基于汽車電子控制器的模態(tài)仿真技術(shù)研究

1 前言

隨著汽車電子產(chǎn)品在整車中的廣泛應(yīng)用，汽車電子產(chǎn)品的可靠性也備受關(guān)注。振動(dòng)問題是影響汽車電子產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要因素，如果在研發(fā)設(shè)計(jì)階段就能準(zhǔn)確的預(yù)估汽車電子產(chǎn)品的振動(dòng)特性，則對(duì)汽車電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)具有重大的意義。利用有限元技術(shù)能夠在研發(fā)設(shè)計(jì)階段預(yù)估汽車電子產(chǎn)品的振動(dòng)特性，但是對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品來說，由于模型的復(fù)雜度，材料參數(shù)的不確定性、邊界設(shè)定的非線性、計(jì)算機(jī)配置要求等因素的影響，使仿真結(jié)果的可信度不高。因此提高仿真分析的可信度是當(dāng)今仿真工作者的首要任務(wù)。本文對(duì)某具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的汽車電子控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗(yàn)，并對(duì)仿真分析中的幾何模型修正，單元類型選擇，邊界條件設(shè)定等方法進(jìn)行了研究。

2 汽車電子控制器結(jié)構(gòu)介紹

汽車電子控制器由PCBA(集成電路板)和上、下殼體組成，如圖1所示(為展示控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，剖掉部分殼體)。裝配該控制器時(shí)，先把PCBA沿殼體上的卡槽插入下殼體中，再把上殼體扣合到下殼體上，完成裝配。該控制器在車上的安裝方式是：用螺栓穿過殼體上的安裝耳再固定到支架上。

圖1 控制器的實(shí)物圖

圖2 上殼體的修正模型

圖3 PCBA的修正模型

圖4 下殼體的修正模型

3 有限元建模和仿真計(jì)算

3.1幾何模型修正

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，幾何模型修正的好壞決定著網(wǎng)格質(zhì)量的好壞。對(duì)復(fù)雜的模型來說，不修正幾何模型，會(huì)增加奇異單元的數(shù)目和單元的總數(shù)目，導(dǎo)致仿真分析周期變長，分析成本變大，甚至使仿真分析無法進(jìn)行。該控制器的PCBA上有成百上千個(gè)微小的孔和器件，殼體上有過密的硬點(diǎn)和線以及微小的倒圓角等，如果不修正幾何模型，在中等配置的HP工作站上無法完成分析。所以在劃分網(wǎng)格前，先對(duì)該控制器的幾何模型進(jìn)行修正。幾何模型修正工作包括：去掉較小的倒圓角和圓孔;隱藏過密的曲線和硬點(diǎn);切分不規(guī)則的幾何體;忽略微小電器件等。該控制器修正后的幾何模型如圖2、圖3、圖4所示。

3.2有限元網(wǎng)格劃分和單元類型選擇

控制器的各部件均采用3D實(shí)體單元建模。其中PCBA由電路板、電容、電阻、天線、小電路板、插件，插針等部件組成，這些部件的形狀較規(guī)則，采用一階六面體單元建模，單元類型為C3D8R,需進(jìn)行沙漏控制。上、下殼體的形狀比較復(fù)雜，用二階四面體進(jìn)行建模，單元類型為C3D10M.模態(tài)分析時(shí)，不要使用一階四面體單元，因?yàn)橐浑A四面體單元?jiǎng)傂云珡?qiáng)，容易導(dǎo)致模態(tài)頻率偏大(下文將會(huì)給出驗(yàn)證)。根據(jù)這些原則劃分的網(wǎng)格如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 上殼體的局部網(wǎng)格圖

圖6 插件和PCB的網(wǎng)格圖

圖7 電容、芯片的網(wǎng)格圖

圖8 下殼體的局部網(wǎng)格圖

3.3邊界條件設(shè)定

對(duì)該控制器進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)，需固定安裝孔內(nèi)側(cè)面上的所有節(jié)點(diǎn)。上殼體的卡槽與PCBA的間隙為零或者過盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對(duì)面的粘貼;下殼體的滑道和卡槽與PCBA的間隙為零或者過盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對(duì)面的粘貼;PCB上的較小的電容、電阻及芯片等器件與PCB直接進(jìn)行面對(duì)面粘貼;為避免局部剛度過大對(duì)頻率和振型造成影響，把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元與PCB進(jìn)行粘貼。后文中比對(duì)了較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式與面對(duì)面直接粘貼到PCB上的方式對(duì)PCBA模態(tài)頻率的影響。證實(shí)了把較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式更優(yōu)越。

3.4材料參數(shù)

該型汽車電子控制器實(shí)物的總重205.4克，其中PCBA重為100.1克，殼體重為105.3克，有限元模型總重為204.9克，其中PCBA模型重為99.5克，殼體模型重為103.9克，實(shí)物和有限元模型重量的相對(duì)誤差為1.0%.為了簡化計(jì)算，認(rèn)為電路板具有一種等效材料參數(shù)，該等效參數(shù)是通過對(duì)PCB光板的拉伸試驗(yàn)和測量對(duì)其測密度得到的。同樣認(rèn)為較大的電器件也具有一種等效材料參數(shù)，其彈性模量和泊松比是參考普通芯片的材料得到的，密度是由芯片的總重量除以總體積得到的。各個(gè)部件的材料參數(shù)如表1所示。