全面剖析航空电子设备PCB组件

实验模态分析是若干工程学科的综合，它通过建立试验"装置"、估计频响函数、系统识别、识别结果验证4 个步骤得到系统的模态参数：固有频率、振型、模态阻尼等。实验模态分析的结果经常被用来检验有限元分析模型的有效性和正确性。为了检验本文所建立的对象PCB 组件的有限元分析模型的有效性和模态分析结果的正确性，对该PCB 组件进行了实验模态分析。

　　2.1 实验模态分析系统

　　本文采用的模态试验系统由激振器、力传感器、夹具、试验对象、激光测振仪（IVS200）、动态信号分析仪（DP730）、数据采集记录软件（SignalCalc730）/模态分析软件（ME’Scope V4）及PC 构成，如图6 所示。

　　图6 试验模态分析系统的构成

　　为了使得实验模态分析中对象PCB 组件的边界条件与有限元模态分析中的边界条件一致，将对象PCB 组件通过4 个15mm 高的压铆螺母柱用螺钉固定在夹具板上。具体如图7 所示。实验过程采用正弦扫频激励试验对象，通过激光测振仪来采激PCB 组件的响应，有动态信号分析仪和数据处理软件来计算PCB 组件上各点的频率响应函数（FRF），最后利用模态分析软件从中辨识系统的模态参数。

　　图7 对象PCB 组件在夹具上的安装

　　2.2 实验模态分析结果

　　选取对象PCB 组件上距离相等的若干个点，通过逐点扫描的方式获得各点的频率响应函数（FRF），进而辨识出PCB 组件的模态参数。具体辨识结果列在表3 中。

　　表3 实验模态分析结果

　　图8 PCB 组件第1 阶振型（EMA）

　　图9 PCB 组件第2 阶振型（EMA）

　　图10 PCB 组件第3 阶振型（EMA）

　　3 结果比较及讨论

　　为了检验有限元模态分析结果与实验模态分析结果的一致性，进而判断所建立的对象PCB 组件有限元模型的正确性和与实验模型的相关程度，需要将有限元模态分析结果与实验模态分析结果进行比较，具体见表4。有限元模态分析结果和实验模态分析结果的比较过程需要经历两个步骤：首先是比较二者的固有频率值，然后再对二者的模态的相关程度（MAC）进行比较。对固有频率的比较是最常用的步骤，但是如果实验模态分析的结果和有限元模态分析的结果不是按照严格按照阶次对应的话，仅对固有频率进行比较就会存在出现错误的风险。这是由于系统中的两个相同的频率值可能对应两个截然不同的振型。因此，只有同时进行以上两个步骤才能准确判断有限元分析模型与实验模型的相关程度。

　　表4 模态分析结果比较

　　表4 显示有限元模态分析结果和实验模态分析结果具有很好的一致性。有限元模态分析得到固有频率与实验结果相比误差小于7%，二者的振型的相关程度大于0.75。并且，实验得到振型恰好与模态分析得到的振型是按阶次对应的。

　　4 总结

　　文中以航电的设备的PCB 组件为研究对象，首先建立了有限元分析模型，并采用兰索斯分块法计算了其前3 阶固有频率和振型。然后，为了检验该计算结果的正确性，并确定有限元模型与实际PCB 组件的相关程度，利用实验模态分析系统对对象PCB 组件进行了实验模态分析。最后，计算结果和实验结果比较显示：有限元模态分析结果和实验模态分析结果具有很好的一致性，文中得到的对象PCB 组件的动态特性数据是正确的、可靠的，该有限元模型可以用于后续的动力学响应分析工作。