汽車電子控制器的模態仿真技術研究

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。

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）。

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。

3.4材料參數

該型汽車電子控制器實物的總重205.4克，其中PCBA重為100.1克，殼體重為105.3克，有限元模型總重為204.9克，其中PCBA模型重為99.5克，殼體模型重為103.9克，實物和有限元模型重量的相對誤差為1.0%。為了簡化計算，認為電路板具有一種等效材料參數，該等效參數是通過對PCB光板的拉伸試驗和測量對其測密度得到的。同樣認為較大的電器件也具有一種等效材料參數，其彈性模量和泊松比是參考普通芯片的材料得到的，密度是由芯片的總重量除以總體積得到的。

3.5仿真分析結果

利用Abaqus軟件對該汽車電子控制器進行約束模態分析，得到的前三階模態頻率和模態振型如圖9、圖10、圖11所示。第一階固有頻率為172Hz，第一階振型為控制器沿兩個安裝耳中心點連線的前后振動；第二階固有頻率為262Hz，第二階振型為控制器殼體上下面的相向的凸凹振動；第三階固有頻率為293Hz，第三階振型為控制器殼體上下面的相對的凸凹振動。

4 模態實驗過程及結果

4.1模態試驗過程

利用美國PCB公司的壓電式力錘和壓電式加速度計進行激勵、拾振。然后用LMS TEST.LAB 試驗采集分析系統進行數據采集和分析。試驗設置為，采樣頻率為2048Hz，采樣帶寬為1024Hz，頻率分辨率為0.125Hz，激勵用力窗，響應是指數窗。

汽車電子控制器通過兩個安裝孔固定在基頻大于500Hz試驗臺上。采用了5傳感器布置方案（圖12）進行模型試驗。參照仿真分析結果發現，該傳感器布置方案漏掉了第一階扭轉模態。而采用8傳感器的布置方案

6 結論

本文利用有限元軟件對某型汽車電子控制器進行了模態仿真分析，并用模態實驗驗證了模態仿真分析結果的可信度，得到以下結論：

1、高質量的網格是仿真分析順利進行的保障，并且能縮短仿真分析周期，要得到高質量的網格需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，忽略微小的電器件等；

2、對該類控制器進行了模態仿真分析時，不要使用一階四面體單元，否則會導致模態頻率偏大，可以使用一階六面體單元（對其進行沙漏控制）和二階四面體單元。

3、對該類控制器進行了模態仿真分析時，較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件不能直接面對面粘貼到PCB上，否則會增大PCBA的局部剛性，可以把較大的電容、電阻、芯片及接插件等電器件的針腳位置的單元粘貼到PCB上。

按照文中的仿真建模方法既能提高計算效率又能保障計算結果有93%以上的可信度。