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1 前言 隨著(zhù)汽車(chē)電子產(chǎn)品在整車(chē)中的廣泛應用，汽車(chē)電子產(chǎn)品的可靠性也備受關(guān)注。振動(dòng)問(wèn)題是影響汽車(chē)電子產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要因素，如果在研發(fā)設計階段就能準確的預估汽車(chē)電子產(chǎn)品的振動(dòng)特性，則對汽車(chē)電子產(chǎn)品的可靠性設計具有重大的意義。利用有限元技術(shù)能夠在研發(fā)設計階段預估汽車(chē)電子產(chǎn)品的振動(dòng)特性，但是對于具有復雜結構的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于模型的復雜度，材料參數的不確定性、邊界設定的非線(xiàn)性、計算機配置要求等因素的影響，使仿真結果的可信度不高。因此提高仿真分析的可信度是當今仿真工作者的首要任務(wù)。本文對某具有復雜結構的汽車(chē)電子控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗，并對仿真分析中的幾何模型修正，單元類(lèi)型選擇，邊界條件設定等方法進(jìn)行了研究。 2 汽車(chē)電子控制器結構介紹 汽車(chē)電子控制器由PCBA（集成電路板）和上、下殼體組成，如圖1所示（為展示控制器內部結構，剖掉部分殼體）。裝配該控制器時(shí)，先把PCBA沿殼體上的卡槽插入下殼體中，再把上殼體扣合到下殼體上，完成裝配。該控制器在車(chē)上的安裝方式是：用螺栓穿過(guò)殼體上的安裝耳再固定到支架上。 圖1 控制器的實(shí)物圖 圖2 上殼體的修正模型 圖3 PCBA的修正模型 圖4 下殼體的修正模型 3 有限元建模和仿真計算 3.1幾何模型修正 在實(shí)際工作中發(fā)現，幾何模型修正的好壞決定著(zhù)網(wǎng)格質(zhì)量的好壞。對復雜的模型來(lái)說(shuō)，不修正幾何模型，會(huì )增加奇異單元的數目和單元的總數目，導致仿真分析周期變長(cháng)，分析成本變大，甚至使仿真分析無(wú)法進(jìn)行。該控制器的PCBA上有成百上千個(gè)微小的孔和器件，殼體上有過(guò)密的硬點(diǎn)和線(xiàn)以及微小的倒圓角等，如果不修正幾何模型，在中等配置的HP工作站上無(wú)法完成分析。所以在劃分網(wǎng)格前，先對該控制器的幾何模型進(jìn)行修正。幾何模型修正工作包括：去掉較小的倒圓角和圓孔；隱藏過(guò)密的曲線(xiàn)和硬點(diǎn)；切分不規則的幾何體；忽略微小電器件等。該控制器修正后的幾何模型如圖2、圖3、圖4所示。 3.2有限元網(wǎng)格劃分和單元類(lèi)型選擇 控制器的各部件均采用3D實(shí)體單元建模。其中PCBA由電路板、電容、電阻、天線(xiàn)、小電路板、插件，插針等部件組成，這些部件的形狀較規則，采用一階六面體單元建模，單元類(lèi)型為C3D8R，需進(jìn)行沙漏控制。上、下殼體的形狀比較復雜，用二階四面體進(jìn)行建模，單元類(lèi)型為C3D10M。模態(tài)分析時(shí)，不要使用一階四面體單元，因為一階四面體單元剛性偏強，容易導致模態(tài)頻率偏大（下文將會(huì )給出驗證）。根據這些原則劃分的網(wǎng)格如圖5、圖6、圖7、圖8所示。 圖5 上殼體的局部網(wǎng)格圖 圖6 插件和PCB的網(wǎng)格圖 圖7 電容、芯片的網(wǎng)格圖 圖8 下殼體的局部網(wǎng)格圖 3.3邊界條件設定 對該控制器進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)，需固定安裝孔內側面上的所有節點(diǎn)。上殼體的卡槽與PCBA的間隙為零或者過(guò)盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對面的粘貼；下殼體的滑道和卡槽與PCBA的間隙為零或者過(guò)盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對面的粘貼；PCB上的較小的電容、電阻及芯片等器件與PCB直接進(jìn)行面對面粘貼；為避免局部剛度過(guò)大對頻率和振型造成影響，把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元與PCB進(jìn)行粘貼。后文中比對了較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式與面對面直接粘貼到PCB上的方式對PCBA模態(tài)頻率的影響。證實(shí)了把較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式更優(yōu)越。 3.4材料參數 該型汽車(chē)電子控制器實(shí)物的總重205.4克，其中PCBA重為100.1克，殼體重為105.3克，有限元模型總重為204.9克，其中PCBA模型重為99.5克，殼體模型重為103.9克，實(shí)物和有限元模型重量的相對誤差為1.0%。為了簡(jiǎn)化計算，認為電路板具有一種等效材料參數，該等效參數是通過(guò)對PCB光板的拉伸試驗和測量對其測密度得到的。同樣認為較大的電器件也具有一種等效材料參數，其彈性模量和泊松比是參考普通芯片的材料得到的，密度是由芯片的總重量除以總體積得到的。各個(gè)部件的材料參數如表1所示。 表１ 各部件的材料參數 3.5仿真分析結果 利用Abaqus軟件對該汽車(chē)電子控制器進(jìn)行約束模態(tài)分析，得到的前三階模態(tài)頻率和模態(tài)振型如圖9、圖10、圖11所示。第一階固有頻率為172Hz，第一階振型為控制器沿兩個(gè)安裝耳中心點(diǎn)連線(xiàn)的前后振動(dòng)；第二階固有頻率為262Hz，第二階振型為控制器殼體上下面的相向的凸凹振動(dòng)；第三階固有頻率為293Hz，第三階振型為控制器殼體上下面的相對的凸凹振動(dòng)。 圖9 第一階頻率：172Hz 圖10 第二階頻率：262Hz 圖11 第三階頻率：293Hz 4 模態(tài)實(shí)驗過(guò)程及結果 4.1模態(tài)試驗過(guò)程 利用美國PCB公司的壓電式力錘和壓電式加速度計進(jìn)行激勵、拾振。然后用LMS TEST.LAB 試驗采集分析系統進(jìn)行數據采集和分析。試驗設置為，采樣頻率為2048Hz，采樣帶寬為1024Hz，頻率分辨率為0.125Hz，激勵用力窗，響應是指數窗。 汽車(chē)電子控制器通過(guò)兩個(gè)安裝孔固定在基頻大于500Hz試驗臺上。采用了5傳感器布置方案（圖12）進(jìn)行模型試驗。參照仿真分析結果發(fā)現，該傳感器布置方案漏掉了第一階扭轉模態(tài)。而采用8傳感器的布置方案（圖13）能測得第一階扭轉模態(tài)。 圖12 傳感器的布置方案 圖13 8傳感器的布置方案 4.2典型的實(shí)驗結果 在5傳感器的試驗中，若干點(diǎn)的頻率響應函數如圖14所示。隨意選取一個(gè)測試點(diǎn)的相干函數如圖15所示。在有效帶寬的范圍內，相干函數接近1，可以判定頻率響應函數的可信度比較高。在8傳感器的試驗中，若干點(diǎn)的頻率響應函數如圖16所示。 圖14 若干點(diǎn)的頻響函數 圖15 典型相干函數 圖16 若干點(diǎn)的頻響函數 利用LMS TEST.LAB軟件中的Time MDOF方法進(jìn)行模態(tài)參數分析。根據所有測試點(diǎn)的頻率響應函數之和建立穩態(tài)圖，然后判定真實(shí)的模態(tài)頻率、阻尼和參預因子。利用該方法測得的該控制器的前三階模態(tài)頻率和振型如圖17-19所示。 圖17 第一階模態(tài): 146Hz 圖18 第二階模態(tài): 236Hz 圖19 第三階模態(tài)：287Hz 5 計算和試驗結果對比及分析 5.1仿真和試驗結果對比 對比仿真分析和試驗得到的前三階振型，發(fā)現振型匹配很好；對比前三階頻率，發(fā)現最大相對誤差將近20％，如表2所示。根據以上對比結果，可以判定該試驗結果和仿真結果存在很大的誤差。為了驗證仿真分析方法是否可行，后文中將會(huì )對造成誤差的原因進(jìn)行分析。 表2 仿真結果與試驗結果的對比表 5.2傳感器重量的影響分析 單個(gè)傳感器的重量為5克，控制器上布置多個(gè)傳感器時(shí)會(huì )引入很大的附加質(zhì)量。于是在有限元模型中添加傳感器的模型，并在考慮單元類(lèi)型等因素的前提下，重新進(jìn)行模態(tài)仿真分析，算得的固有頻率和固有振型如圖20～圖22。 圖20 帶傳感器的第一階模態(tài)：149Hz 圖21 帶傳感器的第二階模態(tài)：252Hz 圖22 帶傳感器的第三階模態(tài)：291Hz 對比修正仿真分析和試驗得到的前三階振型，發(fā)現振型匹配很好；對比的前三階頻率，發(fā)現最大相對誤差保持在6.8％以下，如表3。根據以上分析結果，可以判定傳感器的重量是造成試驗和仿真誤差過(guò)大的主要原因�？紤]傳感器影響時(shí)，仿真分析的可信度能夠達到93%以上，根據工程實(shí)際對可信度的要求，可以判定該仿真結果是控制器模態(tài)的真實(shí)反映。 表3 考慮傳感器的仿真結果與試驗結果的對比 5.3單元類(lèi)型的影響分析 本小節對一階四面體單元是否適合在模態(tài)分析中使用進(jìn)行驗證。一階四面體單元具有四個(gè)節點(diǎn)，邊是直線(xiàn)，面是平面，加載變形后邊和面仍要保持直線(xiàn)和平面。二階四面體單元由十個(gè)節點(diǎn)，邊可以是曲線(xiàn)，面可以是曲面，加載變形后邊和面可以是曲線(xiàn)和曲面。所以用一階四面體單元組成的網(wǎng)格模擬真實(shí)復雜的變形和應力場(chǎng)，具有一定的局限性。使用一階四面體單元和二階四面體單元對控制器下殼體進(jìn)行約束模態(tài)分析。對比兩種情況下算得的前三階振型，發(fā)現振型一致；固有頻率結果如表4，對比表4中的數據，發(fā)現用一階四面單元算得的前三階模態(tài)頻率比二階四面體單元算得的前三階模態(tài)頻率都要高，并且一階四面體單元算得的模態(tài)頻率更偏離實(shí)驗結果。所以模態(tài)仿真分析不能使用一階四面體單元。 表4 一階四面體單元和二階四面體單元對比 5.4粘貼方式的影響分析 電器件直接面對面粘貼到PCB上的方式相比電器件針腳位置的單元粘貼到PCB上的方式會(huì )增大PCBA的局部剛性，對PCBA的自由模態(tài)有一定的影響。進(jìn)行兩種粘貼方式下的PCBA的自由模態(tài)分析，得到的模態(tài)頻率如表5。對比兩種粘貼方式下的模態(tài)頻率發(fā)現，電器件直接面對面粘貼的方式的PCBA模態(tài)頻率偏大，證明了較大電器件直接面對面粘貼到PCB上的粘貼方式增大了PCBA的局部剛性，使得模態(tài)頻率變大。 表5 直接面面粘貼和針腳位置單元粘貼對比 6 結論 本文利用有限元軟件對某型汽車(chē)電子控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，并用模態(tài)實(shí)驗驗證了模態(tài)仿真分析結果的可信度，得到以下結論： 1、高質(zhì)量的網(wǎng)格是仿真分析順利進(jìn)行的保障，并且能縮短仿真分析周期，要得到高質(zhì)量的網(wǎng)格需去掉較小的倒圓角和圓孔，隱藏過(guò)密的曲線(xiàn)和硬點(diǎn)，切分不規則的幾何體，忽略微小的電器件等； 2、對該類(lèi)控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析時(shí)，不要使用一階四面體單元，否則會(huì )導致模態(tài)頻率偏大，可以使用一階六面體單元（對其進(jìn)行沙漏控制）和二階四面體單元。 3、對該類(lèi)控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析時(shí)，較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件不能直接面對面粘貼到PCB上，否則會(huì )增大PCBA的局部剛性，可以把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上。 按照文中的仿真建模方法既能提高計算效率又能保障計算結果有93%以上的可信度。 |
