某车型门窗控制器PCBA的简化建模方法

2 试验模态分析

2.1 试验设备

根据PCBA的结构特性，采用激光非接触测试系统进行PCBA模态试验，该系统由德国Polytec公司生产，包括计算机、激光头、信号发生器和信号采集箱等部分，其测量频率范围为0～200KHz，其最大的特点为非接触扫描测试，扫描方式代替了多通道传感器，较其它测试方式有较大的优越性。

2.2 试验设置

测试开始前先进行试验设置：

1.边界条件：试验采用刚度很小的线绳将PCBA悬挂起来，悬挂点位于试件一边的两个端点，模拟自由-自由状态。

2.激励方式：采用0～2000Hz正弦扫频。

3.采样频率： 0～20kHz；激励加Hanning窗；响应加Hanning窗。

4.响应测量：在Polytec软件中将PCBA划分为20块，共30个测点，如图3所示绿色的点为激光测振系统中的激光测点。对激光扫描点进行预设，并且将信号弱的扫描点粘贴反光薄膜。用激光测振系统测量PCBA器件较少的面的速度响应。


图3：PCBA悬挂方式及测点图

2.3 试验结果

PCBA的激光非接触模态测试输入电压如图4所示。


图4：PCBA激光非接触模态测试输入电压

PCBA的激光非接触模态测试速度响应自谱如图5所示。


图5：PCBA激光非接触模态测试响应自谱

PCBA的激光非接触模态测试频响函数FRF如图6所示。


图6：PCBA激光非接触模态测试频响函数

激光非接触模态测试得到PCBA前三阶模态频率和阵型如图7所示。


图7：激光非接触测试PCBA前三阶模态振型图

3 仿真模态分析与试验模态分析结果对比

3.1 仿真模态频率和试验模态频率对比

对PCBA的仿真模态分析频率和试验模态分析频率进行对比，如表4所示。

表4：仿真模态频率与试验模态频率对比


3.2 仿真模态振型和试验模态振型比较

从仿真模态分析振型和试验模态分析振型比较结果可以看出，前三阶模态振型一致，并按阶次对应良好，如图8、图9和图10所示。


图8：PCBA第一阶仿真和试验模态振型对比


图9：PCBA第二阶仿真和试验模态振型对比


图10：PCBA第三阶仿真和试验模态振型对比

4 结论

有限元模型的简化是否合理、模型的参数是否准确是有限元计算能否达到预期目的的前提和关键。本文提出的PCBA有限元建模方法将PCBA的电阻、PIN、焊点以及PCB内部导线进行简化，通过调整PCB的密度和弹性模量以等效被简化的电阻、PIN和焊锡的质量和刚度。器件和PCB通过面-面粘贴的方式进行连接。PCB和器件采用一阶六面体减缩积分加沙漏控制单元。通过进行有限元仿真模态分析结果和试验模态分析结果的对比，前三阶模态频率相对误差在4%以内，振型按阶次对应良好。