某型汽车电子控制器的模态仿真分析

作者: 张利民,王文平,范成建,马国星

摘要：利用ABAQUS软件建立了某型汽车电子控制器的有限元模型，并对其进行了模态仿真分析；提出了适用于该控制器的几何模型修正、单元类型选择及边界条件设定等方法；并用LMS模态试验系统对该控制器进行了模态试验，验证了仿真分析方法。

1 前言

随着汽车电子产品在整车中的广泛应用，汽车电子产品的可靠性也备受关注。振动问题是影响汽车电子产品可靠性的一个重要因素，如果在研发设计阶段就能准确的预估汽车电子产品的振动特性，则对汽车电子产品的可靠性设计具有重大的意义。利用有限元技术能够在研发设计阶段预估汽车电子产品的振动特性，但是对于具有复杂结构的电子产品来说，由于模型的复杂度，材料参数的不确定性、边界设定的非线性、计算机配置要求等因素的影响，使仿真结果的可信度不高。因此提高仿真分析的可信度是当今仿真工作者的首要任务。本文对某具有复杂结构的汽车电子控制器进行了模态仿真分析和模态试验，并对仿真分析中的几何模型修正，单元类型选择，边界条件设定等方法进行了研究。

2 汽车电子控制器结构介绍

汽车电子控制器由PCBA（集成电路板）和上、下壳体组成，如图1所示（为展示控制器内部结构，剖掉部分壳体）。装配该控制器时，先把PCBA沿壳体上的卡槽插入下壳体中，再把上壳体扣合到下壳体上，完成装配。该控制器在车上的安装方式是：用螺栓穿过壳体上的安装耳再固定到支架上。


图1：控制器的实物图

3 有限元建模和仿真计算

3.1 几何模型修正

在实际工作中发现，几何模型修正的好坏决定着网格质量的好坏。对复杂的模型来说，不修正几何模型，会增加奇异单元的数目和单元的总数目，导致仿真分析周期变长，分析成本变大，甚至使仿真分析无法进行。该控制器的PCBA上有成百上千个微小的孔和器件，壳体上有过密的硬点和线以及微小的倒圆角等，如果不修正几何模型，在中等配置的HP工作站上无法完成分析。所以在划分网格前，先对该控制器的几何模型进行修正。几何模型修正工作包括：去掉较小的倒圆角和圆孔；隐藏过密的曲线和硬点；切分不规则的几何体；忽略微小电器件等。该控制器修正后的几何模型如图2、图3、图4所示。


图2：上壳体的修正模型


图3： PCBA的修正模型


图4：下壳体的修正模型

3.2 有限元网格划分和单元类型选择

控制器的各部件均采用3D实体单元建模。其中PCBA由电路板、电容、电阻、天线、小电路板、插件，插针等部件组成，这些部件的形状较规则，采用一阶六面体单元建模，单元类型为C3D8R，需进行沙漏控制。上、下壳体的形状比较复杂，用二阶四面体进行建模，单元类型为C3D10M。模态分析时，不要使用一阶四面体单元，因为一阶四面体单元刚性偏强，容易导致模态频率偏大（下文将会给出验证）。根据这些原则划分的网格如图5、图6、图7、图8所示。


图5：上壳体的局部网格图


图6：插件和PCB的网格图


图7：电容、芯片的网格图


图8：下壳体的局部网格图

3.3 边界条件设定

对该控制器进行约束模态分析时，需固定安装孔内侧面上的所有节点。上壳体的卡槽与PCBA的间隙为零或者过盈配合的部分用Tie命令进行面对面的粘贴；下壳体的滑道和卡槽与PCBA的间隙为零或者过盈配合的部分用Tie命令进行面对面的粘贴；PCB上的较小的电容、电阻及芯片等器件与PCB直接进行面对面粘贴；为避免局部刚度过大对频率和振型造成影响，把较大的电容、电阻、芯片及接插件等电器件的针脚位置的单元与PCB进行粘贴。后文中比对了较大电器件的针脚位置的单元粘贴到PCB上的粘贴方式与面对面直接粘贴到PCB上的方式对PCBA模态频率的影响。证实了把较大电器件的针脚位置的单元粘贴到PCB上的粘贴方式更优越。

3.4 材料参数

该型汽车电子控制器实物的总重205.4克，其中PCBA重为100.1克，壳体重为105.3克，有限元模型总重为 204.9克，其中PCBA模型重为99.5克，壳体模型重为103.9克，实物和有限元模型重量的相对误差为1.0%。为了简化计算，认为电路板具有一种等效材料参数，该等效参数是通过对PCB光板的拉伸试验和测量对其测密度得到的。同样认为较大的电器件也具有一种等效材料参数，其弹性模量和泊松比是参考普通芯片的材料得到的，密度是由芯片的总重量除以总体积得到的。各个部件的材料参数如表1所示。

表1：各部件的材料参数


3.5 仿真分析结果

利用Abaqus软件对该汽车电子控制器进行约束模态分析，得到的前三阶模态频率和模态振型如图9、图10、图11所示。第一阶固有频率为172Hz，第一阶振型为控制器沿两个安装耳中心点连线的前后振动；第二阶固有频率为262Hz，第二阶振型为控制器壳体上下面的相向的凸凹振动；第三阶固有频率为293Hz，第三阶振型为控制器壳体上下面的相对的凸凹振动。


图9 ：第一阶频率：172Hz


图10：第二阶频率：262Hz


图11：第三阶频率：293Hz