某機載設備電路板振動仿真與實測驗證方法

鐘云龍 ，李 泉 ，蔣 燦 ，張中文

（1.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣州 510610；2.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)集團有限公司，西安 710089；3.電子信息產品可靠性分析與測試技術國家地方聯(lián)合工程中心，廣州 510610）

隨著現(xiàn)代化作戰(zhàn)的需要，對飛機的機動性能要求越來越高，機載電子設備面臨著更為嚴苛的振動使用環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，在引起機載電子設備失效的環(huán)境因素中，振動約占27%[1]。為了提高電子設備的抗振能力，鑒定試驗等實物樣機試驗正應用于機載產品上，以盡早發(fā)現(xiàn)產品潛在故障。

目前，實物樣機試驗周期長、耗費高，使得試驗開展受到限制。由于建模與仿真試驗可以快速掌握電子設備的模態(tài)特性和振動響應，定位產品的薄弱環(huán)節(jié)[2-5]，且仿真試驗周期短、成本低，正在鑒定試驗中受到重視。同時，通過振動實測數(shù)據(jù)可對仿真模型進行修正，提高故障分析精度。目前，振動仿真與實測驗證相結合的方法在電子設備故障分析中正得到關注。文獻[6]對印制板的有限元成型技術進行研究，并采用試驗與計算模態(tài)分析技術進行了驗證。

現(xiàn)針對某機載設備的電路板在可靠性與環(huán)境鑒定試驗中出現(xiàn)的振動疲勞故障，開展振動仿真與實測驗證方法研究，對故障進行分析并提出改進措施。

1 電路板振動疲勞故障分析

1.1 電路板振動疲勞故障特點

某機載設備在可靠性與環(huán)境鑒定試驗中，在低溫振動條件下出現(xiàn)故障，停振后故障消失，重新施加振動后故障復現(xiàn)，表明該故障對振動敏感，初步判斷為振動條件下出現(xiàn)的焊接問題。經分析，故障定位至控制單元電路板，通過電鏡分析發(fā)現(xiàn)該電路板上的光耦器件存在焊錫裂紋，如圖1所示，與故障現(xiàn)象吻合。

圖1 焊錫裂紋圖示Fig.1 Soldering tin crack

該故障在試驗初期便出現(xiàn)，說明電路板存在振動薄弱環(huán)節(jié)，振動響應過大，導致電路板器件的焊錫在鑒定試驗中出現(xiàn)振動疲勞斷裂。根據(jù)上述失效分析已經定位了故障位置和原因，但缺乏定量的振動性能評價分析，無法有針對性地提出相應的改進措施，采取定性的改進也只能通過大量的振動試驗進行驗證。

利用有限元軟件進行振動仿真建模，可以快速地計算電路板的模態(tài)特性和振動響應，通過與實測數(shù)據(jù)對比可對模型進行驗證，提高模型和故障分析精度，彌補實物試驗的周期長，不經濟的缺陷。

首先需按電路板的組成建立電路板的仿真模型。

1.2 電路板組成

該電路板含PCB 1個，器件49個，固定方式為螺釘連接，4個固定點分別在4個角上，如圖2所示，按照圖示組成建立數(shù)字樣機模型，故障部位為圖示光耦器件的焊錫斷裂。

圖2 電路板組成圖Fig.2 Circuit board composition

2 建立振動仿真模型

2.1 模型驗證

由于實測的振動輸入譜是針對整個機載設備的，通過利用Ansys軟件將整個機載設備進行數(shù)字樣機建模，并模擬飛機實測的振動環(huán)境條件，激勵施加在機載設備的安裝位置，仿真計算完成后提取其中需分析的電路板振動仿真結果數(shù)據(jù)。

振動仿真的結果數(shù)據(jù)主要包括加速度響應、位移響應及振動應力，為了保證仿真模型的準確性，采用實測振動加速度響應與仿真的加速度響應結果對比，從而驗證仿真模型。在電路板上選取一個驗證點，作為振動試驗與仿真試驗的對比，圖3為驗證點處的振動實測加速度響應，放大了約4.7倍，圖4為試驗所測電路板上光耦器件處的振動加速度響應，放大了約8.6倍。

圖3 驗證點實測加速度響應Fig.3 Measured acceleration response of verification point

圖4 光耦處實測加速度響應Fig.4 Measured acceleration response of optocoupler

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)調整模型的密度和彈性模量，修正仿真模型并符合總質量等效原則[7]，使得仿真模型更加符合實際。在施加同樣的振動激勵條件下進行振動仿真計算，圖5為模型修正后對應光耦器件處的響應，比激勵放大了8.9倍。仿真得到驗證點處的響應如圖6所示，發(fā)現(xiàn)響應放大了約4.8倍，與實測振動響應比較吻合，驗證了修正模型的準確性。

圖5 光耦處振動仿真加速度響應Fig.5 Simulation acceleration response of optocoupler

圖6 驗證點處振動仿真加速度響應Fig.6 Simulation acceleration response of verification point

2.2 振動應力仿真

本次故障為振動疲勞斷裂，表明振動應力已經超出了焊錫允許的疲勞強度。在Ansys軟件中可直接提取電路板的振動應力，應力云圖如圖7所示。

圖7 電路板振動應力云圖Fig.7 Vibration stress cloud diagram of circuit board

該電路板上的光耦器件焊接所用焊料類型為Sn-Pb釬料（63Sn37Pb），焊料的抗拉強度為51 MPa，從圖7中可見光耦器件處的最大應力為57.1 MPa，大于焊錫的抗拉強度，因此判斷該故障為振動激勵引起電路板振動響應放大，導致器件管腳處焊點損傷引發(fā)故障。

通過上述分析可以快速定位電路板的振動薄弱環(huán)節(jié)，有助于故障的定位和機理分析，簡單高效。

3 振動薄弱環(huán)節(jié)的改進

利用振動仿真的響應結果，針對不同的薄弱環(huán)節(jié)可以采用相應的改進措施，有效地減小振動響應，提高PCB的抗振性能和可靠性水平。

3.1 PCB減振方法總結

提高PCB抗振能力的方法主要包括以下幾個方面。

（1）增加PCB的支撐點，尤其是振動響應較大的地方，可大大提高PCB板的固有頻率，降低PCB的加速度響應和振動應力，簡單實用。

（2）滿足前向倍頻程準則，不得出現(xiàn)有害的結構諧振，針對寬帶隨機振動，盡量滿足PCB一階固有頻率與機箱的一階固有頻率的比值大于2，在工程上難以實現(xiàn)的情況下，經協(xié)商也可放寬至1.5倍。針對定頻或窄帶，PCB及整機一階固有頻率必須大于主工作頻率的2倍，各階固有頻率不得與主工作頻率重合或接近。

（3）滿足反向倍頻程準則，即機箱的一階固有頻率與PCB一階固有頻率的比值大于2，但是僅針對重量較輕的PCB，固有頻率較低，如果重量過大可能會導致振動響應反而增大。

（4）使用減振器減小PCB的動態(tài)響應，主要是減小彎曲位移，延長組件的振動疲勞壽命，難點在于找到位移最大的位置，作為安裝減振器的最佳位置，并提供減振器安裝的空間，而這個時候就體現(xiàn)了振動仿真技術的優(yōu)越性。

（5）使用黏彈性材料，類似于橡膠材料，增大阻尼，能夠消耗大量的振動能量，有效降低動態(tài)位移和振動應力，但作為非金屬材料，應避免在溫度較高的條件下使用，否則會衍生出老化問題。

3.2 確定改進措施

本次故障是在鑒定試驗中出現(xiàn)，設計滿足前向倍頻程準則，在改動最小的前提下，最佳改進措施為調整電路板的固定支撐點，進一步提高電路板的固有頻率。根據(jù)振動仿真結果，光耦器件安裝位置處響應偏大，超出了器件焊錫的抗拉強度，因此在可實施的前提下優(yōu)先在該位置處增加固定支撐點，如圖8所示。

圖8 電路板增加固定點示意Fig.8 Fixed point adding for circuit board

4 振動仿真改進效果

為了驗證改進的效果，電路板改進后重新進行振動仿真分析，電路板振動應力云圖如圖9所示，最大的振動應力為31.2 MPa，能夠滿足器件焊錫抗拉強度要求。改進后實測振動加速度響應結果如圖10所示，響應減小了約3倍，進一步驗證了改進措施的有效性。由于所焊器件和焊接條件的差異，導致焊點處的應力值存在一定的分散性，因此，為了增強器件與印制板的連接，同時保護焊接點，利用1473ZG成熟工藝，在貼焊器件四周涂環(huán)氧膠，可有效地增強器件與印制板的連接。同時，采取措施后的電路板進行了相關耐久振動試驗，未出現(xiàn)故障，通過實物試驗驗證了措施的有效性。

圖9 電路板改后振動應力云圖Fig.9 Vibration stress cloud diagram of circuit board after improvement

圖10 電路板改后實測振動加速度響應Fig.10 Measured acceleration response of circuit board after improvement

5 結語

針對某機載設備電路板在鑒定試驗中出現(xiàn)的振動疲勞故障，通過采用振動仿真與實測驗證方法，結合實測數(shù)據(jù)修正仿真模型，查找出電路板振動故障的薄弱環(huán)節(jié)為光耦器件。通過改進光耦器件的固定支撐方式、增強器件與印制板的連接等措施，提高產品的抗振能力。結果表明，振動仿真與實測驗證分析方法有助于快速查找電子設備故障機理，從而節(jié)約研制成本和縮短研制周期。