船舶电子设备冲击响应分析研究

谢坤

摘 要：以典型船舶电子设备为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型。按照环境试验的标准，对电子设备进行了冲击试验的数值模拟和分析研究，并提出提高抗冲击性能的措施。

關键词：电子设备；冲击；瞬态分析；优化设计

中图分类号：U665.2 文献标识码：A

Analysis on Impact Response of Marine Electronic Equipment

XIE Kun

（COSCO Shipping Bulk Co.， Ltd.， Guangzhou 510020）

Abstract： This paper creates the finite element model of the typical marine electronic equipment with the software ANSYS， simulates and analyzes the shock test of electronic equipment according to the standard of environmental test and puts forward the measures for improving the anti-shock performance of the electronic equipment.

Key words： ElectronicEquipment；Impact；TransientAnalysis；Optimized Design

1 前言

电子设备在实际工作环境下，不可避免地会受到各种形式机械力的作用，特别是振动和冲击会给电子设备带来巨大的危害。本文采用有限元方法分析其在冲击荷载作用下的动响应，重点研究典型电子设备的有限元建模技术和抗冲击性能及其改进措施，使振动冲击对其产生的影响减到最低水平。

2 有限元模型的建立

用SHELL63单元建立机箱前后板、顶板、底板、内部结构和侧板，用BEAM188建立各立柱和横梁，在连接部位用“node to node”和节点耦合自由度的方法来模拟；用壳单元SHELL63来模拟印制电路板基板， CPU、插槽和质量大的芯片、电容、线圈等电子元器件则根据其实际尺寸直接建立有限元模型；焊点和小元器件采用总质量和刚度等效的方法，在电路板总质量等效的基础上考虑刚度的变化，选择印制电路板的等效刚度。

印制电路板通过9个螺栓和机箱的内部结构相连接，在连接部位采用节点耦合自由度的方法来模拟主板和机箱的连接。

印制电路板基板的材料为FR-4，CPU的材料为硅、铝和铜，插槽的材料为塑料，芯片的材料为硅，各元器件的材料参数可以参照有关参考文献和《机

械工程材料数据手册》。根据实际测量和等效得到的印制电路板各个电子元器件的尺寸、重量，以及等效得到的材料参数见下表：

表1 材料参数表

名称 尺寸（mm） 弹性模量（Pa） 泊松比 密度

（ ）

基板 220×305×2

0.3 4247

CPU 60.5×54.5×10

0.31 2700

芯片 35×35×2

23×23×2

0.3 2420

ISA插槽 7×12.5×85

0.46 892

内存插槽 7×6.3×138

0.46 1240

1 3 冲击响应分析

一般冲击在试验时采用半正弦波来模拟，其特点是不经常遇到，次数少、加速度大。规范对于半正弦波规定其峰值加速度A取为15 g，持续时间D取为11 ms，速度变化量取为 m/s。采用将时间-加速度关系进行积分使其成为时间-位移关系的方法，把加速度激励转化为位移激励来将加速度冲击施加到结构上。

机箱等框体结构的强度和刚度都远大于印制电路板，因此在振动冲击环境下印制电路板最容易发生损坏。为了研究冲击结束时主板上各点的加速度随时间的变化关系，在主板的上中下各取一个节点。选取主板上的节点9005、节点8658和节点8099，各个节点的具体位置如图1。

对设备进行垂直方向基础激励下的瞬态动力学分析，每个节点相对于基础节点的位移响应即为其位移相对基础的响应。利用ANSYS后处理器的功能，对相对位移进行数学处理，就可以得到节点的相对加速度响应曲线。

图2、图3、图4分别为主板上的节点9005、8658、8099相对于基础的加速度时间历程曲线。

主板上节点9005、8658、8099的加速度具有相同的振型和节拍，振动的强弱也基本相同。节点9005、8658、8099的加速度极值分别为（-21.2658g，21.9761g）、（-21.7721g，22.12g）、（-23.4508g，22.5385g）。比较这些点的振动情况可知，印制电路板冲击响应滞后于所加的激励，它们的响应幅度也比所加激励的幅度要大。

4 减振方法

很多学者对电子设备进行了减振的研究，要求电子设备在结构设计中采取合理的强度、刚度和有效的隔振、缓冲措施。从结构动力学的原理来说，结构优化的方法都是通过改变结构的刚度、质量和阻尼特性分布来达到抗振减振的目的。

4.1 安装隔振器的影响

选取隔振器的K=100000N/m和K=20000N/m来比较它们的效果。用弹簧阻尼单元来模拟隔振器，在电子设备与基础接触的4个地方布置Z方向的隔振器。图4为K=100000N/m和K=20000N/m时节点9005的相对加速度曲线。endprint

隔振器的K=20000N/m时节点9005的加速度极值为（-14.0798g，9.8024g），K=100000N/m时的加速度极值为（-16.4681g，17.3886g）。由上可知，通过安装隔振器，印制电路板和电源节点的加速度响应幅值降低了很多，能够迅速的提高电子设备抗冲击的性能。

4.2 设备刚度的影响

机箱厚度初始值为t=0.9mm，将其厚度增加到t=1.5mm。图5是t=0.9 mm和t=1.5 mm时节点9005的相对加速度曲线。

印制电路板是螺栓固定在机箱内部结构的，原有螺栓9个，现增加螺钉到14个。图6是有无螺栓时节点9005的相对加速度曲线。

增加厚度后，节点9005的加速度极值为（-12.2531g，12.3181g）；增加固定主板的螺栓后，节点9005的加速度极值为（-19.5489g，21.5775g）。

由上可知，增加机箱的厚度后设备的刚度和频率都相应的提高，印制电路板的加速度响应的幅值下降了很多，电子设备的抗冲击的性能得到显著提高；通过增加固定印制电路板的螺栓数目，虽然增强了印制电路板与机箱的连接，但是效果不明显。

4.3 元件布局的影响

电子设备中元件的位置对设备的其固有频率有很大的影响，图7为机箱在中间和下面的有限元模型。

图8是电源布置在上中下位置时节点9005的相对加速度曲线。

将电源布置在机箱中间，节点9005的加速度极值为（-21.8945g，21.6356g）；布置在机箱下面，加速度极值为（-19.9904g，19.1976g）。由此可以看出，将电源移动到中间和下部的结果都没有很明显的变化，特别是在冲击发生的阶段，电源布置在中间时主板的加速度响应没有降低，电源的加速度响应有所降低；电源布置在下面时主板、电源的加速度响应有所降低，但是不明显。

5 综合优化及结果分析

综合上所述，布置隔振器、机箱厚度取为1.5mm、电源位置在机箱上部时，利用ANSYS对设备进行垂直方向基础激励下的频率响应分析，在时间历程后处理器中提取瞬态响应的结果对其进行分析，節点9005的加速度极值为（-14.328g，8.51385g）。图9是优化前后节点9005的相对加速度曲线。

6 结束语

综合考虑安装隔振器和提高设备的刚度等措施，可以实现电子设备抗冲击性能的进一步优化。通过优化改进，能够明显降低设备加速度响应的幅值，显著的提高整个电子设备抗冲击的性能。

参考文献

[1] 生建友.机载设备的防振动抗冲击设计.电子机械工程，1998，78（2）.

[2] 张亚峰.车载电子设备的抗振设计.电子机械工程，2003，19（2）.

[3] 刘衍平，高新霞，张刘斗.电子设备机柜随即振动试验的数值模拟.塑形工程学报，2007，4（14）.

[4] 江坚.某船用电子显控台的动力分析.电子机械工程，2002，18（6）.

[5] 王其东，杨竹丰，颜肖龙等.电子机柜结构连接部位建模.电子机械工程，2005，21（2）.endprint