基于PERA SIM的电子器件振动分析
2023年2月14日 14:271概述
电子器件在工作过程中常常会受到各种振动载荷的作用，由此可能会导致其部件或连接位置的破坏。对电子器件进行振动分析可以更好的了解电子器件系统的变形及频率响应。本案例基于PERA SIM对振动台上某电子器件进行振动分析，计算其在水平正弦激励作用下的变形及频率响应。
2有限元模型建立
• 模型简化
将电子器件模型中的小倒角、孔洞等对计算结果影响较小的局部特征去除，以此提升整体网格质量，减小网格规模。简化后的几何模型如下图所示：
外壳
PCB器件
图 1 电子器件几何模型
• 划分网格
通过PERA SIM网格划分模块的全局以及局部网格控制，划分该模型共产生约19.7万单元，40万节点，电子器件及振动台的网格模型如下图所示：
图 2 电子器件网格模型
• 定义属性
点击“属性”模块，输入电子器件的材料属性，定义为各项同性的线弹性材料，其中弹性模量：210 GPa，泊松比：0.3，密度：7800kg/m3。定义电子器件的截面属性，并将材料属性与截面属性一同赋予给模型。
图 3 属性定义界面
• 连接关系
PERA SIM支持自动探测接触功能，可实现基于容差控制的接触自动创建，对于多零部件装配体的分析，极大地提高了建模效率。默认情况下，基于自动创建的接触均设置为绑定接触，可基于绑定接触的容差设置，控制接触生效区域。此外，可直接将绑定接触转换为一般接触，如摩擦接触、无摩擦接触等，以满足不同的分析需求。
图 4 自动接触探测以及接触参数设置
图 5 接触类型的一键转换
• 边界条件及载荷
本案例的计算分为两个部分，分别为模态分析与谐响应分析。在模态分析部分对振动台底部施加固定约束，谐响应分析为固定约束处沿Z向的位移载荷，幅值为10mm，相位角为0。
图 6 边界条件设置
• 求解参数
模态分析中，提取其前20阶模态，之后进行谐响应分析，扫频范围为0~1400 Hz，结构阻尼系数设置为0.04。
图 7求解参数设置
3有限元计算结果
3.1 模态分析结果
在后处理部分中，隐藏振动台外壳，查看电子器件的模态振型，并与国际某主流软件X计算结果对比（受篇幅限制，文中仅展示前六阶模态结果对比）：
左：一阶模态（PERA SIM） 右：一阶模态（X软件）
左：二阶模态（PERA SIM） 右：二阶模态（X软件）
左：三阶模态（PERA SIM） 右：三阶模态（X软件）
左：四阶模态（PERA SIM） 右：四阶模态（X软件）
左：五阶模态（PERA SIM） 右：五阶模态（X软件）
左：六阶模态（PERA SIM） 右：六阶模态（X软件）
图 8 PERA SIM与国际主流软件X的部分模态振型比对
表 1 PERA SIM与X软件的前六阶固有频率
3.2 谐响应分析结果
在谐响应部分中，选取特定位置，输出其随频率响应的X向变形幅值曲线，并与X软件计算结果对比，选取位置如下图所示：
图 9 谐响应输出幅值曲线位置
PERA SIM与X软件输出幅值曲线如下图所示，并选取最大峰值点与最小峰值点比对其数值（如下图中的1号与2号点位）：
a) PERA SIM位移幅值曲线
b) X软件位移幅值曲线
图 10 PERA SIM及X软件特定位置X向位移幅值变化曲线
表 2 PERA SIM与X软件最大峰值点与最小峰值点对比
4结论
本文基于自主有限元软件PERA SIM建立某电子器件的有限元模型，并分别进行模态分析与谐响应分析，针对多零部件的装配体，PERA SIM可实现接触的自动创建，极大地提高了建模效率并且可以调整接触容差控制接触生效区域。此外，在相同边界及求解参数设置下，基于PERA SIM的电子器件振动分析计算结果与国际某主流软件计算结果偏差在3%以内，计算精度较高。
作者：安世亚太结构工程师 安小龙
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