文档介绍：基于模态试验的PCB板简化建模方法
王永振姚建军袁大义
(北京自动化控制设备研究所,中国北京,100074)
摘要:本文提出了一种基于模态实验建立PCB板简化模型的方法,该方法能够很好地解决模型精度与模型复杂度之间的矛盾,比较适合于安装有多块印制电路板且电路板固有特性对系统整体固有特性的影响不容忽视的复杂电子系统结构动力学有限元模型的建立。
关键词:PCB;模态试验;简化建模;LMS
前言
电子产品的振动可靠性问题是日前国内外航空航天领域非常关注的重点之一。据统计,在导致机载(弹载)电子设备故障中,振动因数己经占到27%,而印制电路板(PCB)又是振动问题的核心[1]。在振动环境下, 印制板的动态性能是整个电子设备工作可靠性的关键因素,因此, 必须重视PCB 动力学性能的研究和改进。
由于电路板的结构、材料、元器件分布等比较复杂,加上不同系统的电路板边界条件不同,都会影响电路板的频率和振型,因此,正确建立电路板有限元模型是获得其准确的动力学特性的基础。通常印制电路板的有限元建模方法主要有以下几种[2]:
简单成型法:不考虑电路板上的器件;
总质量等效法:考虑电路板的质量,不考虑元器件刚度的影响;
总质量、刚度等效法:考虑总的等效刚度和等效质量;
局部等效法:对局部的区域分别求局部的等效刚度和等效质量;
直接有限元成型法:对整个印制电路板直接建立有限元模型。
对于复杂电子系统,前3种方法无法准确获取电路板振动特性对系统的影响;第4种方法在分析印制电路板的频率响应和疲劳寿命时显得不足;第5种方法能够详细地分析印制电路板上各个位置的受力和变形情况,缺点是计算量过大。由于很多系统印制电路板数量较多且比较复杂,直接建立有限元模型比较困难,计算比较费时。为此,本文提出一种简化建模方法,以克服上述几种建模方法的不足。
PCB仿真模型的建立
一般情况下,电路板所用元器件种类较多,且不同电路板之间元器件的分布没有规律,因此,建立电路板的三维模型往往比较烦琐,尤其是在系统方案阶段,没有电路板的实物,建立三维模型更加困难。由于印制板材料除了基材外还有印刷铜导线、各种孔,铜导线的存在对印制板的材料特性有影响,本文首先通过模态试验获得印制板的材料特性,建立印制板的有限元模型,然后,在印制板上分别建立元器件封装的有限元模型。封装有限元模型的材料参数与封装材料参数一致。封装有限元模型与印制板有限元模型之间的连接分两种情况:对直插式封装采用点Glue的方式连接,对表面粘贴式封装则采用面Glue的方式连接。
电路板的建模过程如图1所示,首先从Mentor软件中将电路板的PCB模型以IDF格式导出,接着把IDF格式的文件导入UG软件形成电路板的三维实体模型,然后以Parasolid格式导出实体模型到Patran软件建立PCB的仿真模型。图2所示为采用上述方法建立的某电路板的三维实体模型和有限元模型。
图1 电路板仿真模型的建立过程
图2 电路板的实体模型和有限元模型
试验方案及结果分析
研究方案
模态试验是获取结构动态特性的重要手段。由于印制板材料除了基材外还有印刷铜导线,铜导线的存在对印制板的材料特性有影响,且印刷铜导线随印制板的变化而变化,本文首先通过模态试验测量多块印制板的谐振频率和振型,然后通过有限元仿真,调整印制板的材料特性参数,拟合