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摘要：闡述電子設備的隨機震動基本原理，隨機振動特性仿真，仿真結果表明，電子設備在振動環境下所產生的加速度響應較大，遠遠高于電子元器件的承受能力。
關鍵詞：電子設備，隨機振動，仿真分析。
0引言
在設計電子通信產品的過程中，不僅有產品結構強度的設計問題，還會遇到電子產品震動的可靠性問題[1-3]。如今，隨著電子工業領域的快速發展，電子產品的地位開始與產品的技術指標息息相關，因此當前國內外電子產業領域的主要發展方向便是提高以及確保電子產品的可靠性。但由于試驗周期、試驗成本以及實驗條件等因素的限制，導致現有的試驗方法在開展電子產品可靠性研究的過程中效果較差，使用CAE軟件開展數值仿真的方式可得到明確的計算結果，對大部分物理試驗來說有著十分重要的指導意義。同時由于數值方針具有成本低、周期短以及可重復性高的優勢之處，在整體研究中起到了至關重要的作用。
1隨機震動基本原理
對于不同的震動的問題，所引發的結構振動原因不同，復雜程度也存在一定差別。對于確定性的振動來說，研究人員可以十分清晰的對振動的原因進行了解，可使用同樣的振動條件來重現振動，進而在預定的時間出現預定的振動效果。所以在確定性振動中可以預測某個物理量在某個時刻的振動情況。而針對隨機振動來說，導致其發生振動的情況較多，無法對其振動原因進行全面掌握，但使用同樣的振動條件來對振動進行重現時，這是可發現整體的物理量并沒有發生重復，同時也無法對未來時間的取值進行預測。對于隨機振動來說，符合概率統計規律的范疇中，所以隨機振動的振動規律可以使用概率統計的方式進行闡述，只能對物理量的統計值進行了解。所以相較于確定性振動來說，在研究隨機振動的過程中我們只能了解其響應統計值以及系統激勵統計值。在對隨機過程進行實際描述時其統計方式有兩類，可使用n緯概率密度函數以及n維概率分布函數來對隨機過程進行描述，也可看作針對隨機工程的隨機變量以及樣本函數的相關概率分布函數以及概率密度函數來對隨機過程進行描述。在隨機過程中，物理量在隨時間改變的過程中無法對其變化進行預知，但其變化過程符合概率統計規律的范疇中，所以為了對電子設備在隨機振動環境中的加速度水平進行預計，應對概率分布函數進行了解，而正態分布可用于快速分析中。對于隨機振動，可有效去除有缺陷的組件以及有缺陷的器件，從而對電子設備的完整性進行改善，進而提高整體電子設備的可靠性。對于隨機振動來說，應對三種故障方式進行綜合考慮。首先為較大的加速度相應，部分電子元器件比如晶體振蕩器等，當激發其內部諧振頻率時，將影響他們的電氣功能，因此在振動的過程中無法使其正常運行。其次為高應力現象，一旦高應力出現在結構件中，將會產生疲勞損傷，從而導致疲勞斷裂現象。最后為位移響應故障。一旦兩個相鄰的PCB靠近時，較大的位移響應都會產生一定碰撞，進而產生破壞與斷裂現象的發生。
2電子設備隨機振動特性的仿真
在對某一電子設備帶減振器以及不帶減振器的隨機振動數值仿真的過程中，可使用ANSYS有限元分析軟件來進行，應對其是否需要減振器的情況進行評判。第一應簡化所設計的三維模型，從而方便劃分相應的網格。在劃分FEA模型網格的過程中，針對PCB使用Shell181殼單元，對于實體使用Solid185四面體實體單元，最后減振器使用combin14彈簧單元。根據相關試驗可將隨機振動譜線輸入至模型計算機仿真中。
3仿真結果
根據相關仿真結果來看，電子設備在振動環境下所產生的加速度響應較大，遠遠高于電子元器件的承受能力。根據托板的VonMises應力云圖顯示，最大的應力為260.524MPa，這種大小的應力遠遠大于材料鋁5A06的疲勞極限。在進行隨機振動時，由于材料疲勞的問題會使托板支架產生相應的疲勞裂紋，進而使材料出現失效的情況，所以在實際設計電子器件結構的過程中需要使用減振器的方式來減少應力。在設計減振器的過程中，主要使用了隔振原理，其設計方式是將基礎振動的震源與電子設備進行隔離，從而減少對電子設備的影響。
4機載電子設備隨機振動仿真
近年來，隨著計算機輔助技術的快速發展，隨機振動的CAE仿真分析在鐵路交通領域以及航空航天領域中都得到了廣泛使用。而對于機載電子設備來說，在隨機振動環境下安裝耳片振動現象較為常見，因此可使用SolidWorks結構設計軟件來開展隨機振動試驗，從而確定失效機理，進而進行優化與完善。（1）設置材料屬性。針對振動試驗結果來看，耳片振斷問題可能是由于耳片剛性較差，同時低階模態的固有頻率較小，同時受到外部激勵出發共振點，進而導致的共振斷裂現象。首先在對耳片開展CAE仿真分析的過程中，可對耳片的材料屬性進行設置。首先設置耳片的材質為2A12-T4，將其密度設置為2780kg/m3，并將其屈服強度設置為315MPa，泊松比為0.31，彈性模量為73GPa。針對實際振動實驗中設備的安裝情況來看，應將耳片的兩個插耳區域設置為約束面，將固定約束作為其約束方式。同時由于設備的總重量為1.5kg，并且在設備兩旁有四個安裝耳片程呈對稱分布的狀態，所以在耳片與設備盒體的界面上需要定義分部質量0.375kg。在設置軟件的過程中，需要對振動環境激勵方式進行設定，針對相關的振動加載區縣來對相應的參數進行設計，并在X軸、Y軸以及Z軸三個方向統一基準激發，并開展隨機振動仿真計算。同時還應對阻尼比進行定義，模態阻尼被定義為多個模式的臨界阻尼比率，對于臨界阻尼來說，是系統在不振蕩的前提下達到平衡位置的最小阻尼。模態阻尼比率可使用現場測試的方式來進行確定，同時其具有一定的精確度，而比率大約在輕阻尼系統0.01至高阻尼系統0.15之間進行變化，當實驗數據無法進行使用時，可使用相同系統的數值來對阻尼屬性進行確定，比率較高時會對振動幅度進行縮小，所以應使用較低的比率。（2）耳片結構優化設計。對于耳片來說，由于其剛性較低，因此導致其低階模態的固有頻率不高，使得耳片十分容易發生共振。在低階模態的三個方向中，耳片固定端都有較大的應力點，同時結構輕強度較低。所以耳片結構應強化固定端的抗彎強度以及剛性，進而對其固有頻率進行改善，對應力分布情況進行優化。針對耳片的結構特點來說，為了避免對其安裝尺寸造成影響，應避免對其質心位置以及總重量進行改變，可使用對耳片兩側增加5mm加強筋的方式來對耳片結構的抗彎程度以及剛性進行提高。在對耳片進行改造后，可使其屈服壓力達到315MPa，所以對耳片結構設計進行改進可有效對隨機振動的試驗結果進行改善，并且避免耳片斷裂現象的發生。通過對設備耳片隨機振動試驗的仿真分析，可對耳片斷裂問題以及現象進行觀察，對失效原因進行確定。改進后的新耳片使用了加強筋的結構形式，增加的重量十分有限，經仿真分析及試驗驗證，結構強度富裕，抗振性能優良。
5結語
針對有無減振器前后的VonMises應力對比以及加速度相應對比后可發現，電子設備在配備減振器后VonMises應力以及加速度相應均有一定程度的降低，并且減振器可對大多數振動能量進行磨損并吸收，使電子設備的振動達到可接受的范圍內。帶減振器的結構以及設計可極大的降低振動對于電子設備的損壞，從而提高了結構件的使用壽命。有限元分析軟件的使用可對電子設備產品開展相應的隨機振動仿真分析，對結構的應力變形情況以及應力分布情況進行提取，從而判斷其結構設計的合理性。這種設計方式擁有成本較低以及周期較短的優勢之處，同時獲得的成果還可為結構工程師提供相關依據，在滿足相關功能的基礎上提高電子設備產品的剛度以及質量。
參考文獻
[1]楊斌.電子設備的隨機振動仿真分析[J].電子工藝技術,2013,34(05):299-302.
[2]賀峰,周志廣,林杰,曾芳.機載電子設備隨機振動仿真分析及優化設計[J].機械工程與自動化,2017(02):98-100.
[3]曹曉政,姜文濤,李倩,唐貴基.車載電子設備隔振的隨機振動分析[J].云南電力技術,2018,46(06):68-71.
作者:陳炳榛 單位:同方電子科技有限公司