某型汽車電子控制器的模態(tài)仿真分析
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隨著汽車電子產(chǎn)品在整車中的廣泛應(yīng)用，汽車電子產(chǎn)品的可靠性也備受關(guān)注。振動問題是影響汽車電子產(chǎn)品可靠性的一個重要因素，如果在研發(fā)設(shè)計階段就能準(zhǔn)確的預(yù)估汽車電子產(chǎn)品的振動特性，則對汽車電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計具有重大的意義。利用有限元技術(shù)能夠在研發(fā)設(shè)計階段預(yù)估汽車電子產(chǎn)品的振動特性，但是對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品來說，由于模型的復(fù)雜度，材料參數(shù)的不確定性、邊界設(shè)定的非線性、計算機(jī)配置要求等因素的影響，使仿真結(jié)果的可信度不高。因此提高仿真分析的可信度是當(dāng)今仿真工作者的首要任務(wù)。本文對某具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的汽車電子控制器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析和模態(tài)試驗，并對仿真分析中的幾何模型修正，單元類型選擇，邊界條件設(shè)定等方法進(jìn)行了研究。
2 汽車電子控制器結(jié)構(gòu)介紹
汽車電子控制器由PCBA（集成電路板）和上、下殼體組成，如圖1所示（為展示控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，剖掉部分殼體）。裝配該控制器時，先把PCBA沿殼體上的卡槽插入下殼體中，再把上殼體扣合到下殼體上，完成裝配。該控制器在車上的安裝方式是：用螺栓穿過殼體上的安裝耳再固定到支架上。
圖1：控制器的實物圖
3 有限元建模和仿真計算
3.1 幾何模型修正
在實際工作中發(fā)現(xiàn)，幾何模型修正的好壞決定著網(wǎng)格質(zhì)量的好壞。對復(fù)雜的模型來說，不修正幾何模型，會增加奇異單元的數(shù)目和單元的總數(shù)目，導(dǎo)致仿真分析周期變長，分析成本變大，甚至使仿真分析無法進(jìn)行。該控制器的PCBA上有成百上千個微小的孔和器件，殼體上有過密的硬點和線以及微小的倒圓角等，如果不修正幾何模型，在中等配置的HP工作站上無法完成分析。所以在劃分網(wǎng)格前，先對該控制器的幾何模型進(jìn)行修正。幾何模型修正工作包括：去掉較小的倒圓角和圓孔；隱藏過密的曲線和硬點；切分不規(guī)則的幾何體；忽略微小電器件等。該控制器修正后的幾何模型如圖2、圖3、圖4所示。
圖2：上殼體的修正模型
圖3： PCBA的修正模型
圖4：下殼體的修正模型
3.2 有限元網(wǎng)格劃分和單元類型選擇
控制器的各部件均采用3D實體單元建模。其中PCBA由電路板、電容、電阻、天線、小電路板、插件，插針等部件組成，這些部件的形狀較規(guī)則，采用一階六面體單元建模，單元類型為C3D8R，需進(jìn)行沙漏控制。上、下殼體的形狀比較復(fù)雜，用二階四面體進(jìn)行建模，單元類型為C3D10M。模態(tài)分析時，不要使用一階四面體單元，因為一階四面體單元剛性偏強(qiáng)，容易導(dǎo)致模態(tài)頻率偏大（下文將會給出驗證）。根據(jù)這些原則劃分的網(wǎng)格如圖5、圖6、圖7、圖8所示。
圖5：上殼體的局部網(wǎng)格圖
圖6：插件和PCB的網(wǎng)格圖
圖7：電容、芯片的網(wǎng)格圖
圖8：下殼體的局部網(wǎng)格圖
3.3 邊界條件設(shè)定
對該控制器進(jìn)行約束模態(tài)分析時，需固定安裝孔內(nèi)側(cè)面上的所有節(jié)點。上殼體的卡槽與PCBA的間隙為零或者過盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對面的粘貼；下殼體的滑道和卡槽與PCBA的間隙為零或者過盈配合的部分用Tie命令進(jìn)行面對面的粘貼；PCB上的較小的電容、電阻及芯片等器件與PCB直接進(jìn)行面對面粘貼；為避免局部剛度過大對頻率和振型造成影響，把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元與PCB進(jìn)行粘貼。后文中比對了較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式與面對面直接粘貼到PCB上的方式對PCBA模態(tài)頻率的影響。證實了把較大電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上的粘貼方式更優(yōu)越。
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