CN106055746A

CN106055746A - 自动识别最大模态组件的方法

Info

Publication number: CN106055746A
Application number: CN201610341758.0A
Authority: CN
Inventors: 任建峰
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: CN106055746B

Abstract

本发明提出了一种自动识别最大模态组件的方法。利用本发明可以显著减少人力资源和计算资源的占用，成倍提高效率。本发明通过下述技术方案予以实现：模块化电子设备有限元模态分析过程中建立扁平化、组件化的分析模型，划分相互平行且独立的多个组件，确定最大模态位移节点及其所属组件，定义一个Rn×2的矩阵，利用比较法确定绝对值最大的矢量和所在的行；将最大模态位移节点号与组件包含的节点集中的节点号逐个进行比较，确定最大模态位移节点；判断模态节点是否处于模型中某个组件包含的节点集合来确定最大模态位移节点所属的组件；如果某个组件所包含的节点集合包含了最大模态位移节点，该组件就是最大模态组件，从而直接确定最大模态组件。

Description

自动识别最大模态组件的方法

技术领域

本发明涉及一种自动确定最大模态组件的方法，尤其是适用于模块化电子设备有限元模态结果的解读过程中自动识别最大模态组件。

背景技术

随着信息产业的迅速发展,印刷电路板(PCB)成为电子设备结构中不可缺少的一部分。印刷电路板(PCB)在现代电子设备中起着至关重要的作用,其可靠性对电子设备有很大的影响。随着电子产业的发展，印刷电路板组件PCBA 的应用范围越来越广泛，不可避免的要应用于各种恶劣的环境中，与此同时，恶劣的环境对封装件的影响很大，尤其是振动冲击，据统计，在导致机载电子设备故障中，振动因数因素已经占到 27％。在振动环境下，PCBA 对振动的敏感性已经影响到整板的性能和系统的稳定性。在实际的工作过程中,电子设备不可避免地会受到各种振动冲击(跌落、撞击等),如果电子设备所受的冲击很大或者振动频率与电子设备的某一阶固有频率接近,将会产生共振,从而引起结构的破坏或变形。电子设备在其整个寿命周期内需要经历恶劣的振动环境，如：消费电子设备需要经历跌落的造成冲击、车载电子仪器设备需要承受来自路面的随机振动载荷、机载电子设备更是承受由发动机和气动引起的随机振动载荷和冲击载荷。为了这些电子设备能够在承受恶劣振动载荷的同时可靠的工作，需要进行有针对性的抗振动设计。最大模态位置表征了在该频率下动态响应的最大位置，包含最大模态位置的组件称为最大模态组件，是影响电子设备动力学性能重要因素，是电子设备结构抗振动设计的重点之一。最大模态组件的确定可以帮助设计师判断是否有振动敏感组件出现在振动条件中能量较为集中的频段内，从而提升电子设备的结构设计质量。模态结果可以通过对电子设备进行有限元模态分析或实验模态分析获得。然而，随着电子信息技术的发展，电子设备功能越来越丰富、结构越来越复杂。电子设备的结构形式由独立式发展到了模块化。模块化电子设备的典型特点是整个电子设备有多个结构相似的模块组成。这就造成了模态分析得到的模态结果密集，在一个频段内可能分布有十几、几十甚至上百阶模态结果。由于每一阶模态结果对应的最大模态组件可能不同，密集分布的模态结果使确定每一阶模态结果对应的最大模态组件变得困难重重，模态结果的解读过程中需要进行大量的重复性工作。

实验结果表明，电子设备的功能可靠性受印制板组件模态的影响很大，不同位置处的芯片应变不同，一般来说，模态位移大处的芯片应变较大。现有技术解决方案采用分析人员逐阶观察振型的方法从复杂电子设备结构的多阶次模态分析结果中确定各阶模态对应的最大模态组件。解决方案通常采用确定最大模态组件。确定最大模态组件的步骤主要包括：1.建立电子设备的有限元模型，2.模态分析，3.读取第一阶模态结果，4.绘制整体阵型图，5.多视角观察，6.是否可以确定最大模态组件，7.如果步骤6可以确定最大模态组件就消隐最大模态组件以外的模型，8.绘制最大模态组件的振型图并存储，9.读取下阶模态结果并重复进行步骤4，10.如果步骤6不可以确定最大模态组件就消隐模型的外围部分，11.绘制剩余模型的振型图并重复步骤5。现有解决方案通过多次反复进行以上步骤来逐阶地确定最大模态组件。显然，现有技术解决方案具有明显的不足之处。具体如下：

第一，现有解决方案造成人力资源浪费。现有解决方案完全依赖人工完成工作，需要安排专人完成逐阶提取振型图和观察振型这一单调地、机械地工作，在一定程度上造成了人力资源的浪费。员工完全可以进行更多创造性的工作，产生更大的效益。

第二，现有解决方案的效率低。当面对多阶次模态结果时，有时可能是上百阶的模态分析结果，现有解决方案所依赖的操作人员肉眼反复观察，极易产生疲劳而变得效率低下，实际工作中统计数据显示每完成100阶模态结果中最大模态组件的确定工作需要一个熟练操作人员花费5～6个小时。

第三，现有解决方案需要占用更多的计算资源和逐层的消隐模型，反复多次进行绘制振型图的操作。这些绘图操作实际上渲染操作需要大量的计算资源来完成。反复地的渲染操作需要占用众多的计算资源。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术解决方案人力资源浪费大、效率低下、占用计算资源多的不足之处，提出一种能够节约人力资源、效率更高、占用计算资源少的自动化确定最大模态组件的方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种自动识别最大模态组件的方法，其特征在于包括如下步骤：在模块化电子设备有限元模态分析过程中建立扁平化、组件化的分析模型，按照一定的标准将分析模型划分为相互平行且独立的多个组件，确定最大模态位移节点及其所属组件，首先，定义一个Rn×2的矩阵，该矩阵中列1存储了模型中所有节点的编号，列2中存储了每个节点的模态位移矢量和；然后利用比较法来确定绝对值最大的矢量和所在的行，该行中列1存放的节点号就最大模态位移节点；将最大模态位移节点号与组件包含的节点集中的节点号逐个进行比较来确定最大模态位移节点是否属于该节点集合，当最大模态位移节点号与节点集合中的某个节点号相等时，最大模态节点就属于该节点集合；判断模态节点是否处于模型中某个组件包含的节点集合来确定最大模态位移节点所属的组件；如果某个组件所包含的节点集合包含了最大模态位移节点，该组件就是最大模态组件，从而直接确定最大模态组件。

本发明组件的划分标准可以根据分析模型的具体情况，按照结构的模块化和功能独立化要求来选定。

本发明中最大模态位移节点所属的组件即为最大模态组件。

本发明取得的有益效果：

显著减少人力资源的占用，实现人力资源的复用。本发明以建立扁平化、组件化的分析模型为基础，通过确定最大模态位移节点及其所属组件，而直接确定最大模态组件，显著减了少人力资源的占用。其中，按照结构的模块化和功能独立化要求来选定划分标准将分析模型划分为多个组件，以建立扁平化、组件化的分析模型。扁平化、组件化的分析模型中组件之间是相互独立的、平行的关系，任意两个组件不存在公共的节点和单元。能够利用计算机编程可以将本发明程序化，从而计算机可以在完成模态分析后自动完成各阶模态的最大模态组件报表。操作人员所需完成的工作仅是从报表中提取所需要的信息，这就使得操作人员可以同时完成多个分析模型的模态结果判读工作或进行其它建立分析模型的工作，实现人力资源的复用。

大幅降低操作人员的劳动强度，效率成倍提高。本发明通过将最大模态位移节点号与组件包含的节点集中的节点号逐个进行比较来确定最大模态位移节点是否属于该节点集合。当最大模态位移节点号与节点集合中的某个节点号相等时，最大模态节点就属于该节点集合，使确定最大模态组件的工作实现自动化，不需要操作人员反复查看模态振型图和频繁地调取模态结果，并且对每一阶模态只需要调取一次模态结果即可确定出最大模态组件。这不仅大幅降低了操作人员的劳动强度，还减少了调取模态结果的次数，大大提高了效率。

减少计算资源的占用，降低成本。本发明通过判断模态节点是否处于模型中某个组件包含的节点集合来确定最大模态位移节点所属的组件，判断某个组件所包含的节点集合包含了最大模态位移节点来识别该组件确定最大模态组件，通过计算机自动确定最大模态组件并给出报表，所需时间短，避免计算资源的长期占用。在同样的时间内，相同的计算资源可以完成更多的计算任务，提高计算资源的使用率，降低成本。

附图说明

图1是本发明确定最大模态组件的流程示意图。

图2是图1步骤g的实施步骤流程示意图。

图3是图1步骤h的实施步骤流程示意图。

图4 是图1步骤h6的实施步骤流程示意图。

具体实施方式

参阅图1-图4。本发明可以参照以下实施例予以实现。根据本发明，本发明需要确定最大模态位移节点。最大模态位移节点代表了模态振型中变形最大的位置。本发明确定最大模态位移节点的过程包括：定义一个Rn×2的矩阵。

在模块化电子设备有限元模态分析过程中建立扁平化、组件化的分析模型，按照结构的模块化和功能独立化要求来选定划分标准将分析模型划分为相互平行且独立的多个组件，确定最大模态位移节点及其所属组件，首先，定义一个Rn×2的矩阵，该矩阵中列1存储了模型中所有节点的编号，列2中存储了每个节点的模态位移矢量和；然后利用比较法来确定绝对值最大的矢量和所在的行，该行中列1存放的节点号就最大模态位移节点；将最大模态位移节点号与组件包含的节点集中的节点号逐个进行比较来确定最大模态位移节点是否属于该节点集合，当最大模态位移节点号与节点集合中的某个节点号相等时，最大模态节点就属于该节点集合；判断模态节点是否处于模型中某个组件包含的节点集合来确定最大模态位移节点所属的组件；如果某个组件所包含的节点集合包含了最大模态位移节点，该组件就是最大模态组件，从而直接确定最大模态组件。并可以采用如图1所示自动确定最大模态组件的实施步骤：a.开始；b.建立扁平化、组件化的分析模型；c.模态分析；d.确定模态结果的阶数N；e.定义变量Ni，令Ni=1；f.提取第Ni阶模态位移结果；g.找出第Ni阶最大模态节点Nimx；h.找出节点Nimx所隶属的组件CMimx；i.选择组件CMimx；j.绘制振型图，并记录模态阶次Ni、组件名CMimx和振型图；k.判断Ni<N是否成立；l.变量Ni自增1；m.生成报表文件；n.结束。若步骤k.的判断结果为成立，执行步骤l，若步骤k.的判断结果为不成立，执行步骤m。

参阅图2。步骤g.找出第Ni阶最大模态节点Nimx的实施步骤为：g1.获取模的节点数Rn；g2.定义Rn行2列矩阵D；g3.提取各个节点的编号及位移矢量和，存入矩阵D；g4.定义位移最大节点编号为Nimx，最大位移矢量和为Vimx；g5.对Nimx和Vimx进行赋值，使Nimx=D(1,1)，Vimx=D(1,2);g6.定义循环系数Ri，并令Ri=2；g7.判断Ri是否小于等于Rn？；g8.存储最大位移节点编号Nimx；g9.判断D（Ri，2）是否小于等于Vimx？；g10.将D（Ri，2）存入Vimx，D（Ri，1）存入Nimx；g11.系数Ri自增1。若步骤g7的判断结果为不成立执行步骤g8。若g7的判断结果成立执行步骤g9。若g9的判断结果为成立执行步骤g11，若g9的判断结果为不成立执行g10。

如图3所示步骤h.找出节点Nimx所隶属的组件CMimx的实施步骤为：h1.获取模型中组件的数量Nc；h2.定义Nc行1列的矩阵M；h3.将模型中包含的组件名字存入矩阵M；h4.定义循环系数Rj，并Rj=1；h5.在在分析模型中选择以矩阵M中第Rj个元素命名的组件包含的节点，构成节点集合Sj；h6.判断节点Nimx是否属于集合Sj，若判断结果成立，h8.令CMimx=M(Rj)，进入选择组件CMimx步骤，若判断结果不成立，系数Rj自增1，继续在分析模型中选择以矩阵M中第Rj个元素命名的组件包含的节点，构成节点集合Sj，并执行上述步骤。若步骤h6的判断结果为不成立执行步骤h7，若步骤h6的判断结果为成立执行步骤h8。

如图4所示步骤h6.判断节点Nimx是否属于集合Sj？的实施步骤为：h6a.获取节点集合Sj中的节点数Ns；h6b.定义Ns×1的矩阵Ms；h6c.获取节点集合Sj中的节点编号，存入矩阵Ms；h6d.定义循环系数Rs，并令Rs=1；h6e.计算Ms（Rs）与Nimx差值E；h6f.判断差值E是否为0；h6g.系数Rs自增1；h6h.得到判断结果：节点Nimx属于节点集合Sj。若差值E为0执行步骤h6h，若差值E不为0执行步骤h6g。

Claims

1.一种自动识别最大模态组件的方法，其特征在于包括如下步骤：在模块化电子设备有限元模态分析的过程中建立扁平化、组件化的分析模型，按照结构的模块化和功能独立化标准将分析模型划分为相互平行且独立的多个组件，确定最大模态位移节点及其所属组件。

2.首先，定义一个Rn×2的矩阵，该矩阵中列1存储了模型中所有节点的编号，列2中存储了每个节点的模态位移矢量和；然后利用比较法来确定绝对值最大的矢量和所在的行，该行中列1存放的节点号就最大模态位移节点；将最大模态位移节点号与组件包含的节点集中的节点号逐个进行比较来确定最大模态位移节点是否属于该节点集合，当最大模态位移节点号与节点集合中的某个节点号相等时，最大模态节点就属于该节点集合；判断模态节点是否处于模型中某个组件包含的节点集合来确定最大模态位移节点所属的组件；如果某个组件所包含的节点集合包含了最大模态位移节点，该组件就是最大模态组件，从而直接确定最大模态组件。

3.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：建立扁平化、组件化的分析模型，基于模态理论进行模态分析，确定模态结果的阶数N；并定义变量Ni，令Ni＝1；提取第Ni阶模态位移结果，找出第Ni阶最大模态位移节点Nimx和节点Nimx所隶属的组件CMimx；然后选择组件CMimx，绘制振型图，并记录模态阶次Ni、组件名CMimx和振型图；判断Ni<N是否成立，若判断结果成立，变量Ni自增1，返回提取第Ni阶模态位移结果，继续执行上述步骤；若判断结果为不成立，生成报表文件，结束工作流程。

4.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：在找出第Ni阶最大模态位移节点Nimx后，提取第Ni阶模态位移结果并获取模型的节点数Rn，定义Rn行2列矩阵D，然后提取各个节点的编号及位移矢量和，并存入矩阵D。

5.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：各个节点的编号及位移矢量和存入矩阵D后，定义位移最大节点编号为Nimx，最大位移矢量和为Vimx，对Nimx和Vimx进行赋值，使Nimx＝D(1,1)，Vimx＝D(1,2)，然后定义循环系数Ri，并令Ri＝2，判断Ri是否小于等于Rn，判断结果不成立，则存储最大位移节点编号Nimx，然后返回找出第Ni阶最大模态节点Nimx步骤。

6.如权利要求4所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：若判断Ri小于等于Rn成立，则判断D(Ri，2)是否小于等于Vimx，若判断结果成立，系数Ri自增1，继续判断Ri是否小于等于Rn；判断结果为不成立，将D(Ri，2)存入Vimx，D(Ri，1)存入Nimx，系数Ri自增1，继续判断Ri是否小于等于Rn。

7.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：在找出节点Nimx所隶属的组件CMimx的步骤中，获取分析模型中组件的数量Nc，定义Nc行1列的矩阵M，将分析模型中包含的组件名字存入矩阵M，然后定义循环系数Rj，并令Rj＝1；

如权利要求6所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：在分析模型中选择以矩阵M中第Rj个元素命名的组件包含的节点，构成节点集合Sj；判断节点Nimx是否属于集合Sj，若判断结果成立，令CMimx＝M(Rj)，进入选择组件CMimx步骤，若判断结果不成立，系数Rj自增1，继续在分析模型中选择以矩阵M中第Rj个元素命名的组件包含的节点，构成节点集合Sj，并执行上述步骤。

8.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：在判断节点Nimx是否属于集合Sj的实施步骤中，根据构成节点集合Sj，获取节点集合Sj中的节点数Ns，定义Ns×1的矩阵Ms，将获取节点集合Sj中的节点编号，存入矩阵Ms；然后定义循环系数Rs，并令Rs＝1；计算Ms(Rs)与Nimx差值E；根据计算结果判断差值E是否为0，为0，得到判断结果：节点Nimx属于节点集合Sj，进入令CMimx＝M(Rj)步骤，不为0，系数Rs自增1，返回计算Ms(Rs)与Nimx差值E步骤，继续执行上述步骤。

9.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：划分标准根据分析模型的具体情况按照结构的模块化和功能独立化要求来选定。

10.如权利要求1所述的自动识别最大模态组件的方法，其特征在于：最大模态位移节点所属的组件即为最大模态组件。