电子可靠性 - 振动

总而言之：震动电子设备是件坏事。使用一段时间后，电子设备很容易损坏。仿真可以预测电子设备的使用寿命，但需要做出许多决定。您需要了解振动类型以及您最关心的组件，才能有效地使用仿真。

继续讨论电子产品故障的第二大常见原因...振动。

这就是不稳定的情况，例如手机掉落、将电脑安装在汽车底盘上或安装在发动机上。

在测试期间发现您的设备容易受到振动损坏真是糟透了。因为到那时，您已经设计好了整个系统，甚至还制作了一个原型。现在您需要回过头来弄清楚如何让它更坚固/更轻/两者兼而有之。

幸运的是，通过模拟振动来防止故障已有悠久的历史，其中大部分可应用于电子产品。

框架

首先，我们需要定义令人担忧的振动类型。

• 正弦波——安装在以恒定速度运行的电机上的电子设备。

• 掉落/撞击 - 手机掉落到地板上

• 随机振动 - 安装在汽车或飞机上的电子设备

然后我们需要确定感兴趣的组件的类型。

• 大型支架和支撑结构（金属/大块塑料）

• 能量吸收结构（溃缩区/橡胶保险杠）

• 电子元件（精密芯片、连接器、印刷电路板）

在模拟中，我们有两种解决方案选项。

• 线性动力学——快速且始终首选

• 非线性动力学——速度慢，除非别无选择，否则应尽量避免

最后，我们需要表征阻尼以确保响应的幅度正确。

这需要思考很多事情！……这就是我编写本指南的原因。

让我们从感兴趣的组件开始

疲劳失效几乎总是太小而无法明确模拟。因此，每当我们谈论耐久性模拟时，我们实际上都在谈论在耐久性测试和 FEA 模拟中的某些变量之间找到良好的相关性。

大型结构部件（箱体、支架、外壳等）的耐久性使用 SN/EN 数据进行计算，就像 20 世纪那样（应力或应变与失效循环次数的关系）

如果您想要更奇特一点，您可以使用断裂力学方法，就像很酷的航空航天公司那样！

能量吸收结构通常会发生很大变形；比如汽车碰撞或手机壳掉落。这需要显式非线性动力学工具和一些精心的设置。所有大型消费电子和汽车公司都会定期进行这项工作。

电子元件非常脆弱，因此感兴趣的偏转非常小，只需要线性分析。然而，它们的几何形状极其复杂。

详细模拟不是一种选择，但幸运的是，已经进行了大量研究来表征不同组件的耐用性。《Dave S. Steinberg，电子设备的振动分析》等著作发现，振动期间 PCB 变形与各种组件的故障时间之间存在相关性。如今，使用适当的工具来自动化该过程，可以非常有效地评估整块电路板的故障时间。

加载类型

谐波

正弦/谐波载​​荷是最基本的耐久性分析。模拟将预测单一频率或多个频率范围内的变形和应力。然后，只需使用 SN 曲线进行检查即可预测失效时间。

跌落和冲击

对于能量吸收结构，需要进行明确的动力学分析。

然而对于许多电子元件来说，有多种选择。

响应谱分析是一种频域线性冲击模拟方法，可预测冲击事件期间的最大变形和应力。这有利于预测故障和响应，而不是耐久性。

模态叠加瞬态模拟是一种线性瞬态动态模拟。它提供了变形和应力的完整时间历史，因此可用于预测耐久性。它需要在时间域中输入冲击历史。

显式瞬态动力学可以模拟整个设备，包括能量吸收结构。然而，这需要大量计算，并且需要对大型组件进行仔细设置。

随机振动

随机振动需要输入振动载荷的功率谱密度 (PSD)。它是一种频域线性动力学分析，因此适用于安装在底盘上或运输过程中的电子设备。由于随机振动可用于计算各种频率下的应力和变形概率，因此它是计算电子元件和各种其他结构在长时间振动载荷下的可靠性的便捷工具。

稍微谈一下阻尼

对于可靠性模拟，我们需要系统精确的运动和应力。

阻尼起着重要作用，需要进行调整。根据安装条件的类型，PCB 的阻尼率可以在 2% 到 10% 之间。典型的验证方法是取一块带有实际安装系统的 PCB，对其进行振动测试，以测量目标频率附近的最大位移，然后根据该数据计算阻尼。

总结

振动是一个复杂的问题，因为它通常涉及整个电子组件，并且模拟非常耗时。这导致了许多不同的方法来尽可能简化问题。