4
某型航空电子机箱振动仿真试验
机箱外形
电路板外形
某型航空电子机箱振动仿真试验
机箱CAD模型
电路板CAD模型
简化模型—引脚简化
质量块模型
Model Mass block Welding -band 1st 2nd 3rd order(Hz) order(Hz) order(Hz) 140.0 266.8 331.1 Element amount 13773
2 3
4
振动仿真试验的目的
振动应力分析的目的是获得产品的振动模态及给定振动激
励条件的响应分布，用于发现设计薄弱环节以指导设计改 进，提高产品耐振动设计的合理性。在获得了加速度响应 均方根值及应力响应值等相关参数后，可结合故障物理模 型给出首次失效时间，为产品可靠性预计提供参考。
振动仿真试验流程图
2. 建立产品的CAD模型和FEA模型（原始CAD模型要先进
行简化）
•设置网格尺寸和形状
•选择适当的划分方法，如自由、映射、扫掠等
•CAD model
•FEA model
振动仿真试验的详细流程
3. 进行模态仿真试验，查看共振频率和模态振型
振动仿真试验的详细流程
4. 进行实物模态试验，利用模态试验结果校正原模型
模态试验方法简介
• 锤击法模态试验原理与设备
模态试验方法简介
•模态试验关键流程
•
•准备—遍布测试点，设定约束 •采集—信号采集，平均，记录
•分析—建模，导入数据，解算分析
如何对比试验结果与仿真结果
• 直接对比频率值 • 利用模态置信准则（MAC）对比振型
模态置信矩阵是评价模态向量空间交角的一 个很好的工具，其公式表达如下：
北京航空航天大学可靠性工程研究所
可靠性仿真试验方法简介 —振动篇
李传日 lichuanri@
主要内容
1
振动仿真试验的意义 振动仿真试验的基本流程 实物模态试验介绍 振动仿真试验实例介绍
2 3
4
振动仿真试验的意义
•传统的振动试验方法正面临着巨大的挑战！ ！ ！ •有没有解决这一问题的方法？
仿真结果 对比共振频率和振型 实物模态试验
校正仿真结果
振动仿真试验的详细流程
5. 定义环境载荷，计算位移和加
速度均方根值
•加速度均方根值
随机振动剖面
•位移均方根值
振动仿真试验的详细流程
6. 对PCB、元器件和焊点进行应力分析
整机分析
PCB 应力分析 元器件应力分析
边界载荷条件
焊点应力分析
振动仿真试验的详细流程
焊接带模型
149.6
269.7
336.4
26793
频率对比
MAC
简化模型—轻元器件简化
频率对比
No. 1 2 3 4 5 Mass level (g) 10 7.2 1.1 1 0.3 Frequency (Hz) 115.41 135.11 138.68 139.80 140.00 Mass ratio (%) 4.59 3.30 0.50 0.46 0.14 Absolute value of frequency error(Hz) 14.5 5.18 8.75 9.87 10.1
振动仿真试验的定义
振动仿真试验基于故障物理 ( PoF)方法 ,利用电脑仿真工具
（有限元软件）建立产品的几何特性、材料特性、边界条 件及振动剖面，计算出产品各节点/单元的位移、加速度及 应力等，最后结合相关故障物理模型预计出产品的平均故 障首发时间。
振动仿真试验的意义
通过振动仿真试验，我们能解决什么问题？
模态试验方法简介
•模态试验修正方法
•修正简化后的模块的材料属性参数； •通过实物测量，修改部分器件尺寸与材料属性；
•对局部的元器件进行调整（补充原来省略的元器件模型）；
•对网格划分数量与质量进行调整。
模态试验方法简介
机箱模 态修正 电路板模 态修正 电路板 模态试验结果 机箱 模态试验结果
电子机箱 振动仿真 分析
确定网格数量
No. 1 2 3 4 5 6 Element size(mm) 10 5 4 3 2 1 Element amount 1165 2352 3471 5778 12765 25285 1st order frequency(Hz) 145.27 138.66 138.10 136.32 135.11 134.47
• 现代军用电子设备的高可靠性要求需要我们应该在设计 产品的可靠性是设计出来、生产出来的；
阶段就不断提高产品的可靠性。
• 融合于性能设计的可靠性设计和优化是解决这一问题的最根本方法。
传统的可靠性增长方法：
设计-制造-试验-修改 这种方法非常昂贵且耗时。
故障物理方法
随着科学技术的发展，出现了各种新的电子元器件封装
某型航空电子机箱振动仿真试验
机箱有限元模型
电路板有限元模型
PCB自由支撑条件下的结果对比
Mode Test frequency Simulation frequency Test mode First mode 129.93 136.04 Second mode 252.57 259.05 Third mode 315.86 322.08
机箱 仿真试验结果
电路板 仿真试验结果 修正电路板有限元模型
电路板 分析 故障预计分析
修正机箱有限元模型
修正后电路板 仿真试验结果
修正后机箱 仿真试验结果
主要内容
1
振动仿真试验的意义 振动仿真试验的基本流程 实物模态试验介绍 振动仿真试验实例介绍
2 3
6.4
170 2.7 1024 21511.8 1.26 1.82 0.349447 19 29 9.6 105 [hours]
6.4
技术，这要求我们找到能够在短期内评估其可靠性的技 术。
可靠性理论和技术的发展
认为故障具有随机性, 可以采用恒
数学
定故障率指数分布和无限寿命模型 来描述,对其可靠性的评价主要采用 模拟验证验证和统计评估。
物理
故障具有模糊性, 因 而可以用模糊模型来 描述。仅处于理论研 究阶段。
模糊
认为故障具有确定性, 可以用故障物理 模型来描述，即可靠性物理。同时认为
•
Simulation mode
MAC
0.95
0.91
0.94
仿真与试验随机振动结果对比
选定三点的随机振动响应PSD谱
疲劳寿命预计
经过仿真得到响应PSD谱后，可用相关模型得 到疲劳寿命，以焊点疲劳寿命经验公式为例：
life=2.7 10
24
f
11.8 n
B ctR G xy max L
•
Simulation mode
MAC
0.96
0.93
0.94
PCB固支条件下的结果对比
Mode Test frequency Simulation frequency Test mode First mode 228.95 213.4 Second mode 365.22 375.58 Third mode 526.66 552.3
电子产品也会随着时间而逐渐退化直至
故障，既电子产品寿命是有限的。
对故障规律的认识方法
故障物理的基本思想
基于故障物理的可靠性认为：
电子产品的任何故障必然是由特定的工作应力或环境应力引起的某种机
理造成的；
热
机械
化学
故障
电
空间辐射
其他
对于产品的任何故障均应分析其原因，确定其故障位置、模式、故障机
macij
其中， i 和 分别是第i 阶和第j 阶模态振 型。模态置信度 矩阵非对角元越小，则说明各阶计
j

T i i T j j
iT j
2
算振型独立性越好，反之则意味着各阶计算振型相
关性越大，相互影响越大。 模态的相关性，MAC为1表示试验和仿真相关性最 好，MAC为0表示相关性最差。 •某试验结果的模态置信准则 可以利用MAC函数计算试验和仿真结果对应
简化模型—小元器件简化
频率对比
No. 1 2 3 4 5 Feature size level (mm) 29.1 21.3 15.9 8.9 7.3 Frequency (Hz) 115.41 136.63 139.42 140.73 140.00 Feature size ratio(%） 17.12 12.53 9.35 5.24 4.29 Absolute value of frequency error(Hz) 14.5 6.70 9.49 10.8 10.1
理、造成故障的应力并计算故障时间。
故障物理的基本概念
故障模式
— 零部件、子系统或整个系统不能实现某种功能的某种表现方式。
故障机理
— 引发故障的物理、电学、化学、力学或其他过程。 —故障机理从微观方面阐明故障的本质、规律和原因，可以追朔到原子 、分子尺度和结构上的变化。
故障物理模型
— 描述故障发生的时间与产品结构参数、材料参数、承受的应力等之 间关系的模型。
7. 结构设计优化
主要内容
1
振动仿真试验的意义 振动仿真试验的基本流程 实物模态试验介绍 振动仿真试验实例介绍
2 3
4
模态试验方法简介
利用实物模态试验方法对航空电子机箱进行动力学特性研究。
•
模态试验方法简介
• 进行模态试验的目的
• 模态试验结果更符合实际情况，我们将其作为标准来修正仿真结果
• 保证仿真分析的准确性 • 保证了后续随机振动响应分析与故障预计分析的准确性