電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中，難免會(huì)受到各種形式的振動(dòng)沖擊，這類激勵(lì)通常具有隨機(jī)性和不確定性，迫使產(chǎn)品局部承受較大交變應(yīng)力進(jìn)而引起振動(dòng)疲勞失效。本文將以顯卡模型為例，闡述如何使用ANSYS Mechanical聯(lián)合ANSYS nCode DesignLife進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真。

大咖慧網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)

2022年5月24日-26日，安世亞太大咖慧推出電子行業(yè)疲勞壽命專題線上培訓(xùn)，專題講座包含：隨機(jī)振動(dòng)載荷下支撐構(gòu)件疲勞壽命評(píng)估、PCB電路板中的焊點(diǎn)可靠性分析、PCB電路板疲勞壽命分析內(nèi)容，不容錯(cuò)過(guò)。

報(bào)名方式

案例背景描述

計(jì)算幾何為簡(jiǎn)化的顯卡模型，見(jiàn)下圖。PCB板、金屬支架材料為結(jié)構(gòu)鋼，其余構(gòu)件簡(jiǎn)化為鋁合金。金屬支架左側(cè)3端面固定支撐，隨機(jī)振動(dòng)載荷類型為G加速度譜，方向?yàn)閅向，具體數(shù)值見(jiàn)圖，計(jì)算該工況下的疲勞壽命。

圖 1模型

圖2 G加速度譜

1、仿真流程搭建

為提升計(jì)算效率，本例采用MSUP諧響應(yīng)分析聯(lián)合nCode進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真。具體模塊搭建如下：

圖 3仿真流程

注：使用該方法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算時(shí)，需先將nCode模塊拖拽至“modal”模塊處，然后再將“Harmonic Response”的solution與“nCode”的solution相連，完成流程搭建。若直接將“Harmonic Response”與“nCode”相連，在后續(xù)提交計(jì)算時(shí)，軟件會(huì)提示沒(méi)有材料數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行求解計(jì)算。

2、仿真關(guān)鍵步驟

1) 模態(tài)計(jì)算

模態(tài)計(jì)算的結(jié)果-固有頻率為結(jié)構(gòu)的固有屬性，所以在仿真中只需設(shè)置結(jié)構(gòu)的約束條件和提取的階數(shù)即可。從工程經(jīng)驗(yàn)的角度，一般建議模態(tài)提取的最高頻至少為最高激勵(lì)頻率的1.5倍。在本例中，根據(jù)軟件默認(rèn)的6階固有頻率計(jì)算所得的最高頻率為810.16Hz>750Hz（1.5*500），所以可以不增加計(jì)算階數(shù)，否則應(yīng)適當(dāng)增加直至滿足該要求。

圖 4固定支撐設(shè)置

圖 5模態(tài)計(jì)算結(jié)果

2)  MSUP諧響應(yīng)計(jì)算

由于在模態(tài)分析中已經(jīng)施加了固定支撐，所以在諧響應(yīng)分析中不再設(shè)置。只需施加激勵(lì)即可。因?yàn)镻SD譜為G加速度譜，所以在諧響應(yīng)分析中施加加速度激勵(lì)，大小為9.8m/s^2，詳見(jiàn)下圖。

圖 6加速度設(shè)置

掃頻范圍參考PSD譜，將“Range Maximum”設(shè)置為500Hz。為準(zhǔn)確捕捉共振響應(yīng)，打開(kāi)“ClusterReslut”選項(xiàng)。為避免共振響應(yīng)失真，施加數(shù)值為0.01的阻尼比。

圖 7分析設(shè)置

3) 隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算

PSD譜輸入

雙擊“nCode SN VibrationPSD（DesignLife）”模塊中的solution進(jìn)入nCode環(huán)境。右鍵點(diǎn)擊“VibrationGenerator”-properties，在彈出窗口輸入PSD譜。

圖 8 PSD譜設(shè)置

Advanced Edit

右鍵點(diǎn)擊“Vibration_Analysis”-Advanced Edit進(jìn)入設(shè)置界面。在“Advanced Edit”中主要設(shè)置三個(gè)選項(xiàng)，分別為SN方法、組合方法、平均應(yīng)力修正。其中“SN方法”的設(shè)置選項(xiàng)必須與疲勞壽命曲線的類型一致，比如用戶選定的材料疲勞壽命曲線是其在不同應(yīng)力比下的數(shù)據(jù)，則在“SN方法”選項(xiàng)需設(shè)定為“MultiRRatioCurve”，若兩者不對(duì)應(yīng)，提交計(jì)算會(huì)報(bào)錯(cuò)。對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)疲勞而言，“組合方法”僅支持“CriticalPlane”，“AbsMaxPrincipal”，“SignedVonMises”。“平均應(yīng)力修正”常用選項(xiàng)為“Goodman”和“Gerber”，其中“Goodman”計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。

圖9Advanced Edit設(shè)置

循環(huán)計(jì)數(shù)方法設(shè)置

nCode提供多種循環(huán)計(jì)數(shù)的方法，其中“Steinberg法”在電子行業(yè)應(yīng)用較多。

右鍵點(diǎn)擊

“Vibration_Analysis”-properties-VibrationLoad_PSDCycleCountMethod-“Steinberg”。

圖 10循環(huán)計(jì)數(shù)方法設(shè)置

疲勞壽命結(jié)果

從下方云圖可以看出，該顯卡的最低壽命為8.111e7s。

圖 11壽命分布云圖