针对某车型门窗操控器的PCBA，提出了一种有限元剖析中PCBA简化建模办法。经过对PCBA有限元仿真模态剖析成果与实验模态剖析成果比照，验证该简化建模办法核算成果的精确性。该办法的提出为后续对轿车电子产品PCBA进行动力学呼应剖析供给了可靠地剖析依据。
前语
跟着电子技能的开展，轿车电子产品的可靠性越来越引起人们的注重，轿车电子产品的可靠性对行人和车辆的舒适性及安全性是至关重要的。印刷电路板组件(PCBA：Printed Circuit Broad Assembly)是轿车电子产品的中心，其可靠性也是轿车电子产品可靠性的要害。
精确的有限元剖析成果能提早预知PCBA在后期实验中或许呈现的问题。PCBA由PCB、电阻、继电器、天线、芯片等零件组成。芯片、电容、继电器等器材的PIN和焊点十分细微，数量多，体积小，在有限元仿真剖析前处理阶段建模费时，核算进程中耗费过多核算资源。怎么精确、高效地树立PCBA的有限元模型，是得到精确的核算成果的要害。
本文依据某车型门窗操控器(DCM：Door Control Module)的PCBA提出一种有限元剖析中PCBA的简化建模办法，并进行有限元仿真模态剖析。经过仿真模态剖析成果与实验模态剖析成果比照，验证所提出的简化建模办法核算成果的精确性。
1 有限元剖析
1.1 模型概略
DCM的PCBA包含：PCB、接插件、大天线、小天线、继电器、电容、芯片、电阻等，器材整体数量约180个，如图1所示。其间电阻数量大于100个且体积小、质量小。
图1：某车型DCM的PCBA
1.2 模型简化
1.2.1 边界条件简化
PCB和器材之间经过外表贴装技能(SMT：Surface Mounted Technology)与PCB焊接，焊点的焊锡、PCB上的器材都对PCBA的刚度产生了必定影响。器材单个管脚(PIN)和焊锡的体积和质量相对于PCBA很小。在有限元仿真剖析中，若树立PIN和焊锡的有限元模型，焊锡的体积难确认且PIN需求区分十分细微的网格，这种建模进程杂乱且运算进程中将耗费许多核算资源。因而PCBA有限元建模时对器材的PIN和焊锡进行简化，选用面-面张贴的办法将器材和PCB的触摸面进行刚性衔接。
1.2.2 电阻简化
PCB上的电阻数量多、体积小、质量小。若在有限元剖析中直接树立电阻的模型，则在模型前处理阶段需求区分许多细微的网格，核算进程中也将耗费过多的核算资源。若以将每个细微的电阻以一个集质量点替代，将导致有限元模型前处理时刻大大添加。
经过屡次DCM操控器及与其相似结构的产品DV(Design Validation)实验调查，细微的电阻在实验进程中很少呈现因为振荡和冲击问题导致的失效，因而在建模进程中对体积较小的电阻进行简化，不树立电阻的有限元模型，但考虑电阻对PCBA质量和刚度的影响。经过调整PCB的密度和弹性模量以等效电阻被简化前的PCB。
1.2.3 简化后PCB资料参数调整
PCB和PCBA质量如表1所示。
表1：PCB和PCBA质量表
表中：PCB1为没有经过SMT的PCB;PCB2为带有一切电阻和一切焊点焊锡的PCB。
由表1可知，电阻和焊锡的质量2.90g约占PCBA总质量的2.90%。若直接将电阻和焊锡的质量删去，在有限元剖析中不予考虑是不当的。因而将电阻和焊锡的质量作为附加质量计入PCB质量中。
简化后有限元模型中PCB密度为
ρ=m/(V)= 2.592 e-3 g/mm3 (1)
式中：m为PCB2实测质量;V 为PCB1的有限元模型体积。
模型简化前PCB的弹性模量E1=17000MPa，被简化的电阻和焊锡增强了PCB的刚度。模型简化后PCB弹性模量E2的值取19000MPa时，有限元模态剖析与实验模态剖析成果前三阶模态频率相对误差到达最小值。
1.3 单元类型和资料参数
依据PCB的薄板类结构特色，经过对几种不同单元类型的PCB有限元剖析成果比较，终究PCBA的有限元剖析模型选用一阶六面体减缩积分加沙漏操控单元。
PCBA的有限元仿真剖析模型如图2所示。各零件资料参数和质量如表2所示，PCBA的有限元模型质量和实测质量如表3所示。
图2：PCBA有限元模型
表2：资料参数表
表3：PCBA质量表
1.4 仿真剖析
选用兰索斯分块法(Block Lanczos Method)进行模态剖析。模态剖析便是经过求解体系的特征方程，得到体系的特征值和特征向量，亦即振荡体系固有频率和振型。
一般多自在度体系的特征方程公式为
[K]{X}=ω2[M]{X} (2)
式中：[M]为体系的质量矩阵;[K]为体系的刚度矩阵;{X}为体系的特征向量;ω为体系的特征值。
经过有限元剖析软件对PCBA有限元模型进行模态剖析，取前三阶模态频率和振型与实验模态剖析成果进行比照，有限元剖析前三阶模态频率如表4所示，前三阶模态振型如图8、图9、图10所示。
2 实验模态剖析
2.1 实验设备
依据PCBA的结构特性，选用激光非触摸测验体系进行PCBA模态实验，该体系由德国Polytec公司出产，包含核算机、激光头、信号发生器和信号收集箱等部分，其丈量频率规模为0～200KHz，其最大的特色为非触摸扫描测验，扫描办法替代了多通道传感器，较其它测验办法有较大的优越性。
2.2 实验设置
测验开端前先进行实验设置：
1.边界条件：实验选用刚度很小的线绳将PCBA悬挂起来，悬挂点坐落试件一边的两个端点，模仿自在-自在状况。
2.鼓励办法：选用0～2000Hz正弦扫频。
3.采样频率： 0～20kHz;鼓励加Hanning窗;呼应加Hanning窗。
4.呼应丈量：在Polytec软件中将PCBA区分为20块，共30个测点，如图3所示绿色的点为激光测振体系中的激光测点。对激光扫描点进行预设，而且将信号弱的扫描点张贴反光薄膜。用激光测振体系丈量PCBA器材较少的面的速度呼应。
图3：PCBA悬挂办法及测点图
2.3 实验成果
PCBA的激光非触摸模态测验输入电压如图4所示。
图4：PCBA激光非触摸模态测验输入电压
PCBA的激光非触摸模态测验速度呼应自谱如图5所示。
图5：PCBA激光非触摸模态测验呼应自谱
PCBA的激光非触摸模态测验频响函数FRF如图6所示。
图6：PCBA激光非触摸模态测验频响函数
激光非触摸模态测验得到PCBA前三阶模态频率和阵型如图7所示。
图7：激光非触摸测验PCBA前三阶模态振型图
3 仿真模态剖析与实验模态剖析成果比照
3.1 仿真模态频率和实验模态频率比照
对PCBA的仿真模态剖析频率和实验模态剖析频率进行比照，如表4所示。
表4：仿真模态频率与实验模态频率比照
3.2 仿真模态振型和实验模态振型比较
从仿真模态剖析振型和实验模态剖析振型比较成果能够看出，前三阶模态振型共同，并按阶次对应杰出，如图8、图9和图10所示。
图8：PCBA第一阶仿真和实验模态振型比照
图9：PCBA第二阶仿真和实验模态振型比照
图10：PCBA第三阶仿真和实验模态振型比照
4 定论
有限元模型的简化是否合理、模型的参数是否精确是有限元核算能否到达预期意图的条件和要害。本文提出的PCBA有限元建模办法将PCBA的电阻、PIN、焊点以及PCB内部导线进行简化，经过调整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。器材和PCB经过面-面张贴的办法进行衔接。PCB和器材选用一阶六面体减缩积分加沙漏操控单元。经过进行有限元仿真模态剖析成果和实验模态剖析成果的比照，前三阶模态频率相对误差在4%以内，振型按阶次对应杰出。
