摘要：阐述电子设备的随机震动基本原理，随机振动特性仿真，仿真结果表明，电子设备在振动环境下所产生的加速度响应较大，远远高于电子元器件的承受能力。
关键词：电子设备，随机振动，仿真分析。
0引言
在设计电子通信产品的过程中，不仅有产品结构强度的设计问题，还会遇到电子产品震动的可靠性问题[1-3]。如今，随着电子工业领域的快速发展，电子产品的地位开始与产品的技术指标息息相关，因此当前国内外电子产业领域的主要发展方向便是提高以及确保电子产品的可靠性。但由于试验周期、试验成本以及实验条件等因素的限制，导致现有的试验方法在开展电子产品可靠性研究的过程中效果较差，使用CAE软件开展数值仿真的方式可得到明确的计算结果，对大部分物理试验来说有着十分重要的指导意义。同时由于数值方针具有成本低、周期短以及可重复性高的优势之处，在整体研究中起到了至关重要的作用。
1随机震动基本原理
对于不同的震动的问题，所引发的结构振动原因不同，复杂程度也存在一定差别。对于确定性的振动来说，研究人员可以十分清晰的对振动的原因进行了解，可使用同样的振动条件来重现振动，进而在预定的时间出现预定的振动效果。所以在确定性振动中可以预测某个物理量在某个时刻的振动情况。而针对随机振动来说，导致其发生振动的情况较多，无法对其振动原因进行全面掌握，但使用同样的振动条件来对振动进行重现时，这是可发现整体的物理量并没有发生重复，同时也无法对未来时间的取值进行预测。对于随机振动来说，符合概率统计规律的范畴中，所以随机振动的振动规律可以使用概率统计的方式进行阐述，只能对物理量的统计值进行了解。所以相较于确定性振动来说，在研究随机振动的过程中我们只能了解其响应统计值以及系统激励统计值。在对随机过程进行实际描述时其统计方式有两类，可使用n纬概率密度函数以及n维概率分布函数来对随机过程进行描述，也可看作针对随机工程的随机变量以及样本函数的相关概率分布函数以及概率密度函数来对随机过程进行描述。在随机过程中，物理量在随时间改变的过程中无法对其变化进行预知，但其变化过程符合概率统计规律的范畴中，所以为了对电子设备在随机振动环境中的加速度水平进行预计，应对概率分布函数进行了解，而正态分布可用于快速分析中。对于随机振动，可有效去除有缺陷的组件以及有缺陷的器件，从而对电子设备的完整性进行改善，进而提高整体电子设备的可靠性。对于随机振动来说，应对三种故障方式进行综合考虑。首先为较大的加速度相应，部分电子元器件比如晶体振荡器等，当激发其内部谐振频率时，将影响他们的电气功能，因此在振动的过程中无法使其正常运行。其次为高应力现象，一旦高应力出现在结构件中，将会产生疲劳损伤，从而导致疲劳断裂现象。最后为位移响应故障。一旦两个相邻的PCB靠近时，较大的位移响应都会产生一定碰撞，进而产生破坏与断裂现象的发生。
2电子设备随机振动特性的仿真
在对某一电子设备带减振器以及不带减振器的随机振动数值仿真的过程中，可使用ANSYS有限元分析软件来进行，应对其是否需要减振器的情况进行评判。第一应简化所设计的三维模型，从而方便划分相应的网格。在划分FEA模型网格的过程中，针对PCB使用Shell181壳单元，对于实体使用Solid185四面体实体单元，最后减振器使用combin14弹簧单元。根据相关试验可将随机振动谱线输入至模型计算机仿真中。
3仿真结果
根据相关仿真结果来看，电子设备在振动环境下所产生的加速度响应较大，远远高于电子元器件的承受能力。根据托板的VonMises应力云图显示，最大的应力为260.524MPa，这种大小的应力远远大于材料铝5A06的疲劳极限。在进行随机振动时，由于材料疲劳的问题会使托板支架产生相应的疲劳裂纹，进而使材料出现失效的情况，所以在实际设计电子器件结构的过程中需要使用减振器的方式来减少应力。在设计减振器的过程中，主要使用了隔振原理，其设计方式是将基础振动的震源与电子设备进行隔离，从而减少对电子设备的影响。
4机载电子设备随机振动仿真
近年来，随着计算机辅助技术的快速发展，随机振动的CAE仿真分析在铁路交通领域以及航空航天领域中都得到了广泛使用。而对于机载电子设备来说，在随机振动环境下安装耳片振动现象较为常见，因此可使用SolidWorks结构设计软件来开展随机振动试验，从而确定失效机理，进而进行优化与完善。（1）设置材料属性。针对振动试验结果来看，耳片振断问题可能是由于耳片刚性较差，同时低阶模态的固有频率较小，同时受到外部激励出发共振点，进而导致的共振断裂现象。首先在对耳片开展CAE仿真分析的过程中，可对耳片的材料属性进行设置。首先设置耳片的材质为2A12-T4，将其密度设置为2780kg/m3，并将其屈服强度设置为315MPa，泊松比为0.31，弹性模量为73GPa。针对实际振动实验中设备的安装情况来看，应将耳片的两个插耳区域设置为约束面，将固定约束作为其约束方式。同时由于设备的总重量为1.5kg，并且在设备两旁有四个安装耳片程呈对称分布的状态，所以在耳片与设备盒体的界面上需要定义分部质量0.375kg。在设置软件的过程中，需要对振动环境激励方式进行设定，针对相关的振动加载区县来对相应的参数进行设计，并在X轴、Y轴以及Z轴三个方向统一基准激发，并开展随机振动仿真计算。同时还应对阻尼比进行定义，模态阻尼被定义为多个模式的临界阻尼比率，对于临界阻尼来说，是系统在不振荡的前提下达到平衡位置的最小阻尼。模态阻尼比率可使用现场测试的方式来进行确定，同时其具有一定的精确度，而比率大约在轻阻尼系统0.01至高阻尼系统0.15之间进行变化，当实验数据无法进行使用时，可使用相同系统的数值来对阻尼属性进行确定，比率较高时会对振动幅度进行缩小，所以应使用较低的比率。（2）耳片结构优化设计。对于耳片来说，由于其刚性较低，因此导致其低阶模态的固有频率不高，使得耳片十分容易发生共振。在低阶模态的三个方向中，耳片固定端都有较大的应力点，同时结构轻强度较低。所以耳片结构应强化固定端的抗弯强度以及刚性，进而对其固有频率进行改善，对应力分布情况进行优化。针对耳片的结构特点来说，为了避免对其安装尺寸造成影响，应避免对其质心位置以及总重量进行改变，可使用对耳片两侧增加5mm加强筋的方式来对耳片结构的抗弯程度以及刚性进行提高。在对耳片进行改造后，可使其屈服压力达到315MPa，所以对耳片结构设计进行改进可有效对随机振动的试验结果进行改善，并且避免耳片断裂现象的发生。通过对设备耳片随机振动试验的仿真分析，可对耳片断裂问题以及现象进行观察，对失效原因进行确定。改进后的新耳片使用了加强筋的结构形式，增加的重量十分有限，经仿真分析及试验验证，结构强度富裕，抗振性能优良。
5结语
针对有无减振器前后的VonMises应力对比以及加速度相应对比后可发现，电子设备在配备减振器后VonMises应力以及加速度相应均有一定程度的降低，并且减振器可对大多数振动能量进行磨损并吸收，使电子设备的振动达到可接受的范围内。带减振器的结构以及设计可极大的降低振动对于电子设备的损坏，从而提高了结构件的使用寿命。有限元分析软件的使用可对电子设备产品开展相应的随机振动仿真分析，对结构的应力变形情况以及应力分布情况进行提取，从而判断其结构设计的合理性。这种设计方式拥有成本较低以及周期较短的优势之处，同时获得的成果还可为结构工程师提供相关依据，在满足相关功能的基础上提高电子设备产品的刚度以及质量。
参考文献
[1]杨斌.电子设备的随机振动仿真分析[J].电子工艺技术,2013,34(05):299-302.
[2]贺峰,周志广,林杰,曾芳.机载电子设备随机振动仿真分析及优化设计[J].机械工程与自动化,2017(02):98-100.
[3]曹晓政,姜文涛,李倩,唐贵基.车载电子设备隔振的随机振动分析[J].云南电力技术,2018,46(06):68-71.
作者:陈炳榛 单位:同方电子科技有限公司