酚醛覆銅板模態(tài)分析

陳汐，馮志華，陶斐，肖琛

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215000）

酚醛覆銅板模態(tài)分析

陳汐，馮志華，陶斐，肖琛

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215000）

針對(duì)PCB電路板中廣泛應(yīng)用的酚醛覆銅板進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，首先對(duì)酚醛電木梁進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，再計(jì)算得到了酚醛材料的彈性模量，然后利用Ansys軟件分析了單面酚醛覆銅板在一端固支一端自由邊界條件下的模態(tài)特性。通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與錘擊實(shí)驗(yàn)得到復(fù)合板的固有頻率，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證實(shí)了酚醛電木板的彈性模量試驗(yàn)計(jì)算值是正確的。本方法可以為相同材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析提供參數(shù)依據(jù)。

振動(dòng)與波；復(fù)合層合板；振動(dòng)實(shí)驗(yàn)；模態(tài)分析

酚醛覆銅板廣泛應(yīng)用于機(jī)械性能要求較高的電機(jī)、電器設(shè)備中的PCB電路板中和絕緣結(jié)構(gòu)零部件中。由于其層間性能較差，受到?jīng)_擊后易發(fā)生分層和裂紋等損傷。這些損傷不僅會(huì)導(dǎo)致該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度顯著降低，而且也將影響整個(gè)電機(jī)、電器設(shè)備的工作運(yùn)轉(zhuǎn)和可靠性。因此，酚醛覆銅板通常需要進(jìn)行模態(tài)分析，以避開它的固有頻率，保證它的強(qiáng)度。

酚醛覆銅板是在酚醛底板上熱壓一層銅箔制成[1]。酚醛底板是由漂白木槳紙浸以酚醛樹脂經(jīng)熱壓而成的酚醛層壓紙板，又稱XPC FR-2酚醛板或電木板。電木板因具有絕緣、不產(chǎn)生靜電、耐磨及耐高溫等特性，成為電子產(chǎn)品之絕緣開關(guān)和可變電阻、機(jī)械用之模具及生產(chǎn)線上之夾具，同時(shí)用于紡織業(yè)及電器加工中作絕緣零部件，它的制品可在變壓器油中使用，也可以加工成梳子，用途非常廣泛。

銅箔的機(jī)械性能參數(shù)可以通過文[2]查得，但是對(duì)酚醛底板的機(jī)械性能尚不清楚。因此，做模態(tài)分析之前，需要通過振動(dòng)實(shí)驗(yàn)得出基材的彈性模量，并經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出酚醛覆銅板的振動(dòng)模態(tài)特性，為以后的工作做準(zhǔn)備。

1 彈性模量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

將一寬30 mm、長(zhǎng)255 mm、厚1.5 mm的電木酚醛條，置于兩根工字鋼之間，形成固支來模擬懸臂梁模型，如圖1所示。

應(yīng)變片貼于靠近工字鋼一端，使梁作自由振動(dòng)，動(dòng)態(tài)應(yīng)變量通過應(yīng)變片輸入BZ 2668動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，最后轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)由INV采集儀輸出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。由采集儀傳輸給計(jì)算機(jī)得到的電壓波形如圖3所示。

圖1 懸臂酚醛電木梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置細(xì)節(jié)圖

圖2 懸臂酚醛電木梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程圖

圖3 懸臂電木梁的振動(dòng)波形

根據(jù)波形的包絡(luò)線，計(jì)算得到

根據(jù)文[3]中公式，梁處于左端(x=0)固支，右端(x=l)自由邊界條件下的固有頻率方程為

其中

將上面參數(shù)代入得到

解得E=10.072 GPa

2 理論模態(tài)分析

在軟件Ansys Workbench 12.0里導(dǎo)入先前建好的長(zhǎng)a為248 mm、寬b為239 mm、厚h為1.6 mm的單面酚醛覆銅板的Pro/E模型，因?yàn)榉尤优c銅層通過熱壓粘合在一起，因此在有限元分析中通過“bond”命令將二者聯(lián)系在一起,從而保證兩層間力和位移的傳遞關(guān)系[4,5]。定義材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

將板固支一側(cè)的六個(gè)自由度限定為“fixed”，進(jìn)行前4階的模態(tài)分析，得到固有頻率如表2，固有振形如圖4所示。

表2 酚醛覆銅板的各階固有頻率

由圖4可看出，1階振動(dòng)為揮舞彎曲振動(dòng)，2階振動(dòng)為擺振彎曲振動(dòng)，3階振動(dòng)為揮舞平面內(nèi)的第2階彎曲振動(dòng)，4階振動(dòng)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[6]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將螺栓擰在工字鋼上距離較大的兩孔上，如圖5所示，加緊一端，并讓另一端懸臂，應(yīng)變片貼于靠近工字鋼加緊處，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀得到該條件下覆銅板的1階固有頻率。另外，搭建錘擊試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示[7，8]，得到加速度波形，進(jìn)行傅里葉變換后得到的頻譜圖如圖8所示。

根據(jù)振動(dòng)波形的結(jié)果，如圖6所示，可以求得：f=15.528 Hz，ζ=0.047 1

圖5 酚醛覆銅板振動(dòng)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)圖

圖6 單面酚醛覆銅板一端固支一端自由振動(dòng)波形

圖7 單面酚醛覆銅板一端固支一端自由錘擊實(shí)驗(yàn)圖

將一端固支一端自由下的酚醛覆銅板前4階固有頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Ansys理論分析結(jié)果作對(duì)比，果如表3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）酚醛覆銅板前4階固有頻率的實(shí)驗(yàn)值與Ansys理論分析值接近，說明本文建立的復(fù)合層合板的有限元模型合理，分析結(jié)果符合工程實(shí)際要求；

表3 單面酚醛覆銅板模態(tài)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果誤差分析

圖8 單面酚醛覆銅板一端固支一端自由頻譜圖

（2）得到的彈性模量可以為以后同種材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型分析作參數(shù)，而Ansys模態(tài)分析結(jié)果可以作為以酚醛覆銅板為基底的PCB電路板的可靠性分析的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1]辜信實(shí).覆銅板技術(shù)[J].銅箔與基材，2003，（6）：15-17.

[2]單輝祖.材料力學(xué)，第2版[M].北京：高等教育出版社，2006.55-57.

[3]胡海巖，孫久厚，陳懷海.機(jī)械振動(dòng)與沖擊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1998.154-160.

[4]王開松，劉素梅.基于不同建模方法的ANSYS模態(tài)分析研究[J].煤炭技術(shù)，2009，28（12）：12-14.

[5]許明財(cái).ANSYS模態(tài)綜合法技術(shù)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2005，（2）：90-92.

[6]程小全，王飛，胡仁偉.含穿孔損傷復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27（2）：117-122.

[7]金勇，田宇忠，劉正林.橡膠艉軸承的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，2（1）：34-38.

ModalAnalysis of Phenolic CCL

CHENXi，F(xiàn)ENG Zhi-hua，TAOFei，XIAOChen

(School of Electromechanical Engineering,Soochow University,Suzhou 215000,Jiansu China)

The vibration modals of phenolic CCL panel,which is widely used in PCB circuit,are analyzed.First of all, the vibration of a beam composed by the phenol and wood is experimented so that the Young’s modulus of the phenolic material is calculated.Then,the modal characteristics of the phenolic CCL panel with the boundary condition of one end clamped and the other end free are analyzed with ANSYS software.Through the vibration experiment and hammering test, the natural frequencies of the composited phenolic CCL panel are obtained.The consistency of the theoretical results and experiment results proves the correctness of the Young’s modulus of the phenolic material.The results given in this paper have provided some parameters for analysis of the complex structures with the same materials.

vibration and wave;composited plate;vibration experiment;modal analysis

TH113.1；O32

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.012

1006-1355(2014)02-0056-03

2013-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助：（基金編號(hào)：11072164）

陳汐（1989-），女，江蘇南通人，碩士，目前從事復(fù)合材料非線性動(dòng)力學(xué)研究。

E-mail:624635565@qq.com

馮志華，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:zhfeng@suda.edu.cn