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印制电路板有限元分析及其优化设计

李春洋  
【摘要】: 电子设备在运输、贮存和使用过程中不可避免的要受到振动、冲击等环境应力的作用,在这种恶劣的环境下,电子设备的可靠性面临着严峻的考验。印制电路板是电子设备的重要组成部分,电子设备的大部分缺陷都来源于印制电路板,其可靠性对电子设备至关重要。因此,为了保证印制电路板的高可靠性,就必须在印制电路板的设计和振动分析过程中,考虑以下问题:①印制电路板的固有频率是多少,使用中是否会发生共振破坏?②印制电路板的动态特性如何,薄弱环节在哪里?③印制电路板结构中存在的可靠性问题如何改进? 本文以计算机电源印制电路板为对象,利用有限元方法对该印制电路板进行动力学分析和疲劳寿命分析,并进行优化设计。针对上面提出的三个问题和有限元方法的特点,分以下四个方面进行研究: 1.建立有限元模型。建模是有限元分析的第一步,由于该印制电路板比较复杂,因此在进行合理简化的前提下,依据印制电路板建模的常用方法,建立了该印制电路板的有限元模型。 2.验证有限元模型。有限元模型建立之后,不能直接进行动力学分析,因为建模过程未必正确,而且模型中的简化处理也未必合理,因此,从两个方面对有限元模型进行验证:①对有限元模型进行静力分析,以验证建模过程的正确性。静力分析结果显示,印制电路板的材料参数和单元特性等设置正确,变形较为合理,建模过程是正确的。②对印制电路板进行试验模态分析与解析模态分析,验证有限元模型的合理性。由于在建立该印制电路板的有限元模型时简化较多,仿真和试验结果的一致性不很理想。为此,对该印制电路板不同区域的弹性模量进行了修改,结果有较大改善。 3.动力学分析和疲劳寿命分析。为分析该印制电路板可靠性及设计缺陷,需对修改过的有限元模型进行模态分析、频率响应分析、随机振动分析及疲劳寿命分析,以全面了解该印制电路板的动态特性(包括:印制电路板的固有频率、随机振动响应情况),以及存在的薄弱环节。通过分析得出:该印制电路板的第一阶固有频率为57 Hz;在印制电路板第一阶固有频率处,系统的响应最大,是输入的24.7倍;印制电路板的薄弱环节为大线圈的管脚、散热片支撑和三极管的管脚。 4.优化设计。针对该印制电路板第一阶固有频率偏低的设计缺陷,本文从材料特性、管脚尺寸、安装方式和元器件布局等方面进行了优化设计。通过改进设计,可以将印制电路板第一阶固有频率提高到225 Hz。


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