动态大图

减震器对冲击作用下电路板动态响应的影响

马培栋;何玲

【摘要】在复杂环境工作下电路板苌弘化碧的典故 会受到冲击和振动作用,容易发生损坏,可靠性低.

针对这个问题,通常做法是为电路板配置减震器.文中以实际生产中使用的电子压力

计为研究对象,利用ABAQUS软件建立电子压力计及电路板模型,模拟电子压力计

在油井中的冲击过程,分析了减震器对电路板动态响应的影响,结果表明:减震器使电

路板的最大加速度、应力及挠曲变形较降低了82.9％、88.8％和82.8％,为分析提

高电路板可靠性及减震器优化提供了依据.

【期刊名称】《机械工程师》

【年(卷),期】2019(000)002

【总页数】4页(P64-66,71)

【关键词】电路板;冲击;动态响应;有限元分析

【作者】马培栋;何玲

【作者单位】贵州大学现代制造技术教育部重点实验室,贵阳550000;贵州大学现

代制造技术教育部重点实验室,贵阳550000

【正文语种】中文

【中图分类】TE937

0引言

电子设备在生活中随处可见，随着电子设备的应用越来越广泛，对电子设备的可靠

性要求也越来越高[1]。电子设备经常在复杂多变的环境下工作，不可避免地会受

到冲击和振动的影响，而作为电子设备的主要组成部分——电路板，因其比较薄，

很容易在冲击和振动的作用下产生挠曲变形，同时电路板上的元器件、引脚及焊点

也会因此出现折断、破损等现象，导致整个电路板失效[2]。目前，解决这个问题

的最佳途径是为电子设备配置减震器，通过分析配置减震器前后对电路板在冲击和

振动过程中动态响应的影响，为评估电路板可靠性、改善电路板元器件布局及减震

器优化提供了依据。

本文以在实际生产中使用的电子压力计内部电路板为主要研究对象，建立电子压力

计及电路板的有限元模型，通过ABAQUS软件对电子压力计在油井中工作时受到

的冲击作用进行模拟，利用弹簧元件模拟减震器，分析减震器对冲击后电路板加速

度、应力及形变的影响，为评估电路板可靠性提供依据，并改善了电路板元器件布

局及减震器阻尼参数。

1减震系统分析

1.1减震系统力学模型

电子压力计在井底测量得到数据后需要返回到地面，由于电子压力计在上提时速度

较快，约为6m/s，到达井口时与安置在井口的底座相碰撞，对电子压力计产生巨

大的冲击力。而电子压力计主要由外筒和内部元件组成，电路板安装在内部元件中，

电子压力笑的句子 计工作示意图及结构如图1和图2所示。

图1工作示意图

图2内部结构图

减王维工 震器安装在内部元件和外筒之间，从图中可知，电子压力计与底座碰撞后，相当

于底座给了外筒一个加速度脉冲激励，电子压力计内部的减震系统可简化基座加速

度冲击的单级减震系统，力学模型如图3所示[3]。

图3力学模型

图3中：m代表承载有电路板的内部元件的质量，为1kg；u代表基座（外筒）

的位移；x代表防冲物体（内部元件）的位移，k和c分别代表减震系统的弹簧和

阻尼参数。该系统的运动学方程为

式中：=u-x为内部元件相对于外筒的位移；、为相对位移的一阶导数和二

阶导数，即相对位移的速度与加速度；为系统的固有频率为系统阻尼比；u（t）

为加速度脉冲激励。

1.2减震器参数选择

选择减震系统的弹簧和阻尼系数来作为电子压力计内部抗冲减震器的主要参数，而

选择参数的依据为：使防冲物体在冲击时的最大加速度值最小。

当加速度脉冲的持续时间远小于减震系统的固有频率时，可将加速度脉冲冲击看作

初速度为v0的瞬时冲击，，即电子压力计碰撞前后的速度变化量，为加速度脉

冲持续时间。此时，减震系统的运动方程为

初始条件为：（0）=0，（0）=v0。

求解方程可得出系统的相对位移为

式中

对式（3）求二阶导数得到系统的加速度为

其中

分别将式（3）、式（4）对时间t求导，求得位移和加速度响应的极值的发生时

刻，然后代入式（3）、式（4），得到系统的最大位移响应max和最大加速度

响应分别为：

将式（5）和式（6）相乘得：

由式（7）可知，当max确定时也随之确定，对式（7）进行求导，当=0.40

时有最小值，将=0.40代入到式（6）中，可得

此时，减震系统的弹簧和阻尼参数为

根据计算可知v0=7.3m/s，根据电子压力计的安装空间，max取20mm。此

时，减震系统的弹簧阻尼参数即为减震器的弹簧阻尼参数，为k=47961N/m，

c=178.85Ns/m。

2有限元仿真模型

文中分析的主要部件为电路板，将除电路板外的内部元件以质量相等原则简化为圆

柱体。同时，为了得到电路板在冲击过程中的动态响应，必须准确建立电路板的有

限元模型[6]，电路板三维模型如图4所示。

电路板三维的模型十分的复杂，如果直接用于有限元分析会造成职工代表简短发言 计算量大、网格划

分困难等问题。为了保证建模及计算效率，同时还要保证计算精度，根据局部等效

法和总质量等效法建立电路板的有限元模型，忽略芯片管脚和微小焊点的建模，将

其质量均布在电路板基板上，芯片和电容电阻则根据其轮廓尺寸和质量处理为密度

均匀的质量块，其下表面与电路板基板为绑定约束，简化后的电路板有限元模型如

图5所示[6]。

整体的有限元模型如图6所示。

图4电路板三维模型

图5电路板有限元模型

图6整体有限元模型

本文电子压力计所采用的电路板基板为覆铜箔环氧玻纤布板，即通常所说的FR-4

板，芯片主要是双列直插式封装(DIP)集成电路芯片，外筒、底座及简化后的内部

元件为不锈钢材料1C52abab r18Ni9Ti，由于采用总质量等效法，等效后的基板刚度要大

于实际刚度，所以根据相关的材料参数略微做出调整，各个组件的材料参数如表1

所示[7]：

电路板的固定方式为导轨夹紧固定，这种固定方式可方便地实现电路板的定位及快

速安装和拆卸。采用这种方式应保证有足够的夹紧力，以保证印制板不从插座中跳

出。若压紧力或夹紧力能保证在振动和冲击作用下电路板和导轨间不产生间隙碰撞，

这时电路板的边界条件可视为固定边，将电路板与插槽之间设置为绑定约束[8]。

在ABAQUS软件中，减震器可以用弹簧单元表示，将弹簧单元的两点分别与外筒

和内部元件相耦合，弹簧单元可以设置刚度和阻尼系数，根据有限元模拟仿真结果，

可以不断地调整减震器参数，提高了计算效率[10]。

3仿真结果分析

将上节得到的减震器参数输入到弹簧单元参数中去，分别仿真模拟电子压力计在在

配备减震前后的动态响应，重点关注电路板的加速度及应力情况，以及基板X方

向的挠曲变形[10]。

表1材料参数组件量弹/性GP模a(k密g度m-/3)泊松比1Cr18Ni91857800

0.30FR-41418500.28芯片1624200.30电容电阻1830000.30

3.1减震器对加速度的影响

图7为在配置减震器前后电路板上出现加速度最大值时的加速度云图。

从图7中可以看出，配置减震器前后，电路板加速度值分布变化不大，上方和下

方的加速度值大于中间部分的加速度值，但配置减震器前，电路板的最大加速度出

现在下方的电阻元件上，而配置减震器后，电路板的最大加速度出现在中上部的电

阻元件上，分别输出这两部分的加速度时间历程图，如图8所示。

从图8中可知，在配置减震器前，电路板下方电阻元件最大加速度在2.6ms达到

了9152m/s2，经查阅文献，电路板上元器件可承受的最大加速度为200g，巨大

加速度冲击造成电阻元件脱落，且电阻元件高度较高，易发生颤动，造成引脚疲劳

破坏。在配置减震器后，电路板中上部电阻元件在7.8ms出现最大加速度为

1563m/s2，加速度值在允许范围内，较配置减震器前减少了82.9%。

图7电路板加速度云图

图8电路板加速度时间历程曲线

3.2减震器对应力的影响

图9为在电子压力计配置减震器前后，电路板出现应力最大值时的应力云图。

从图9中可以看出，配置减震器之前，电路板应力分布不均匀，应力主要集中在

芯片引脚附近，局部大图如图10所示，在2.69ms最大值达到了18.4MPa，电

路板的强度极限为10MPa[2]，超过了电路板的可允许范围。应力过大会使引脚

和焊点损坏，严重时会导致电路板基板断裂[11]。

图9电路板应变云图

图10应力集中

在配置减震器后，电路板应力分布较为均匀，引脚附近没有出现明显的应力集中，

且应力也主要集中在电路板边缘，危害较小，在8.1ms出现最大值也仅有2.07

MPa，较配置减震器减少了88.8%。

3.3减震器对挠曲变形的影响

图11为电子压力计在配置减震器前后，电路板基板在X方向出现位移最大值时的

位移云图。

从图11中可知，X位移主要分布在中间区域，配置减震器之前X方向位移最大值

为0.64mm，电路板基板在X方向的位移越大，基板断裂的可能性越高。配置减

震器之后为0.11mm，减少了82.8%。

3.4电路板布局及减震器优化

从图11中可知在配置了减震器后，中间部分的挠曲变形最大，所以在设计电路板

时，重要的元器件以及在反复变形下容易产生疲劳损坏的元器件应尽量避开这一位

置[12]。

在碰撞一定时间后，虽然在没配置减震器之前，电路板基板在X方向的位移较大，

但是由于电路板基板内部存在阻尼损耗，在电路板在X方向的位移很快消失。在

配置减震器之后，碰撞后电路板会随着内部元件做自由振动，此时虽然在X方向

的位移较小，但是电路板基板会反复变形，造成引脚和焊点的疲劳损坏，所以应使

内部元件尽快恢复到静止状态。增加减震器的阻尼值可以加快对振动能量的损耗，

但是同时会增加电路板的加速度和应力，所以在电路板加速度及应力允许范围内，

使减震器阻尼取最大值。经过对减震器的参数进行调整，取阻尼系数值为c=256

Ns/m。此时，电路板上电阻元件的最大加速度为1896m/s2，芯片引脚处最大

应力为6.87MPa。

图11电路板X方向位移云图

4结论

本文利用ABAQUS软件对电子压力计在油井与井口底座发生冲击的过程进行有限

元模拟，得到了在电子压力计配置减震器前后电路板的动态响应，分析了减震器对

电路板动态响应的影响，结果表明：1)在没有减震器时，电路板在冲击过程中部分

元器件承受极大的加速度，容易造成损坏，在芯片引脚处出现应力集中，电路板基

板变形较大，电路板损坏率高，工作可靠性较差。2)通过对减震系统分析，选择了

减震器的弹簧和阻尼参数，将得到的参数输入到ABAQUS的弹簧元件中，仿真结

果表明：减震器使电路板的最大加速度、应力及挠曲变形较没配置减震器前降低了

82.9%、88.8%和82.8%，大大提高了电路板的可靠性。3)根据X方向的位移分布，

改善了电路板的布局；在确保电路板可靠性的前提下，调整了减震器参数，降低了

电路板的疲劳损坏的王之涣 风险。

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