电子设备动态性能有限元建模与优化方法研究

【摘要】：电子设备是现代工农业生产和人们日常生活中不可或缺的工具设备。随着电子设备向集成化、专业化和精密化方向发展,对结构动态性能的要求也越来越高。而电子设备结构动态性能分析与优化是现代电子设备结构性能评估和性能改进的重要方式。本论文针对电子设备结构动态性能有限元建模与优化中所面临的问题,进行了如下研究。 1)电子设备子结构建模方法研究 首先,提出了参数化子结构建模方法。该方法在实现对同类结构分析建模的同时,可大大减少建模工作量。其次,利用Numman级数和摄动理论分析了静力凝聚动态子结构方法中因自由度凝聚而产生的误差,并利用板状结构实例对主自由度的选择策略进行了对比分析研究,分析结论和理论分析吻合。 2)PCB板动态性能等效建模方法研究 首先,提出了基于有限元模型的PCB板动态性能等效建模方法。该方法利用原PCB板的几何主尺寸作为等效板的几何尺寸,采用单一均匀材料替代原材料,利用质量相等原则获得等效板的等效密度,并利用有限元理论和振动理论推导了基于有限元模型的等效刚度计算方法。同时分析了元器件质量和刚度对等效刚度的影响。其次,针对有限元建模困难或无法进行建模的复杂PCB板,提出了基于实验数据的PCB动态性能等效建模方法,并利用有限元理论和振动理论推导了等效刚度计算方法,同时分析了电子器件的支撑方式对等效刚度的影响。 3)PCB板最大频率支撑布局拓扑优化方法研究 基于PCB板支撑结构的特点,建立了最大频率支撑布局拓扑优化方法:利用无质量实体单元模拟支撑部分;利用自由度凝聚技术建立PCB板及其元器件的子结构模型,从而大大缩减了优化的计算量;利用渐进优化方法推导出结构支撑单元的删除敏度并建立了基于ANSYS的计算方法,并分析了支撑刚度对支撑布局优化的影响。最后通过实例验证了优化方法的正确性。 4)PCB板动态性能优化方法研究 首先,利用自由度凝聚技术和模态综合方法,建立面向元器件的PCB动态性能布局优化方法。在优化模型的求解上,考虑元器件之间的几何干涉问题,提出改进的遗传算法。其次,结合动态子结构建模分析方法和遗传算法,建立了PCB板支撑布局的优化方法,对支撑位置与PCB板节点不重合问题进行了研究,并结合ANSYS二次开发技术和遗传算法开发了求解程序。 5)电子设备结构有限元分析优化软件实现方法研究 针对电子设备结构分析优化软件实现中所面临的问题,建立了面向对象的二次开发软件实现方法。该方法可充分利用有限元分析软件资源,不需要进行有限元底层算法程序开发,开发效率高,且计算结果可得到保证。同时该方法采用了面向对象的思想,因而程序设计思路清晰,调试容易。 论文取得的主要的创新成果如下。 1)提出了一种基于有限元模型的PCB板等效建模方法 针对含有复杂PCB板的电子设备结构动态性能分析,提出了一种基于有限元模型的PCB板等效建模方法。该方法利用原PCB板的几何主尺寸作为等效板的几何尺寸,采用单一均匀材料替代原材料,利用质量相等原则获得等效板的等效密度,并利用有限元理论和振动理论推导了等效刚度计算方法。最后分析了元器件质量和刚度对等效刚度的影响。 2)提出了一种基于实验数据的PCB板动态性能等效方法 复杂PCB板,由于很难获得板上电子元器件的结构材料参数和结构形式,导致有限元建模比较困难或无法进行有限元建模。为此,提出了一种基于实验数据的PCB板动态性能等效建模方法。该方法利用原PCB板的几何主尺寸作为等效模型的几何尺寸,采用单一均匀材料替代原材料,利用质量相等原则获得等效模型的等效密度,在并利用有限元理论和振动理论对推导了等效刚度计算方法。最后分析了PCB板的支撑方式对等效刚度的影响,并利用实例计算验证了该方法的可行性能和正确性。 3)建立了PCB板最大频率支撑布局拓扑优化方法 PCB板的支持布局会影响其刚度分布,进而影响结构的模态频率。为此,建立了PCB板最大频率支撑拓扑优化方法。该方法利用自由度凝聚方法缩减优化模型计算量,利用渐进优化方法推导了单元删除敏度,并研究建立了基于ANSYS的计算实现方法。最后分析了支撑材料刚度对支撑拓扑优化的影响,并通过两个个优化实例验证了该方法的正确性。