复杂PCB板振动耐久寿命仿真子结构建模及试验验证方法

技术领域

本发明属于仿真建模技术领域，尤其涉及复杂PCB板振动耐久寿命仿真子结构建模及试验验证方法。

背景技术

目前PCB板振动耐久寿命仿真分析一般采用等效模型、全精细化模型或子结构模型的方法进行。但是等效模型无法反映元器件的动力学响应，对元器件的振动耐久寿命无法开展评估；全精细化模型虽然能够准确反映元器件的响应和振动耐久寿命，但是针对复杂PCB板其计算效率十分低下；目前工程上采用的子结构方法，大部分都在子结构区域确定、子结构反求和整体结构合成等关键步骤中存在不合理的情况，导致PCB板振动耐久寿命仿真误差较大，严重影响PCB板的服役寿命仿真评估。因此急需建立一种高精度高效率的复杂PCB板子结构建模及试验验证方法，有效提升复杂PCB板振动耐久寿命仿真的准确性与效率，进而保证航空防护救生与空降空投产品的服役可靠性。

发明内容

发明目的

为解决现有PCB板振动耐久寿命仿真分析的缺陷，本发明提供了复杂PCB板振动耐久寿命仿真子结构建模及试验验证方法。

发明技术解决方案

复杂PCB板振动耐久寿命仿真子结构建模及试验验证方法，包括如下步骤：

(1)高精度的PCB板等效模型建立：建立PCB板初始等效模型，基于初始等效模型开展PCB板仿真分析，并结合PCB板的特性试验，通过对仿真结果与试验结果的对比分析，优化完善PCB板初始等效模型的关键参数，形成高精度的PCB板等效模型；

(2)构建高精度整体结构模型：包括子结构区域的确定、子结构建模、子结构反求、整体结构合成的步骤；其中子结构建模对子结构区域的元器件、子结构区域的元器件与PCB板的基板的连接开展建模；子结构反求通过子结构自由度凝聚进行；通过将敏感参数的最优值赋予PCB板的基板和PCB板子结构区域内的元器件的方式实现整体结构合成，构建高精度整体结构模型；

(3)元器件响应试验：通过元器件振动响应试验获取在设定振动条件下的PCB板上所有的元器件的振动响应，结合高精度整体结构模型在与元器件振动响应试验条件相同振动条件下的元器件振动响应仿真，通过仿真分析与试验结果的对比验证子结构建模、子结构反求和整体结构合成的准确性。

优选的，步骤(1)中PCB板仿真分析包括PCB板刚度等效仿真、质量等效仿真和模态仿真分析。

优选的，PCB板的特性试验包括PCB板的等效密度、泊松比、材料阻尼、结构阻尼试验。

优选的，步骤(2)中的子结构区域的确定步骤通过对高精度的PCB板等效模型开展模态仿真分析，根据模态仿真分析的结果，选取PCB板振动位移响应不小于3mm的区域作为子结构区域。

优选的，步骤(2)中的子结构建模步骤中保证各元器件的重量重心与实际情况一致，各元器件与基板的连接方式与实际情况保持一致。

优选的，步骤(2)中自由度凝聚后通过确定性试验设计，基于响应面方法，通过模型参数优化与识别，准确表征子结构凝聚之后真实的输入和输出之间的隐式关系；通过确定性试验准确获取子结构上PCB板子结构区域内的元器件的振动响应，通过获取的响应数值与子结构模型随机振动仿真分析数据对比分析验证子结构凝聚方法合理性。

优选的，步骤(2)中整体结构合成的具体过程为：首先通过子结构关键因素敏感性分析，获取敏感因素；然后通过二次响应面和遗传算法构建敏感参数优化模型，基于子结构模型与高精度的PCB板等效模型组合成的整体结构模型与高精度等效模型的频率相关性分析与振型相关性分析获取敏感参数的最优值；最后将敏感参数的最优值赋予PCB板的基板和PCB板子结构区域内的元器件，实现整体结构合成。

优选的，步骤(3)中元器件振动响应仿真与元器件响应试验结果之间差异不大于20％则认为子结构模型建立准确。

优选的，子结构建模、子结构自由度凝聚通过有限元软件实现。

优选的，采用的有限元软件包括ABAQUS、MATLAB。

本发明的优点：该方法实现了PCB板振动耐久寿命的高效准确评估，能够有效提升PCB板的设计效率与服役可靠性，能够促进航空防护救生与空降空投产品智能化跨代升级的步伐。

附图说明

图1是PCB板等效建模方法的流程图。

图2是PCB板子结构建模流程图。

图3是PCB板子结构反求流程图。

图4是PCB板子结构建模方法流程图。

具体实施方式

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

复杂PCB板振动耐久寿命仿真子结构建模及试验验证方法，包括如下步骤：

(1)高精度的PCB板等效模型：建立PCB板初始等效模型，基于PCB初始等效模型开展PCB板刚度等效仿真、质量等效仿真和模态仿真分析，结合PCB板刚度试验、质量试验、阻尼试验和模态测试试验，通过仿真结果与试验结果的对比分析，优化完善PCB板初始等效模型的相关关键参数(关键参数主要包括：等效密度、泊松比、材料阻尼、结构阻尼等)，形成高精度的PCB板等效模型。其中通过拉伸试验和三点弯试验获取PCB板的弹性模量和泊松比；通过天平获取PCB板的质量，结合基板的几何尺寸换算出PCB板的等效密度；通过力锤敲击法和激光扫描测振方法获取PCB板结构阻尼，材料阻尼通过相关材料手册获取；模态测试试验通过悬吊激振法与振动台扫频方法来获取。本实施例中天平采用OHAUS高精度天平。

(2)子结构建模的主要步骤为：PCB板子结构区域的确定，PCB板子结构建模，子结构反求和整体结构合成。

PCB板子结构区域的确定，通过高精度的PCB板等效模型开展模态仿真分析，根据模态仿真分析的结果，选取PCB板振动位移响应较大的区域(一般为振动位移响应不小于3mm的区域)作为子结构区域。

PCB板子结构建模：主要通过成熟力学仿真分析商业软件(ABAQUS、MATLAB等)来进行，主要对子结构区域的元器件、元器件与基板的连接(焊点、管脚、引线等)开展建模。在建模过程中应保证各元器件的重量重心与实际情况一致，各元器件与基板的连接方式与实际情况保持一致。

PCB板子结构反求主要是通过子结构自由度凝聚将子结构凝聚成由主自由度表示的超单元模型，它是子结构模型的关键之一，它决定了子结构计算的精度和计算量。商用有限元软件(ABAQUS、MATLAB等)能在内部自动进行附加刚度与附加质量过程，将建立好的子结构模型选取约束部分节点创建集合，并在施加载荷模块中选取自由度凝聚节点，提交自由度凝聚分析，实现子结构反求。

自由度凝聚原则是通过确定性试验设计，基于响应面方法，通过模型参数优化与识别，准确表征子结构凝聚之后真实的输入和输出之间的隐式关系。确定性试验设计原则：通过随机振动实验准确获取子结构上PCB板子结构区域内的元器件的振动响应，获取的响应数值与子结构模型随机振动仿真分析数据对比分析，达到验证子结构凝聚方法合理性的目的。

整体结构合成：主要通过基于二次响应面和遗传算法实现，首先通过子结构关键因素(基板X、Y、Z三方向弹性模量；基板XY、XZ、YZ三个平面泊松比；基板XY、XZ、YZ三个平面的剪切模量；元器件X、Y、Z三方向弹性模量；元器件XY、XZ、YZ三个平面泊松比；元器件XY、XZ、YZ三个平面的剪切模量)敏感性分析，获取敏感因素；然后通过二次响应面和遗传算法构建敏感参数优化模型，基于整体结构模型(子结构模型与等效模型组合成的整体结构模型)与高精度等效模型的频率相关性分析与振型相关性分析获取敏感参数的最优值；最后将敏感参数的最优值赋予PCB板的基板和PCB板子结构区域内的元器件，实现整体结构合成，构建高精度整体结构模型。

(3)元器件响应试验，主要是通过非接触式方法(高精度激光扫描振动仪等)获取在设定振动条件下的PCB板上所有的元器件振动响应，结合高精度整体结构模型在与元器件振动响应试验条件相同振动条件下的元器件振动响应仿真，通过仿真分析与试验结果的对比验证子结构建模、子结构反求和整体结构合成的准确性，本实施例中元器件振动响应仿真与元器件响应试验结果之间差异不大于20％则认为子结构模型建立准确。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神本质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖本发明的保护范围内。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。