī)箱進(jìn)行動力學(xué)特性研究。模態(tài)試驗方法簡介進(jìn)行模態(tài)試驗的目的模態(tài)試驗結(jié)果更符合實際情況，我們將其作為標(biāo)準(zhǔn)來修正仿真結(jié)果保證仿真分析的準(zhǔn)確性保證了后續(xù)隨機(jī)振動響應(yīng)分析與故障預(yù)計分析的準(zhǔn)確性+ STARModal +錘擊法模態(tài)試驗原理與設(shè)備模態(tài)試驗方法簡介模態(tài)試驗關(guān)鍵流程準(zhǔn)備一遍布測試點，設(shè)定約束采集一信號采集，平均，記錄 分析一建模，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，

10、解算分析560"吃Frequeacv and Danping Points| Shapes Moial Assuruwe Criterion fc) Imac/7 =T冏1Mode123456189101112u151611.000010.070.040.010.G10.0?0.050.020.030.00.00.10.1QI20.011.000.030.00Q000.C10.010.010.000.020.00.0D.C0.00.030.070081.00.02Q030.070.010.01Q010.030.00.0010.0Q040.040000.021.00Q000.010.0

11、20.01Q010.010.00.00.C0.0Q050.010.00D.030.001.00D.C10.000.00Q010.040.00.0D.C0.0Q050.01001D.070.010.011C00.000.01M20.040.00.0DI0.0Q010.070010.010.02Q00D.CO1.0D0.02Q010.040.00.0O.C0.00.080.050010.010.010.000.010.021.00Q020.020.00.0O.C0.0Q090.020000.010.010.01D.C20.010.021000.020.D0.0010.0Q0100.000.020.

12、030.01訕0.C40.040.020.021.030.DnoO.C0.0Q0110.0Q00.00.00.0肛0.00.00.00.01.00.0DC0.0Q0120.00.C叫0.0Q00.C0.30.00.Co.q o.d1.0D.C0.0Q0如何對比試驗結(jié)果與仿真結(jié)果直接對比頻率值利用模態(tài)置信準(zhǔn)則（MAC）對比振型 模態(tài)置信矩陣是評價模態(tài)向量空間交角的一 個彳艮好的工具，其公式表達(dá)如下：其中，©和轉(zhuǎn)分別是第i階和第j階模態(tài)振 型。模態(tài)置信度矩陣第對角元越小，則說明各階計 算振型獨立性越好，反之則意味著各階計算振型相關(guān)性越大，相互影響越大。某試驗結(jié)果的模態(tài)置信準(zhǔn)則可以利用MA

13、C函數(shù)計算試驗和仿真結(jié)果對應(yīng) 模態(tài)的相關(guān)性，MAC為1表示試驗和仿真相關(guān)性最 好，MAC為0表示相關(guān)性最差。棋態(tài)試驗方法簡介模態(tài)試驗修正方法修正簡化后的模塊的材料屬性參數(shù);通過實物測量，修改部分器件尺寸與材料屬性；對局部的元器件進(jìn)行調(diào)整（補(bǔ)充原來省略的元器件模型）;對網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量與質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。模態(tài)試驗方法簡介電子機(jī)箱 振動仿真 分析仿真分析的結(jié)果修正流程圖主要內(nèi)容1h振動仿真試驗的意義A 振動仿真試驗的基本流程實物模態(tài)試驗介紹 振動仿真試驗實例介紹某型航空電子機(jī)箱振動仿真試驗機(jī)箱外形電路板夕卜形曲襄CAD蔣睦簡化模型一弓I腳簡化to 8質(zhì)量塊模型焊接帶模型Model1storder(Hz)2

14、nd order(Hz)3rd order(Hz)Element amountMass140.0266.833113773blockWelding149.6269.7336.426793-band頻率對比MAC簡化模型一輕元器件簡化頻率對比No.Mass level(g)Frequency(Hz)Mass ratio (%)Absolute value of frequency error(Hz)110115.414.5914.527.2135.113.305.183LI138.680.508.7541139.800.469.8750.3140.0001410.1 1st order x 2n

15、d order -0- 3rd order(ZH)AOUa)nb(DJ jooa)O05 o04o.簡化模型一小元器件簡化頻率對比No.Feature size level (mm)Frequency(Hz)Feature size ratio(%)Absolute value of frequency error(Hz)I29.1H5.4117.1214.5221.3136.6312.536.70315.9139.429.359.4948.9140.735.2410.857.3140.004.29lO.l1st order-* 2nd order3rd order4 2 0 8 6111(Z

16、H)AOU(DnbQ)J joo(L040.060.080.10.120.140.160.18feature size ratio1300No.Element size (mm)Element amount1st order frequency (Hz)1101165145.27252352138.6634347113&10435778136.325212765135.116125285134.47150lI' 1' ' '19%1I, , , , , ,111j, , , ,*11111451350.511.522.53amount of mesh elements(10,000)x 104(ZH)AOUa)nb(DJa)po -SL1300営>斜滿臺淋睦PCB自由 支撐條件下的結(jié)果對比PCB固支條件下的結(jié)果對比ModeFirst modeSecond modeThird modeTest frequency228.95365.22526.66Simulatio n freque ncy Test mode213.4375.58552.3Simulatio n modeMAC0.950.910.94PSD (q2/l Iz)o3:fa -Y：亠O電PSD <g2/Hz&g