| 标题 | 螺栓紧固型印制板组件简化建模研究 |
| 范文 | 李思阳 陈丽丽 摘 要：螺栓紧固型印制电路板组件（PCBA）在航天领域应用广泛。为了仿真获得螺栓紧固型印制电路板组件的精确模态频率，提高分析效率，必须对螺栓接触中存在的复杂非线性行为进行简化建模处理。针对螺接型PCBA，提出螺栓连接的简化建模方案，利用ANSYS?Workbench仿真软件，在各方案下进行仿真模态分析。通过模态仿真与扫频试验数据的误差分析比较，得到了螺接型PCBA的高效准确的建模方案。利用该方案对螺接型PCBA简化建模，获得的模态分析结果和试验数据吻合很好。 关键词：印制板组件； 螺栓紧固； 简化建模； 模态仿真 中图分类号：TN911?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2013）02?0068?03 0 引 言 星载电子设备在运输、发射、工作过程中都要经历恶劣的振动环境，其振动可靠性问题一直是航天关注的焦点。印制电路板组件（PCBA）又是振动问题的核心。为提高印刷电路板组件的抗振性能，航天领域多采用螺栓紧固方式，将印制板与加强筋连接加固。但螺栓连接中存在摩擦、非线性边界约束及螺栓预紧力的影响[1?2]，给仿真获得螺接型PCBA的模态频率带来困难。不掌握结构的模态频率，避开外部激励频率，抗振问题就无从谈起[3]。因此在有限元仿真过程中，合理简化螺栓建模及接触，降低模态分析误差，对结构设计人员了解螺接型PCBA的动态特性，解决抗振问题具有重要意义。 本文针对螺栓紧固型PCBA，提出四种螺栓建模及接触简化方案。 在4种方案下，利用ANSYS?Workbench仿真软件，对目标PCBA分别建模仿真，得出仿真模态频率与试验数据的相对误差，并比较大小，从而提出分析精度高、时间省的建模方案。 1 螺栓紧固型PCBA模态分析 1.1 螺栓紧固型PCBA有限元建模 进行模态分析的有限元建模方案如下： 方案1：忽略螺钉实体，忽略安装孔，将PCB与框架接触面绑定。 方案2：忽略螺钉实体，建立PCB安装孔特征，将PCB安装孔边与框架接触面绑定。 方案3：将螺钉模型简化为圆柱，将PCB安装孔和框架安装孔分别与圆柱接触面绑定，忽略预紧力。 方案4：建立螺钉模型，忽略螺纹特征，将印制板上表面和螺钉帽接触面绑定，在螺栓柱与印制板孔接触面施加400 N预紧力，再将螺栓柱与框架孔接触面绑定[4]。 依据以上各方案，对目标螺接型PCBA建立三维模型，印制板为FR?4环氧玻璃纤维板，尺寸为237 mm×160 mm×2.0 mm，左右板面中心处装联有3D?PLUS公司的SOP封装芯片，实物及整板模型图如图1所示，方案4螺栓连接局部特征如图2所示。 3 结 语 （1）在只关注1阶模态频率时，方案2～4都可以满足模态分析精度要求；在关注多阶模态频率时，尤其要基于模态结果继续进行振动应力分析时，建议使用方案4建立有限元模型，应力计算结果将更加精确。 （2）使用方案4对螺栓紧固型PCBA建立有限元模型，仿真模态结果更加接近实际螺栓安装情况下组件结构的模态频率。 参考文献 [1] BURSI O S， JASPERT J P. Benchmarks for finite element modeling of bolted steel connections [J]. Construct Steel Res.， 1997， 43： 17?42. [2] KWON Y D， GOO N S， KIM S Y， et al. Finite element modeling for static and dynamic analysis of structures with bolted joints [J]. Key Engineering Materials， 2006， 306/308： 547?552. [3] 王红芳，赵玫，徐晓，等.基于动态特性的印制板结构改进[J].振动与冲击，2000（1）：49?51. [4] MONTGOMERY Jerome. Methods of modeling bolts in the bolted joint [C]// Ansys World User Conference. Pennsylvania， USA： ANSYS， Inc.， 2006： 111?121. [5] 王建江.ANSYS 11.0结构与热力学有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2008. [6] 吴志广，乔永利.螺栓连接件力学特性计算与模态试验对比分析[J].机械工程师，2012（2）：100?101. [7] 许京荆.ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术[M].北京：中国水利水电出版社，2012. [8] 方伟奇，王克军，张明.某机载电子设备振动模态与频响分析[J].电子机械工程，2010（5）：49?53. [9] 李晓军，张雨，王玉国，等.通过扫频激振确定高速列车门系统固有频率[J].南京工程学院学报：自然科学版，2011（9）：1?5. [10] KIM Jeong， YOON Joo?Cheol， KANG Beom?Soo. Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints [J]. Applied Mathematical Modelling， 2007， 31： 895?911. |
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