某型汽車電子控制器的模態仿真分析
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隨著汽車電子產品在整車中的廣泛應用，汽車電子產品的可靠性也備受關注。振動問題是影響汽車電子產品可靠性的一個重要因素，如果在研發設計階段就能準確的預估汽車電子產品的振動特性，則對汽車電子產品的可靠性設計具有重大的意義。利用有限元技術能夠在研發設計階段預估汽車電子產品的振動特性，但是對于具有復雜結構的電子產品來說，由于模型的復雜度，材料參數的不確定性、邊界設定的非線性、計算機配置要求等因素的影響，使仿真結果的可信度不高。因此提高仿真分析的可信度是當今仿真工作者的首要任務。本文對某具有復雜結構的汽車電子控制器進行了模態仿真分析和模態試驗，并對仿真分析中的幾何模型修正，單元類型選擇，邊界條件設定等方法進行了研究。
2 汽車電子控制器結構介紹
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（為展示控制器內部結構，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
在實際工作中發現，幾何模型修正的好壞決定著網格質量的好壞。對復雜的模型來說，不修正幾何模型，會增加奇異單元的數目和單元的總數目，導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。所以在劃分網格前，先對該控制器的幾何模型進行修正。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則，采用一階六面體單元建模，單元類型為C3D8R，需進行沙漏控制。上、下殼體的形狀比較復雜，用二階四面體進行建模，單元類型為C3D10M。模態分析時，不要使用一階四面體單元，因為一階四面體單元剛性偏強，容易導致模態頻率偏大（下文將會給出驗證）。根據這些原則劃分的網格如圖5、圖6、圖7、圖8所示。
圖5：上殼體的局部網格圖
圖6：插件和PCB的網格圖
圖7：電容、芯片的網格圖
圖8：下殼體的局部網格圖
3.3 邊界條件設定
對該控制器進行約束模態分析時，需固定安裝孔內側面上的所有節點。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上的粘貼方式更優越。
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