电子设备机箱随机振动仿真分析及优化设计

刘丽平

（中国电子科技集团公司第33研究所，太原030006）

1 引言

电子设备机箱作为重要电子元器件的重要载体，对于电子设备的寿命和工作效率发挥着重要作用，特别是车载军用电子设备机箱由于其恶劣的使用环境和工况，对这类机箱必须具有质量轻、散热好、工作稳定可靠等要求。因此，这就决定了设计人员在电子设备机箱的设计中要多方面考虑，其中车载电子设备机箱的随机振动分析是必须要进行的分析之一。由于理论计算的限制，这类机箱结构和动态特性的研究大部分依靠经验和测试手段获得，这种设计方法成本高、周期长且存在不确定因素，不易实现产品优化。因此本文采用仿真软件对电子设备机箱进行随机振动分析并以该机箱壁厚为设计变量，质量减少为目标函数，随机振动下应力和位移满足要求为约束条件进行产品优化设计。

2 动力学特性分析

2.1 有限元模型建立

根据现有资源和实际需求，为合理化时间和计算成本，通过忽略结构上次要细节特征，去掉非承载件和修饰件，印制板元件去掉细小特征，并等效为均质质量块等方式对机箱原模型进行简化，简化后机箱内部的CAD模型见图1。注意在模型建立过程中使用ANSYS自带的建模工具进行建模，并进行参数设计，在这里选择机箱四周壁厚值（H1,H2,V1,V2）作为优化设计变量。

图1 电子机箱CAD模型

采用ANSYS Workbench对该车载电子机箱进行有限元分析，机箱内包含印制板1和印制板2，2块印制板均通过楔形锁紧机构固定于机箱内部，机箱的材料为铝合金2A12,印制电路板材料为FR-4,楔形锁紧装置为铝合金6063。分别在软件中进行材料属性设置。

2.2 模态分析

模态是机械结构固有的振动特性，是自己本身的特性，与外部载荷无关，模态分析用于确定结构的固有频率和振型，是进行随机振动分析的基础。

根据经典力学理论可知，物体的运动控制方程[1]：

其中[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；{U}为位移矢量；｛F(t)｝为力矢量；为速度矢量；为加速度矢量。

假设为自由振动，无阻尼结构模态分析，其动力学问题的运动方程为：

假设为简谐振动，即位移为正弦函数，其动力学问题的运动方程为：

模态分析步骤[2]：①建立模型；②选择分析类型模态分析；③施加边界条件和求解；④查看结果。根据实际情况，分析了该机箱的前十二阶模态振型，频率列表见图2。

图2 频率列表

2.3 随机振动分析

车载电子设备机箱的振动不是单个现象，而是大量现象的集合。这些现象似乎是杂乱的，但从总体上看任有一定的统计规律，因此，随机振动虽然不能用确定性函数描述，却能用统计特性来描述。在随机振动问题中就只能确定输出和输入之间的统计特性关系。输入结构的固有频率和固有模态；输出1б位移和应力能够用于疲劳寿命预测；加载单点激励施加于所有地面单点PSD激励；求解相对或绝对1б结果输出；结果输出1б位移和等效应力。

表1 输入固有频率和功率谱

图3 横侧轴位移

图4 纵向轴位移

图5 垂直轴位移

图6 等效应力

3 优化设计

车载电子设备在满足可靠性能的前提下，质量最小化作为军用电子机箱设计指标之一，因此在满足GJB150.16-86中轮式战斗车环境随机振动条件下最大等效应力值和位移作为表征量，也即约束条件为PSD最大等效应力σmax（H16，H17，V18，V19）≤1MPa，同时上述设计变量壁厚的初始值设定为3。根据描述，以质量最小为控制目标函数，机箱壁厚度为设计变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量数值来取得。可知优化目标为整机质量M极小化。

根据前述描述机箱优化设计属于多目标驱动优化设计，选择DX模块提供的GDO（Goal driven optimization）对上述问题进行参数优化。根据设计变量值，提取样本见图7，计算每个样点的响应结果，利用二次插值函数构造设计空间的响应面或曲线，最终基于响应面给出优化结果。可以定出需要求解的设计重点，使用最有效的方式得到最佳化结果见图8中结果CandidateA。

图7 优化样本

图8 优化结果

4 结语

对车载电子设备机箱的随机振动进行有限元分析，并在分析结果的基础上对该设备机箱结构进行参数优化。

①分析了该机箱的前十二阶模态，发现印制电路板1和印制电路板2是设计的薄弱环节，属于易发生共振，设计时需避免。模态分析得到的振型和频率，为机箱刚度的提高和减振设备的设计提供依据。

②优化后，在PSD最大等效应力和位移不增大的前提下，该机箱整体质量减轻6.25%，效果明显。

③随机振动分析和优化，为实际产品设计提供依据，减少设计成本和设计周期。随着整体建模技术的发展系统分析结果的准确性将进一步提高。