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摘 要:本文对电子设备组件在振动实验中存在的可靠性问题进行了研究,搭建了实验模态分析系统,研究了振动信号处理和模态参数提取方法,进行了实验模态分析。验证了有限元建模方法的正确性,分析了目标电子设备的动态特性。在此基础上,对电子设备组件进行了简单的硬振设计,提高了它的振动可靠性,为电子设备结构设计人员提供了参考依据。
关键词:电子设备 振动特性 模态分析 抗振设计
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)07(b)-0009-02
电子设备在工作、运输与储存过程中,受到各种机械力—振动、冲击及摩擦力的作用,其中振动与冲击对设备的危害最大。若设备长期受振动或冲击作用,会产生疲劳损坏,元器件引线或焊点断裂,引起电回路失谐等[1,2]。由于机电系统小型化和轻量化,振动和冲击对机电系统的影响已变得非常突出,因此有必要探索在振动环境中去掉外部减振器的实现方法。本文以电子设备为主要对象,进行模态分析,动力学分析和进行振动实验,并进行相应的减振措施,提高其抗振动和冲击的能力,实现去减振器和结构小型化,达到电子设备硬装的目的。
1 模态分析理论基础
模态分析是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法,是研究系统的物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系,并确定这些模型的理论及其应用的一门学科[3]。模态分析是在振动理论、信号分析、数据处理、自动控制、测试技术与计算机等学科基础上发展起来的新兴学科,20世纪70年代到80年代中期,是模态分析理论及技术实现的成熟阶段,并逐步在各工程领域内应用[4]。由于计算机技术、高速数据采集系统以及振动传感器等技术的发展,试验模态分析得到了很快的发展,已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。模态分析提供了研究各种实际结构振动的有效途径[5],用模态分析理论通过对试验传递函数的曲线拟合,识别出结构物的模态参数,建立起结构物的模态模型。
2 电子设备组件模态测试
电子设备整机由多个组件组成,分别对各组件进行测试,这里仅介绍一个组件的测试过程,其他的操作类似,电子设备的组件是集中在铝底板上的组装件。要得到系统的模态参数,必须对被测对象进行实验测试,得到其响应信号,便可以对其进行参数识别,得到所需要的机械特征值。在测试过程中,除了要了解整个测试流程,包括测试平台的搭建,被测对象的装夹,所使用软件的设置等,还要了解如何验证平台以及器件的有效性。
2.1 实验测试设备介绍
主要实验仪器有:(1)江苏联能电动力式激振台JZK-40;(2)动态信号分析仪(Signalcalc730),具有实时多通道信号采集及处理能力;(3)激光扫描测振仪(Polytec scanning vibrometer PSV-200);(4)SINOCEAR功率放大器;(5)压型电力锤和多种灵敏度类型的压电型加速度传感器;(6)数据处理计算机。软件采用SIGNALCAL 730数据采集软件—具有自功率谱、传递函数、冲击谱等模块,可进行模态测试数据采集及初步数据处理。实验测试平台如图1所示。
2.2 主要仪器校准与检验
在进行实验测试之前,需要了解试验设备的性能及使用条件,使其能工作在较佳的状态,确保测试结果具有一定的准确性。激振台和激光测振仪是电子设备模态测试的非常重要部分,有必要在试验前对其校检。
3 电子设备组件模态分析与测试试验
为了检验振动实验设备和验证实验的正确性,设置了组件铝板的自由模态振动测试实验,由于铝板的外形简单且规则,有限元分析会很准确,可根据有限元分析为准验证试验测试的准确程度,采用力锤激励实验及电动激振器激励试验,图2。
铝板的有限元模态分析与实验模态分析结果比较如表1。
通過对两种实验方法对铝板进行试验模态分析结果和有限元模态分析结果对比可以知,力锤激励和激振台激励都能比较准确地得出铝板的模态参数,与有限元分析匹配的平均误差分别在3.8%和3.6%左右。但从振型的对比可以看出激振台的激励方式获得更好的模态振型,便于观察振型引起被测对象的变化。
4 电子设备组件减震设计
在模态分析的基础上对设备进行结构动力学修改,通过实验得到组件的动力学特性对整机的动态性能频率等方面的影响,并通过改变结构来优化设计,得到所需的动态特性。运用阻尼减振来进行对电子设备进行减振设计,由于约束阻尼具有较好的减振效果,而且对材料的阻尼大小要求相对自由阻尼结构而言要低一些,因此内部阻尼器采用约束阻尼结构,如图3所示。
其由尺寸为164mm×5mm×1mm的玻璃布板弹性层和同样尺寸硅橡胶阻尼层粘合而成,安装于铝制外围框和主印制板间,而印制板另一面加垫尺寸为φ5mm×2mm的硅橡胶柱。采用双弹性层的约束阻尼结构形式应用于组件的印制板和铝制外框间的两边(如图4),该阻尼结构具有小尺寸和结构简单的特点。
白噪声随机振动激励测试结果显示阻尼结构有一定的振动隔离效果(如图5),并具有改进优化的潜力。图中线1为未加阻尼器的响应曲线,线2为加了内部阻尼器后的响应曲线。测试结果显阻尼结构在高频(1000Hz以上)具有较好的减振效果,但在中低频段的减振效果不是特别理想;同时阻尼器的预紧压力大小会明显影响到低频段的减振效果。
5 结语
电子设备的振动可靠性越来越受到人们的重视,包含印制电路板与集成电路组件的电子设备是振动的核心部件。本论文对实验模态测试,实验模态参数提取,结构动力学修改及硬振设计等方面做出了许多有益的研究。对一般的电子设备振动可靠性问题进行了一系列研究,找到了一些有针对性的规律,为电子设备设计人员有一定的依据可以参考,为提高电子设备的振动可靠性打下坚实的基础。
参考文献
[1] Brian J.Schwarz, Mark H.Richardson. Experimental Modal Analysis.CSI Reliability Week.October,1999,36(3):30～32.
[2] J.H.金斯伯格.白化同，李俊宝[译].机械与结构振动—理论与应用[M].北京:中国宇航出版社,2005:101～104.
[3] 傅志方.振动模态分析与参数辨识[M].北京:机械工业出版社,1990:2～3.
[4] 李玉盛，严学书.车床结构试验模态分析及可靠性[J].渝州大学学报,1995,11(3):47～48.
[5] 李金泉，丁洪生，付铁，等.BKX-I型并联机床的实验模态分析[J].制造技术与机床,2004(5):35～38.
关键词:电子设备 振动特性 模态分析 抗振设计
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)07(b)-0009-02
电子设备在工作、运输与储存过程中,受到各种机械力—振动、冲击及摩擦力的作用,其中振动与冲击对设备的危害最大。若设备长期受振动或冲击作用,会产生疲劳损坏,元器件引线或焊点断裂,引起电回路失谐等[1,2]。由于机电系统小型化和轻量化,振动和冲击对机电系统的影响已变得非常突出,因此有必要探索在振动环境中去掉外部减振器的实现方法。本文以电子设备为主要对象,进行模态分析,动力学分析和进行振动实验,并进行相应的减振措施,提高其抗振动和冲击的能力,实现去减振器和结构小型化,达到电子设备硬装的目的。
1 模态分析理论基础
模态分析是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法,是研究系统的物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系,并确定这些模型的理论及其应用的一门学科[3]。模态分析是在振动理论、信号分析、数据处理、自动控制、测试技术与计算机等学科基础上发展起来的新兴学科,20世纪70年代到80年代中期,是模态分析理论及技术实现的成熟阶段,并逐步在各工程领域内应用[4]。由于计算机技术、高速数据采集系统以及振动传感器等技术的发展,试验模态分析得到了很快的发展,已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。模态分析提供了研究各种实际结构振动的有效途径[5],用模态分析理论通过对试验传递函数的曲线拟合,识别出结构物的模态参数,建立起结构物的模态模型。
2 电子设备组件模态测试
电子设备整机由多个组件组成,分别对各组件进行测试,这里仅介绍一个组件的测试过程,其他的操作类似,电子设备的组件是集中在铝底板上的组装件。要得到系统的模态参数,必须对被测对象进行实验测试,得到其响应信号,便可以对其进行参数识别,得到所需要的机械特征值。在测试过程中,除了要了解整个测试流程,包括测试平台的搭建,被测对象的装夹,所使用软件的设置等,还要了解如何验证平台以及器件的有效性。
2.1 实验测试设备介绍
主要实验仪器有:(1)江苏联能电动力式激振台JZK-40;(2)动态信号分析仪(Signalcalc730),具有实时多通道信号采集及处理能力;(3)激光扫描测振仪(Polytec scanning vibrometer PSV-200);(4)SINOCEAR功率放大器;(5)压型电力锤和多种灵敏度类型的压电型加速度传感器;(6)数据处理计算机。软件采用SIGNALCAL 730数据采集软件—具有自功率谱、传递函数、冲击谱等模块,可进行模态测试数据采集及初步数据处理。实验测试平台如图1所示。
2.2 主要仪器校准与检验
在进行实验测试之前,需要了解试验设备的性能及使用条件,使其能工作在较佳的状态,确保测试结果具有一定的准确性。激振台和激光测振仪是电子设备模态测试的非常重要部分,有必要在试验前对其校检。
3 电子设备组件模态分析与测试试验
为了检验振动实验设备和验证实验的正确性,设置了组件铝板的自由模态振动测试实验,由于铝板的外形简单且规则,有限元分析会很准确,可根据有限元分析为准验证试验测试的准确程度,采用力锤激励实验及电动激振器激励试验,图2。
铝板的有限元模态分析与实验模态分析结果比较如表1。
通過对两种实验方法对铝板进行试验模态分析结果和有限元模态分析结果对比可以知,力锤激励和激振台激励都能比较准确地得出铝板的模态参数,与有限元分析匹配的平均误差分别在3.8%和3.6%左右。但从振型的对比可以看出激振台的激励方式获得更好的模态振型,便于观察振型引起被测对象的变化。
4 电子设备组件减震设计
在模态分析的基础上对设备进行结构动力学修改,通过实验得到组件的动力学特性对整机的动态性能频率等方面的影响,并通过改变结构来优化设计,得到所需的动态特性。运用阻尼减振来进行对电子设备进行减振设计,由于约束阻尼具有较好的减振效果,而且对材料的阻尼大小要求相对自由阻尼结构而言要低一些,因此内部阻尼器采用约束阻尼结构,如图3所示。
其由尺寸为164mm×5mm×1mm的玻璃布板弹性层和同样尺寸硅橡胶阻尼层粘合而成,安装于铝制外围框和主印制板间,而印制板另一面加垫尺寸为φ5mm×2mm的硅橡胶柱。采用双弹性层的约束阻尼结构形式应用于组件的印制板和铝制外框间的两边(如图4),该阻尼结构具有小尺寸和结构简单的特点。
白噪声随机振动激励测试结果显示阻尼结构有一定的振动隔离效果(如图5),并具有改进优化的潜力。图中线1为未加阻尼器的响应曲线,线2为加了内部阻尼器后的响应曲线。测试结果显阻尼结构在高频(1000Hz以上)具有较好的减振效果,但在中低频段的减振效果不是特别理想;同时阻尼器的预紧压力大小会明显影响到低频段的减振效果。
5 结语
电子设备的振动可靠性越来越受到人们的重视,包含印制电路板与集成电路组件的电子设备是振动的核心部件。本论文对实验模态测试,实验模态参数提取,结构动力学修改及硬振设计等方面做出了许多有益的研究。对一般的电子设备振动可靠性问题进行了一系列研究,找到了一些有针对性的规律,为电子设备设计人员有一定的依据可以参考,为提高电子设备的振动可靠性打下坚实的基础。
参考文献
[1] Brian J.Schwarz, Mark H.Richardson. Experimental Modal Analysis.CSI Reliability Week.October,1999,36(3):30～32.
[2] J.H.金斯伯格.白化同，李俊宝[译].机械与结构振动—理论与应用[M].北京:中国宇航出版社,2005:101～104.
[3] 傅志方.振动模态分析与参数辨识[M].北京:机械工业出版社,1990:2～3.
[4] 李玉盛，严学书.车床结构试验模态分析及可靠性[J].渝州大学学报,1995,11(3):47～48.
[5] 李金泉，丁洪生，付铁，等.BKX-I型并联机床的实验模态分析[J].制造技术与机床,2004(5):35～38.