來源：機(jī)電元件
摘要:電子控制組件產(chǎn)品要經(jīng)受加速度、沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等環(huán)境動(dòng)力學(xué)條件測試，且需要考慮其工作溫升。對電子控制組件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)熱仿真是有效的評估和優(yōu)化工具，通過產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)、溫升仿真可以得出產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，并對不滿足指標(biāo)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，保證產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)成功率。對某款電子控制組件應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和溫度仿真設(shè)計(jì)，樣品經(jīng)過試驗(yàn)測試證明了仿真的正確性，仿真驗(yàn)證為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有力支撐。
關(guān)鍵詞:電子控制組件;動(dòng)力學(xué);溫升ANSYS
1 引言
電子控制組件常用于軍工、船舶等領(lǐng)域，在系統(tǒng)中起著控制、傳輸信號等功能。整機(jī)系統(tǒng)常常需要在一些動(dòng)力學(xué)環(huán)境下工作比如沖擊、加速度、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)等，因此電子控制組件也需要能滿足這些環(huán)境條件。同時(shí)電子控制組件在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，而電子元件一般最高工作溫度不能超過110℃，需要對產(chǎn)品在給定工作條件下的溫度分布進(jìn)行分析，以得出最高溫度是否超標(biāo)。
本文采用ANSYS對電子控制組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和溫度仿真，其中動(dòng)力學(xué)仿真主要考慮整體的應(yīng)力分布和加速度分布，應(yīng)力要求小于材料抗拉強(qiáng)度，隨機(jī)振動(dòng)等長時(shí)間振動(dòng)條件下應(yīng)力要小于抗拉強(qiáng)度的1/3以滿足疲勞指標(biāo)要求，電子控制組件中的連接器、繼電器等元器件的加速度響應(yīng)要小于其設(shè)計(jì)指標(biāo)以滿足其互連特性;電子控制組件很多發(fā)熱元件為短時(shí)間工作，因此在工作溫度分析時(shí)應(yīng)用瞬態(tài)熱模塊進(jìn)行分析。
2電子控制組件動(dòng)力學(xué)仿真
2.1仿真前處理
(1)模型處理
整個(gè)模型處理后如圖1，一些特殊情況下需要對螺釘進(jìn)行單獨(dú)的強(qiáng)度校核，一般螺釘?shù)扔绊懖淮蟮牧慵梢詣h除，連接器、繼電器、電阻等元器件可簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小模型規(guī)模。
(2)邊界條件設(shè)置
加速度指標(biāo)一般小于沖擊指標(biāo)，在沖擊、加速度這類時(shí)域動(dòng)力學(xué)中主要分析產(chǎn)品整體的應(yīng)力水平，因此一般按照沖擊條件進(jìn)行分析即可，將沖擊的加速度經(jīng)過兩次積分成位移后加載到電子控制組件的安裝孔上。隨機(jī)振動(dòng)條件一般為0~2000Hz，需要先進(jìn)行模態(tài)分析再進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，其中模態(tài)分析需覆蓋3000Hz范圍，隨機(jī)振動(dòng)中阻尼一般設(shè)置為0.03。
(3)相關(guān)參數(shù)設(shè)置
網(wǎng)格方面，整體劃分為高階四面體單元，部分零件為高階六面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)229716，單元數(shù)99578。接觸容差設(shè)置為0.5mm，保證實(shí)際有接觸關(guān)系的面之間已設(shè)置接觸對，某些靠得比較近但未接觸的面之間未設(shè)置接觸對，一些可分離的面需要手動(dòng)設(shè)置為無摩擦接觸對。沖擊條件為后峰鋸齒波20g，持續(xù)時(shí)間11ms;隨機(jī)振動(dòng)條件為0.04g2/Hz，均方根7.72g(見圖2)。
2.2仿真分析結(jié)果
得出X向沖擊最大應(yīng)力19.3MPa，Y向沖擊最大應(yīng)力5.2MPa，Z向沖擊最大應(yīng)力22.2MPa，其中Z向沖擊應(yīng)力分布如圖3，三方向沖擊應(yīng)力均小于材料抗拉強(qiáng)度，該沖擊條件下產(chǎn)品強(qiáng)度沒有問題。
得出三方向隨機(jī)振動(dòng)整體3δ應(yīng)力分布如圖4，最大應(yīng)力8.0MPa，隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度沒有問題(包括疲勞強(qiáng)度)。
三方向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)連接器和繼電器上的Y向1δ加速度分布如圖5，最大加速度169m/s2，小于連接器和繼電器能承受的隨機(jī)振動(dòng)加速度指標(biāo)，Y向隨機(jī)振動(dòng)連接器加速度響應(yīng)沒有問題。
3電子控制組件溫升仿真
3.1仿真前處理
溫度分析邊界條件如圖6，根據(jù)各個(gè)發(fā)熱器件的發(fā)熱功率加載相應(yīng)的功率載荷，點(diǎn)火插座、電磁繼電器、二極管、匯流條、印制電路板發(fā)熱時(shí)間30分鐘，固體繼電器、行程開關(guān)、限流電阻工作時(shí)間為200ms，給所有外表面加對流、輻射邊界，對流系數(shù)按一般條件5W/m2℃設(shè)置，輻射系數(shù)按材料查表設(shè)置。環(huán)境溫度－50℃~70℃，按照最高溫度70℃進(jìn)行分析。
3.2仿真分析結(jié)果
得出70℃環(huán)境溫度下產(chǎn)品工作30分鐘整體溫度及最高溫度點(diǎn)曲線分布如圖7，最高溫度98.2℃，分布在最大發(fā)熱功率的繼電器上，最大溫升為28.2℃，該產(chǎn)品工作30分鐘時(shí)溫度未超過元器件許用值。
3.3仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較
對該產(chǎn)品制造后的樣品進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和溫升測試，產(chǎn)品經(jīng)過沖擊、加速度、隨機(jī)振動(dòng)后整體外觀良好，未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，元器件在隨機(jī)振動(dòng)過程中正常工作，未發(fā)生瞬斷或瞬閉。
溫度測試時(shí)(環(huán)境溫度70℃)在電子控制組件上取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測，和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1。
動(dòng)力學(xué)和溫升測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了仿真的正確性。其中動(dòng)力學(xué)不方便測量整體的應(yīng)力分布，因此僅能以肉眼來判斷整體結(jié)構(gòu)的完好性，加速度方面通過檢測連接器、繼電器是否發(fā)生瞬斷或瞬閉來判斷是否超標(biāo);實(shí)測溫升比仿真值略高主要是因?yàn)榉抡嬷胁糠置嬷g的阻抗未考慮，僅考慮了主要接觸面之間的阻抗效應(yīng)，導(dǎo)致仿真出來的溫升略低。
4結(jié)論
動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和溫升是電子控制組件的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)予以重視并充分驗(yàn)證，ANSYS仿真是對產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)和溫升分析的一種有效手段，如果產(chǎn)品涉及液冷或風(fēng)冷則需要用Icepak對產(chǎn)品進(jìn)行電子散熱分析。本文通過ANSYS瞬態(tài)溫度模塊、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊、隨機(jī)振動(dòng)模塊對產(chǎn)品進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、沖擊、隨機(jī)振動(dòng)全方位的仿真，得出設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性，保證產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)成功。
隨著產(chǎn)品復(fù)雜度提升、應(yīng)用環(huán)境要求越來越高、設(shè)計(jì)周期要求越來越短，產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度大幅度提升，數(shù)字化仿真作為產(chǎn)品數(shù)字化孿生的重要手段是現(xiàn)階段產(chǎn)品設(shè)計(jì)不可或缺的一部分，一個(gè)設(shè)計(jì)方案只有經(jīng)過全方位的仿真分析才能保證設(shè)計(jì)的正確性和合理性，從而減少設(shè)計(jì)更改次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，滿足用戶需求。
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