【應用】ANSYS動力學分析在電子行業(yè)的應用

2016-10-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網

在電子通訊產品設計過程中,除了面臨常見的產品結構的強度設計問題外,還經常碰到載體與電子產品的振動可靠性問題。如今可靠性在電子產品設計中的地位可以與技術指標相提并論,如何保證和提高各種電子產品的可靠性已經成為國內外電子產業(yè)界的共同目標。由于試驗條件限制以及試驗成本與周期等因素影響,使得采用試驗方法的電子產品可靠性研究進展緩慢。得益于計算機硬件的迅速提高,使得采用有限元方法的仿真分析得到快速發(fā)展,其具有可重復性好、周期短、成本低等優(yōu)點。

對于電子產品的可靠性設計,使用ANSYS軟件對其進行振動仿真分析,將仿真分析和試驗兩種手段充分結合起來,可以保證新產品的設計質量和可靠性。對于電子產品的試驗有模態(tài)試驗、正弦振動試驗、半正弦沖擊試驗、隨機振動試驗。ANSYS軟件與之對應的動力學分析類型主要包括:模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)分析、響應譜分析和隨機振動分析。

模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性,即結構的固有頻率和振型,它們是可靠性設計中的重要參數。同時,也可以作為其它動力學分析的起點,即模態(tài)分析是進行譜分析、諧響應分析及隨機振動分析所必需的前期分析過程。

模態(tài)分析是一個線性分析,任何非線性特性將被忽略,如材料非線性、接觸非線性等。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法,它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、PCG Lanczos法、Supermode法、非對稱法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允許在結構中存在阻尼。

通過模態(tài)分析,可以得到:

• 計算模型的固有頻率、振型、參與因子等,某電子產品的模態(tài)計算如下圖1所示。

• 模態(tài)分析功能對于如何合理改進板卡、電路板等產品的抗振性設計也提供了可靠的定性依據。

圖1 某電子產品的模態(tài)分析

諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應。分析的目的是計算出結構在指定頻率范圍內的響應,并得到響應值(通常是位移)與頻率的關系曲線。從這些曲線上能夠找到“峰值”響應,可以進一步觀察峰值頻率的應力。該技術只計算結構的穩(wěn)態(tài)受迫振動,而不考慮發(fā)生在激勵開始時的瞬態(tài)振動。諧響應分析使設計人員能預測結構的持續(xù)動力特性,從而使設計人員能夠驗證其設計能否成功地克服共振、疲勞,及其它受迫振動引起的有害后果。

諧響應分析同樣是一種線性分析。任何非線性特性,如塑性和接觸(間隙)單元,即使定義了也將被忽略。分析中可以包含非對稱系統(tǒng)矩陣,如分析流體-結構相互作用問題。諧響應分析也可以包含預應力結構,如小提琴的共鳴頻率(假定簡諧應力比預加的拉伸應力小得多)。

諧響應分析可以實現(xiàn):

• 通過掃頻試驗模擬,找到結構最大響應的峰值頻率;

• 計算在掃頻過程中,結構的最大變形和應力水平,是否滿足強度要求。

瞬態(tài)動力學分析(亦稱時間歷程分析)是用于確定結構承受任意隨時間變化載荷的動力學響應。可以用瞬態(tài)動力學分析確定結構在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷等隨意組合作用下的位移、應變、應力及力。載荷和時間的相關性使慣性力和阻尼作用比較重要,如果慣性力和阻尼作用可以忽略,則可以用靜力學分析代替瞬態(tài)分析。

瞬態(tài)分析與實際產品試驗中的半正弦沖擊試驗相對應,下表1為某電子產品的激勵邊界,圖3為其計算結果。

表1 計算邊界條件

圖3 某電子產品的瞬態(tài)動力學分析

譜分析是一種將模態(tài)分析的結果與一個已知的譜聯(lián)系起來計算模型的位移和應力的分析技術。譜分析替代時間-歷程分析,主要用于確定結構對隨機載荷或隨時間變化載荷(如地震、風載、海洋波浪、噴氣發(fā)動機推力、火箭發(fā)動機振動等等)的動力響應情況。

隨機振動分析是一種基于概率和統(tǒng)計上的譜分析技術。由于時間歷程的不確定性,不能選擇瞬態(tài)分析,因此,將統(tǒng)計樣本時間歷程轉變?yōu)楣β首V密度函數(PSD)---一種載荷時間歷程的統(tǒng)計響應。

隨機振動分析與實際產品的隨機振動試驗相對應。

圖4 某電子產品的隨機振動分析

電子行業(yè)的仿真分析,必須考慮動力學分析。電子設備工作狀態(tài)下,其內部的零部件會產生一定的振動,這種振動又會影響到整個電子設備。所以采用ANSYS動力學分析模塊對電子設備進行分析,通過仿真分析和試驗分析相結合,為電子產品的設計和可靠性分析提供強有力的支撐。

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