【应用】ANSYS动力学分析在电子行业的应用

2016-10-25  by:CAE仿真在线  来源:互联网

在电子通讯产品设计过程中,除了面临常见的产品结构的强度设计问题外,还经常碰到载体与电子产品的振动可靠性问题。如今可靠性在电子产品设计中的地位可以与技术指标相提并论,如何保证和提高各种电子产品的可靠性已经成为国内外电子产业界的共同目标。由于试验条件限制以及试验成本与周期等因素影响,使得采用试验方法的电子产品可靠性研究进展缓慢。得益于计算机硬件的迅速提高,使得采用有限元方法的仿真分析得到快速发展,其具有可重复性好、周期短、成本低等优点。

对于电子产品的可靠性设计,使用ANSYS软件对其进行振动仿真分析,将仿真分析和试验两种手段充分结合起来,可以保证新产品的设计质量和可靠性。对于电子产品的试验有模态试验、正弦振动试验、半正弦冲击试验、随机振动试验。ANSYS软件与之对应的动力学分析类型主要包括:模态分析、谐响应分析、瞬态分析、响应谱分析和随机振动分析。

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性,即结构的固有频率和振型,它们是可靠性设计中的重要参数。同时,也可以作为其它动力学分析的起点,即模态分析是进行谱分析、谐响应分析及随机振动分析所必需的前期分析过程。

模态分析是一个线性分析,任何非线性特性将被忽略,如材料非线性、接触非线性等。ANSYS提供了七种模态提取方法,它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PCG Lanczos法、Supermode法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。

通过模态分析,可以得到:

• 计算模型的固有频率、振型、参与因子等,某电子产品的模态计算如下图1所示。

• 模态分析功能对于如何合理改进板卡、电路板等产品的抗振性设计也提供了可靠的定性依据。

图1 某电子产品的模态分析

谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳态响应。分析的目的是计算出结构在指定频率范围内的响应,并得到响应值(通常是位移)与频率的关系曲线。从这些曲线上能够找到“峰值”响应,可以进一步观察峰值频率的应力。该技术只计算结构的稳态受迫振动,而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性,从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳,及其它受迫振动引起的有害后果。

谐响应分析同样是一种线性分析。任何非线性特性,如塑性和接触(间隙)单元,即使定义了也将被忽略。分析中可以包含非对称系统矩阵,如分析流体-结构相互作用问题。谐响应分析也可以包含预应力结构,如小提琴的共鸣频率(假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多)。

谐响应分析可以实现:

• 通过扫频试验模拟,找到结构最大响应的峰值频率;

• 计算在扫频过程中,结构的最大变形和应力水平,是否满足强度要求。

瞬态动力学分析(亦称时间历程分析)是用于确定结构承受任意随时间变化载荷的动力学响应。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷等随意组合作用下的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使惯性力和阻尼作用比较重要,如果惯性力和阻尼作用可以忽略,则可以用静力学分析代替瞬态分析。

瞬态分析与实际产品试验中的半正弦冲击试验相对应,下表1为某电子产品的激励边界,图3为其计算结果。

表1 计算边界条件

图3 某电子产品的瞬态动力学分析

谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术。谱分析替代时间-历程分析,主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等等)的动力响应情况。

随机振动分析是一种基于概率和统计上的谱分析技术。由于时间历程的不确定性,不能选择瞬态分析,因此,将统计样本时间历程转变为功率谱密度函数(PSD)---一种载荷时间历程的统计响应。

随机振动分析与实际产品的随机振动试验相对应。

图4 某电子产品的随机振动分析

电子行业的仿真分析,必须考虑动力学分析。电子设备工作状态下,其内部的零部件会产生一定的振动,这种振动又会影响到整个电子设备。所以采用ANSYS动力学分析模块对电子设备进行分析,通过仿真分析和试验分析相结合,为电子产品的设计和可靠性分析提供强有力的支撑。

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