濾波器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘 要：鑒于沖壓式濾波器外殼須灌封，機(jī)加工外殼質(zhì)量大、成本高及生產(chǎn)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，本文基于模塊化、系列化設(shè)計(jì)理論，突破原有濾波器外殼結(jié)構(gòu)限制，在沖壓外殼底部設(shè)計(jì)PCB鎖緊組件，自鎖于外殼底部，用于固定PCB組件。整個(gè)濾波器無須灌封，質(zhì)量輕，生產(chǎn)成本低。外殼和鎖緊組件系列化設(shè)計(jì)可滿足多種產(chǎn)品需求，縮短濾波器樣品試制時(shí)間，提高研發(fā)效率。對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證強(qiáng)度安全、可靠，滿足中、低強(qiáng)度外載荷環(huán)境使用要求。

關(guān)鍵詞：濾波器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模塊化；強(qiáng)度仿真

中圖分類號(hào)：TH 113" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電源內(nèi)部開關(guān)管和整流管的通斷過程、電源內(nèi)部的寄生電容充放電過程和變壓器件的工作過程等都將產(chǎn)生電源噪聲，為了抑制電源噪聲進(jìn)入后續(xù)電路，電源濾波器具有廣泛應(yīng)用[1]。電源EMI濾波器封裝結(jié)構(gòu)有沖壓結(jié)構(gòu)、機(jī)加工結(jié)構(gòu)等。濾波器沖壓結(jié)構(gòu)具備殼壁薄、沖壓工藝批產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，然而只能采用冷軋鋼等進(jìn)行沖壓，內(nèi)部PCB板無法固定，需要灌封膠黏劑密封，整體質(zhì)量較大。濾波器機(jī)加工結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是PCB板通過螺釘鎖緊在外殼上，無須灌封，螺釘接地方便；缺點(diǎn)是成本高，殼壁厚，內(nèi)部螺釘固定凸臺(tái)占用空間。航空航天領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品有輕量化要求，為了進(jìn)一步降低濾波器的質(zhì)量和成本，本文將設(shè)計(jì)一款輕量化濾波器結(jié)構(gòu)，以更好地滿足使用要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾波器機(jī)加工結(jié)構(gòu)通過螺釘固定PCB組件，無須灌封；沖壓結(jié)構(gòu)殼壁薄，沖壓成本低，本文結(jié)合2種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)一款輕量化、低成本的濾波器結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)腔體采用沖壓工藝加工，殼壁薄，批產(chǎn)成本低。腔體頂部設(shè)計(jì)安裝法蘭，用于安裝、固定濾波器，腔體底部設(shè)計(jì)4個(gè)腰形孔且下沉1mm，用于安裝4組復(fù)合螺柱組件，復(fù)合螺柱組件用于固定PCB板組件，取代機(jī)加工結(jié)構(gòu)PCB組件安裝凸臺(tái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的模塊化、輕量化。

濾波器輕量化結(jié)構(gòu)如圖1所示（整體圖如圖1（a）所示，爆炸圖如圖1（b）所示），由腔體、蓋板、接線片組件、接地組件和模塊化PCB鎖緊組件等組成。接線片組件由接線片和絕緣子組成；接地組件由直角接線片和鉚釘組成；PCB鎖緊組件由平頭螺釘、平墊圈、彈墊圈和雙頭孔復(fù)合螺柱組成。外形整體結(jié)構(gòu)與沖壓結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于增加了PCB鎖緊組件，同時(shí)腔體底部設(shè)計(jì)有4個(gè)凹槽孔，PCB鎖緊組件安裝于凹槽孔內(nèi)，如圖2所示。組裝方式如下。平頭螺釘穿過腔體底部凹槽孔，放置平墊圈，放置彈墊圈，放置復(fù)合螺柱，放置PCB組件，放置平墊圈，放置彈墊圈，放置平頭螺釘。平頭螺釘截面為腰形，具備防轉(zhuǎn)功能。整個(gè)結(jié)構(gòu)通過鎖緊組件實(shí)現(xiàn)PCB組件的安裝固定功能（取代灌封膠固定功能），通過金屬腔體和蓋板的焊接實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽和密封功能。通過復(fù)合螺柱高度和腔體外形尺寸系列化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)系列化。系列化設(shè)計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)可以提前采購(gòu)入庫(kù)，研制過程中可以直接從倉(cāng)庫(kù)中領(lǐng)取對(duì)應(yīng)尺寸的結(jié)構(gòu)體，有效規(guī)避產(chǎn)品研制過程中結(jié)構(gòu)體采購(gòu)緩慢、研制周期長(zhǎng)的問題。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

產(chǎn)品在運(yùn)輸、搬運(yùn)和作業(yè)過程中承受沖擊、振動(dòng)等外載荷，為了確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能承受裝卸、運(yùn)輸、使用環(huán)境中發(fā)生的非重復(fù)沖擊能力以及承受壽命周期內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)能力，對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析和沖擊仿真分析，在設(shè)計(jì)階段保證產(chǎn)品的沖擊振動(dòng)強(qiáng)度，避免產(chǎn)品在使用環(huán)境中因強(qiáng)度不足而遭到破壞[2]。

2.1 模態(tài)分析

基于模態(tài)疊加法的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，需要先獲取產(chǎn)品的各階模態(tài)，因此先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)分析[3]。同時(shí)模態(tài)分析可以在設(shè)計(jì)階段得到產(chǎn)品的各階模態(tài)，避開產(chǎn)品的工作頻率，防止產(chǎn)生共振。模態(tài)為結(jié)構(gòu)的固有屬性，與載荷無關(guān)，模態(tài)分析簡(jiǎn)化為無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，其平衡方程如公式（1）所示。

M+KX=0 （1）

式中：M為結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；為結(jié)構(gòu)的加速度；K為結(jié)構(gòu)的等效剛度；X為結(jié)構(gòu)的位移向量。

方程的解如公式（2）所示。

Xi=A（i）sin（ωni+φi） （2）

式中：ωni為第i階振型的固有頻率；φi為第i階振型的頻率相位角。

經(jīng)過n次迭代計(jì)算可得頻率，如公式（3）所示。

（3）

式中：λi為特征向量。

工程問題的理論計(jì)算較復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，易出錯(cuò)，因此一般采用仿真軟件對(duì)產(chǎn)品模態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算。約束法蘭安裝孔，利用ABAQUS仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行帶約束條件的模態(tài)仿真計(jì)算，提取前30階頻率，見表1。從表1可以看出，1階頻率為61Hz，30階頻率為3500Hz，其固有頻率分布較廣，選用此結(jié)構(gòu)之前，需要對(duì)比產(chǎn)品使用環(huán)境振動(dòng)頻率，避開固有頻率，防止共振發(fā)生。第30階頻率為3500Hz，為隨機(jī)振動(dòng)仿真頻率上限2000Hz的1.75倍，為隨機(jī)振動(dòng)仿真提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

前4階模態(tài)振型如圖3所示。由圖3可知，1階振型為沿Z軸移動(dòng)，2階振型為繞X軸旋轉(zhuǎn)，3階振型為繞Y軸旋轉(zhuǎn)，4階振型為繞X軸和Y軸的對(duì)角線旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型圖可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)與使用。當(dāng)工作頻率在1階振型附近時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注連接件拉應(yīng)力，當(dāng)工作頻率在2階模態(tài)、3階模態(tài)和4階模態(tài)附近時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注被連接件擠壓應(yīng)力和彎矩剛度。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

2.2.1 模型簡(jiǎn)化

對(duì)仿真結(jié)果影響不大和不重要的模型特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，有利于降低模型復(fù)雜度，避免模型不收斂情況，提高模型計(jì)算效率。本文將電感簡(jiǎn)化為磁環(huán)，將電感質(zhì)量全部施加在磁環(huán)上；將磁環(huán)底部與PCB板直接Tie連接，模擬漆包線與PCB板焊接、電感與PCB板膠接（仿真結(jié)果不考慮漆包線強(qiáng)度），將螺栓簡(jiǎn)化為無螺紋柱段，采用Tie連接方式模擬螺栓連接，取消螺栓預(yù)緊力。

2.2.2 材料設(shè)置

根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模型，材料需要設(shè)置密度、彈性模量和泊松比3個(gè)參數(shù)，各零件的材料參數(shù)見表2。

2.2.3 分析步設(shè)置

隨機(jī)振動(dòng)仿真過程設(shè)置2個(gè)分析步，第一個(gè)分析步為頻率分析步，用于提取頻率，本次提取前30階頻率。第二個(gè)分析步為基于模態(tài)的隨機(jī)響應(yīng)分析步，掃頻范圍為50Hz～2000Hz，阻尼設(shè)為0.03。

2.2.4 施加約束

對(duì)產(chǎn)品安裝法蘭進(jìn)行固定約束，功率譜密度曲線如圖4所示。根據(jù)圖4功率譜密度曲線對(duì)X、Y、Z軸向共6個(gè)方向施加外載荷。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件見表3，試驗(yàn)條件按表3中的條件D執(zhí)行，即加速度譜密度為10（m/s2）2/Hz。

2.2.5 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，與X向和Z向相比，Y向隨機(jī)振動(dòng)工況最惡劣，應(yīng)力最大，其應(yīng)力云圖如圖5所示，RMS最大應(yīng)力發(fā)生在腔體安裝法蘭處，因此安裝法蘭處為結(jié)構(gòu)薄弱部位。

選取法蘭處最大應(yīng)力點(diǎn)，繪制RMS應(yīng)力-頻率曲線，如圖6所示。由圖6可知，最大RMS應(yīng)力為100MPa，則3σ=

300MPa，大于屈服強(qiáng)度205MPa，小于抗拉強(qiáng)度335MPa，此網(wǎng)格點(diǎn)將發(fā)生塑性變形，但不會(huì)產(chǎn)生裂紋。從圖6還可看出，曲線在第6階頻率（377Hz）和第7階頻率（427Hz）快速上升，說明第6階頻率和第7階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞強(qiáng)度較大，因此產(chǎn)品使用環(huán)境應(yīng)避開第6階頻率和第7階頻率。

選取最大應(yīng)力附近網(wǎng)格點(diǎn)，繪制RMS應(yīng)力-頻率曲線，RMS值曲線如圖7所示，最大RMS值為66MPa，3σ=198MPa，小于屈服強(qiáng)度205MPa。仿真結(jié)果表明，按條件D進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品將在安裝法蘭處發(fā)生極小范圍的塑性變形，但不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

由于沖壓腔體厚度限制，強(qiáng)度有限，因此此類結(jié)構(gòu)適用于中小強(qiáng)度振動(dòng)環(huán)境，不適用于惡劣振動(dòng)環(huán)境。

2.3 沖擊仿真分析

模型簡(jiǎn)化。沖擊仿真模型同隨機(jī)振動(dòng)仿真進(jìn)行簡(jiǎn)化，以降低計(jì)算時(shí)間及避免模型不收斂情況。

材料設(shè)置。沖擊仿真材料設(shè)置同隨機(jī)振動(dòng)仿真材料設(shè)置，還要設(shè)置密度、彈性模量、泊松比3個(gè)參數(shù)。

分析步設(shè)置。沖擊仿真采用動(dòng)力隱式分析步，分為零載階段、加載階段、卸載階段和零載階段共4個(gè)階段，分析總時(shí)間設(shè)為16.5ms。

施加約束。對(duì)結(jié)構(gòu)安裝法蘭除沖擊方向之外的5個(gè)自由度進(jìn)行約束，采用后峰鋸齒波，分別對(duì)模型施加X、Y、Z軸向沖擊載荷，如圖8所示，峰值取300m/s2，脈沖持續(xù)時(shí)間為11ms。

仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示在Y向沖擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力最大，工況最惡劣，其應(yīng)力云圖如圖9所示，最大應(yīng)力發(fā)生在鎖緊組件彈簧墊圈處，因此彈簧墊圈為危險(xiǎn)件。

選取彈簧墊圈最大應(yīng)力點(diǎn)，繪制應(yīng)力-時(shí)間曲線，如圖10所示。由圖10可知，最大沖擊應(yīng)力發(fā)生在沖擊載荷滿載時(shí)刻，為49.8MPa，小于屈服強(qiáng)度205MPa，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形，更不會(huì)產(chǎn)生裂紋等失效現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠。

隱藏腔體和蓋板后的位移云圖如圖11所示。最大位移發(fā)生在PCB板處，選取位移最大點(diǎn)，繪制位移-時(shí)間曲線，如圖12所示。由圖12可知，最大位移發(fā)生在沖擊載荷滿載時(shí)刻，為2.4μm。進(jìn)一步可知，沖擊過程中，器件間的最大位移不超過2.4μm，由于器件與器件間的距離、器件與腔體、蓋板間的距離均＞1mm，因此沖擊過程中，器件間不會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象，也不會(huì)與結(jié)構(gòu)體間發(fā)生碰撞現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明產(chǎn)品可以抵抗30g、11ms的沖擊載荷，強(qiáng)度可靠。

3 結(jié)論

本文結(jié)合濾波器沖壓結(jié)構(gòu)和機(jī)加工結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，基于模塊化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了一款輕量化濾波器結(jié)構(gòu)，腔體和蓋板采用沖壓方式成型，腔體底部安裝PCB板鎖緊組件，PCB組件通過鎖緊組件安裝固定，整個(gè)結(jié)構(gòu)安裝可靠，無須灌封，質(zhì)量比傳統(tǒng)沖壓結(jié)構(gòu)和機(jī)加工結(jié)構(gòu)低，同時(shí)批產(chǎn)成本也顯著降低。鎖緊組件長(zhǎng)度和腔體尺寸系列化設(shè)計(jì)可滿足不同結(jié)構(gòu)尺寸要求。對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊振動(dòng)仿真，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以承受中低強(qiáng)度外載荷，無法承受高強(qiáng)度振動(dòng)載荷。

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