CN107341287B - 自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法 - Google Patents

自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，旨在提供一种效率高、不易出错且易于程序化的确定模态数的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：应用分析软件将印制板组件中的元件按照不同外形划分为矩形封装元件和圆形封装元件，以坐标系XOY为建模坐标系建立印制板组件的几何模型和印制板组件的有限元模型；以印制板的一边为X轴定义坐标系XOY；通过模态分析得到印制板组件的模态振型，从不同的三维矩阵中提取印制板组件各个元件的轮廓和各阶模态的节线，判断模态节线是否穿越元件；判断构成节线的节点是否位于元件的轮廓内来确定元件是否被节线或节点穿越或穿过，记录穿越元件的模态数，确定各元件被节线穿过的模态数。

Description

自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法
技术领域
本发明涉及一种适用于航空电子设备印制板组件的有限元模态结果的解读过程中自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法。
背景技术
航空电子设备在使用过程中会经受来源于飞行器发动机、外部气流扰动，可能会承受多种不同形式的宽频带、多加速度水平的振动作用，例如正弦振动、随机振动和瞬态冲击振动的作用。在上述这些多种形式和加速度水平的振动作用下，电子设备内部的印制板组件将产生柔性变形，并可能导致电子备多种形式的失效，如电参数漂移，元器件引线或焊点断裂，引起电回路失效等。因此，振动是导致电子设备失效的一个重要因素，尤其是在电子设备不断地向小型化和多样化发展的今天，印制板组件的结构更加细小，布线密度越来越大，层数越来越多，振动因素对它们的影响已变得更加突出。印制板组件所经受的振动和冲击是影响电子封装可靠性的关键因素。由于印制电路板是薄壳结构，扭转时芯片引脚受力形式复杂，印制板组件发生失效的可能性远大于机箱。当印制板上有模态弯曲节线穿过器件时，不利于器件焊点的生存的原则来预测可能出现损坏的电子元器件。为了保证电子设备的可靠性，提高航空电子设备中印制板组件的耐振动载荷的能力，在设计这些印制板组件时，通常要对其进行耐振动环境能力分析。在这些分析方法中，模态分析是一种常用的手段，模态分析的结果不仅使设计印制板组件满足电子设备结构设计的倍频规则，并且元件在振动环境下发生损坏的几率也是与模态节线存在密切的关系。
在《Board design influence on BGA Mechanical Reliability》一文中指出当元件被模态节线穿过时，其焊点的生存能力将受到不利影响。进而《Study on the DynamicCharacteristics Analysis and Failure Prognosis of a PWA》一文依据元件被节线穿越的模态的数量成功预计了元件的损坏顺序。可见确定元件被节线穿越的模态的数量对于印制板组件的元件损伤预计具有重要的意义。
当前，确定元件被节线穿越的模态数采用的是人工观察法。该方法的主要步骤是：首先建立分析模型得到模态分析结果；其次，绘制各阶模态的振动及节线分布图；最后，仔细观察振动及节线分布图来获得元件被节线穿越的模态数。该方法存在以下不足：
(1)当需要处理的模态数量较多时，工作量大，效率较低、且易出错；
航空电子设备中通常会包含多个印制板组件，并且航空器的振动能量一般分布与2000Hz一下的频段内。在该频段所包含的印制板组件的模态数量从十几阶到几十、甚至几百阶，并且印制板组件上分布有几十个元件。逐阶绘制节线分布图并通过观察逐个确定元件被节线穿越的模态数需要工作很大，统计数据表明对一个含有20个元件的印制板组件，一个设计师每小时仅能完成一阶模态结果的处理。
(2)无法程序化
当前方法为纯人工方法，每一个步骤均需要设计师手工完成，严重依赖设计师，无法程序化、并整合进入优化迭代的计算机程序，给通过优化元件在印制板上的布局来提高其振动能力带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的针对现有技术确定元件被节线穿越的模态数的人工观察法工作量大、效率低、易出错且无法自动化的不足，提供一种效率高、不易出错且易于程序化的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法。
为了实现上述目的，一种自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于包括如下步骤：应用分析软件将印制板组件中的元件按照不同外形划分为矩形封装元件和圆形封装元件，以坐标系XOY为建模坐标系建立印制板组件的几何模型和印制板组件的有限元模型；并以印制板的一个最近的角点为坐标原点，以印制板的一边为X轴、以印制板的另一边为Y轴，定义坐标系XOY，并定义矩形元件数Nr×5矩阵Mr、圆形元件数Nc×4矩阵Mc、矩阵Cr、模型节点数Na×2矩阵Mz和三维矩阵Z0；应用分析软件将印制板组件中元件的轮廓扁平化、参数化进行模态分析，分别对印制板组件中的矩形封装元件和圆形封装元件进行编号和计数，通过模态分析得到印制板组件的模态振型；应用分析软件将轮廓信息分别存储于不同的三维矩阵Z0中；分析软件提取印制板组件各个元件的轮廓和各阶模态的节线，判断模态节线是否穿越元件；再从模态分析结果中逐阶提取构成模态节线的节点，判断构成节线的节点是否位于元件的轮廓内来确定元件是否被节线、节点穿越或穿过，记录穿越元件的模态数，确定各元件被节线穿过的模态数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)效率高。本发明将印制板组件中的元件按照不同外形划分为矩形封装元件和圆形封装元件，并以印制板的一个角点为坐标原点、以印制板的一边为X轴、以印制板的另一边为 Y轴，定义坐标系XOY，分别对印制板组件中的矩形封装元件和圆形封装元件进行编号和计数，并且其轮廓信息分别存储于不同的三维矩阵中，使数据处理工作的效率成倍提高。初步统计数据表明对一个含有20个元件的印制板组件，每小时可以处理超过30阶模态分析结果。如果对程序代码进行充分地优化效率可进一步提升。降低对人工的依赖、提高工作效率。
(2)不易出错。本发明以印制板的一个最近的角点为坐标原点，以印制板的一边为X轴、以印制板的另一边为Y轴，定义坐标系XOY；将印制板组件中元件的轮廓扁平化、参数化进行模态分析，分别对印制板组件中的矩形封装元件和圆形封装元件进行编号和计数，不易出错。以坐标系XOY为建模坐标系建立印制板组件的有限元模型，通过模态分析得到印制板组件的模态振型，比较节点的坐标与元件轮廓参数来确定节点是否在元件的轮廓内，通过判断构成节线的节点是否在元件的轮廓内来确定该元件是否被节点穿过，而不易出错。
(3)易于程序化。本发明将印制板组件中的元件的位置和轮廓进行了参数化，可以方便地的定义优化的数学模型，可以方便地整合进入计算机辅助优化设计的迭代过程；容易编制计算机程序，大幅减少了人工操作，节约人力资源，除建立参数化模型时需要人工参与外，整个过程均可有计算机程序完成，可以方便地与计算机辅助优化程序进行集成。
附图说明
图1为印制板组件中元件的轮廓参数示意图
图2为本发明自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数的流程图。
图3为图2是关于提取各个元件轮廓的e步骤流程图。
图4为图2是关于提取各阶模态的节线步骤f的流程图。
图5为图4是关于获取印制板组件厚度方向模态位移Uz为零的节点步骤f4的流程图。
图6为图2是关于判断模态节线是否穿越元件步骤g的流程图。
具体实施方式
参阅图1～图2。矩形封装元件的轮廓采用分别为矩形封装元件的角点X坐标Rx、Y坐标Ry以及矩形封装元件沿X轴的边长Lx、沿Y轴的边长Ly4个参数描述。定义Rx和Ry的矩形封装元件的角点为距离坐标原点O最近的角点，并定义矩形元件数Nr×5矩阵Mr、圆形元件数Nc×4矩阵Mc、矩阵Cr、模型节点数Na×2矩阵Mz和三维矩阵Z0。圆形封装元件的轮廓采用分别为圆形封装元件的圆心X坐标Cx、Y坐标Cy以及圆形封装元件的半径r三个参数描述。模态振型的节线信息由节点编号、节点X坐标和节点Y坐标构成，构成模态振型的节线的节点在印制板组件厚度方向的模态位移为零，确定节点在矩形封装元件轮廓内的判断式为：Rx≤X≤Rx+Lx与Ry≤Y≤Ry+Ly同时成立。各阶模态振型的节线信息存储于一个三维矩阵中。
本发明可以参照以下实施例予以实现。具体是步骤为：a.开始；b.建立印制板组件的几何模型；c.建立印制板组件的有限元模型；d.模态分析；e.提取各个元件的轮廓；f.提取各阶模态的节线；g.判断模态节线是否穿越元件；h.记录产月元件的模态数；i.结束。应用分析软件将印制板组件中的元件按照不同外形划分为矩形封装元件和圆形封装元件，以坐标系 XOY为建模坐标系建立印制板组件的几何模型和印制板组件的有限元模型；并以印制板的一个最近的角点为坐标原点，以印制板的一边为X轴、以印制板的另一边为Y轴，定义坐标系XOY；将印制板组件中元件的轮廓扁平化、参数化进行模态分析，分别对印制板组件中的矩形封装元件和圆形封装元件进行编号和计数，通过模态分析得到印制板组件的模态振型。将轮廓信息分别存储于不同的三维矩阵中；提取印制板组件各个元件的轮廓和各阶模态的节线，判断模态节线是否穿越元件；并从模态分析结果中逐阶提取构成模态节线的节点，判断构成节线的节点是否位于元件的轮廓内来确定元件是否被节线穿越或穿过，记录穿越元件的模态数，确定各元件被节线穿过的模态数。
参阅图3。提取各个元件轮廓步骤中，应用分析软件建立印制板组件的几何模型，e1. 确定印制板组件中矩形元件数Nr和圆形元件数Nc，并编号；e2.分别定义NrX5矩阵Mr和NcX4矩阵Mc；e3.定义代表元件编号的变量i，并令i＝1；e4.判断元件i是矩形否；若步骤e4.的判断结果为“Y”，则执行e5.将矩形元件相关的Rx，Ry，Lx，Ly和变量i存入矩阵 Mr；若步骤e4.的判断结果为“N”，则执行e6.将圆形元件相关的Cx，Cy，r和变量i存入矩阵Cr；e7.变量i自增1；e8.判断i≤Nr+Nc是否成立；若步骤e8.判断结果为“Y”，则执行步骤e4.判断元件i是矩形否，若步骤e8.判断结果为“N”，则执行步骤g判断模态节线是否穿越元件。
参阅图4。提取各阶模态的节线步骤f中进行模态分析，f1.获取模态总阶数No；f2.定义变量j，并令j＝1；f3.提取第j阶模态位移向量；f4.获取印制板组件厚度方向模态位移Uz为零的节点，并且在有限元模型中查询模态位移Uz为零的节点的X和Y坐标，并存入三维矩阵Z0的第j页；f5.变量j自增1；f6.判断j≤No是否成立？若步骤f6.的判断结果为“Y”，则执行步骤f3.提取第j阶模态位移向量；若步骤f6.的判断结果为“N”，则执行步骤g.判断模态节线是否穿越元件。
参阅图5。步骤f4.的具体实施步骤为：根据提取第j阶模态位移向量，f4a.获取模型的节点数Na；f4b.定义大小NaX2矩阵NaX2矩阵Mz；f4c.利用分析软件提供的命令，提取各个节点的编号及模态位移Uz；f4d.节点编号存入NaX2矩阵Mz的第1列，模态位移Uz 存入NaX2矩阵Mz的第2列；f4e.定义变量iz，并令iz＝1；f4f.判断NaX2矩阵Mz(iz,2) ＝0是否成立；若步骤f4f.的判断结果为“Y”，则执行f4g.提取编号为NaX2矩阵Mz(iz,1) 节点的X和Y坐标，存入三维矩阵Z0的第j页中；若步骤f4f.的判断结果为“Y”，则执行 f4h.判断iz≤Na是否成立；若步骤f4h.的判断结果为“Y”，则执行f4i.变量iz自增1；步骤 f4h.的判断结果为“N”，则执行f5.变量j自增1。
参阅图6。在判断模态节线是否穿越元件步骤g.中：g1.定义变量k，并k＝1；g2.判断编号为k的元件的信息是否在矩阵Mr中；若步骤g2.的判断结果为“Y”，则执行g3.从矩阵Mr中提取元件k的Rx，Ry，Lx，Ly数据；g4.定义变量ik，并令变量ik＝1；g5.从三维矩阵 Z0中提取第变量ik阶模态的节线的节点X和Y坐标；g6.是否存在节点使Rx≤X≤Rx+Lx 与Ry≤Y≤Ry+Ly同时成立；若步骤g6.的判断结果为“Y”，则执行步骤g7.生成记录：矩形元件k被第变量ik阶模态的节线穿过；若步骤g6.的判断结果为“N”，则执行步骤g8.变量ik自增1；g9.判断变量ik≤No是否成立；若步骤g9.的判断结果为“Y”，则执行步骤g5. 从三维矩阵Z0中提取第变量ik阶模态的节线的节点X和Y坐标；若步骤g9.的判断结果为“N”，则执行步骤g10.变量k自增1；若步骤g2.的判断结果为“N”，则执行步骤g12.从矩阵Cr中提取元件k的Cx，Cy，r数据；g13.定义变量jk，并令变量jk＝1；g14.从三维矩阵 Z0中提取第变量jk阶模态的节线的节点X和Y坐标；g15.是否存在节点使(X-Cx)2+(Y-Cy)2 ≤r2成立；若步骤g15.的判断结果为“Y”，则执行步骤g16.生成记录：圆形元件k被第变量jk阶模态的节线穿过；若步骤g15.的判断结果为“N”，则执行步骤g17.变量jk自增1； g18.判断变量jk≤No是否成立；若步骤g18.的判断结果为“Y”，则执行步骤g14从三维矩阵Z0中提取第变量jk阶模态的节线的节点X和Y坐标；若步骤g18.的判断结果为“N”，则执行步骤g10.变量k自增1；g11.判断k≤Nr+Nc是否成立；若步骤g11.的判断结果为“Y”，则执行步骤g9.判断变量jk≤No是否成立；若步骤g11.的判断结果为“N”，则执行步骤h.记录穿越元件的模态数。
本发明特别参照优选的实施例来说明和展示，本领域的技术人员应理解，可以在形式上和内容上作出改型而不偏离本发明精神和范围。

Claims (7)

1.一种自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于包括如下步骤：应用分析软件将印制板组件中的元件按照不同外形划分为矩形封装元件和圆形封装元件，以坐标系XOY为建模坐标系建立印制板组件节线上节点坐标与组件区域相重合的几何模型和印制板组件的有限元模型，并以印制板的一个最近的角点为坐标原点，以印制板的一边为X轴、以印制板的另一边为Y轴，定义坐标系XOY，同时定义矩形元件数Nr×5矩阵Mr、圆形元件数Nc×4矩阵Mc、模型节点数Na×2矩阵Mz和三维矩阵Z0；应用分析软件将印制板组件中元件的轮廓扁平化、参数化后进行模态分析，分别对印制板组件中的矩形封装元件和圆形封装元件进行编号和计数，通过模态分析得到印制板组件的模态振型；应用分析软件将元件的轮廓信息分别存储于不同的矩阵Mr和Mc中，分析软件提取印制板组件各个元件的轮廓和各阶模态的节线，判断模态节线是否穿越元件；定义变量k，并k=1，若判断编号为k的元件信息在矩阵Mr中，则从矩阵Mr中提取元件k的矩形封装元件的角点X坐标Rx、矩形封装元件的角点Ｙ坐标Ry、矩形封装元件沿X轴的边长Lx、矩形封装元件沿Y轴的边长Ly数据；定义Rx和Ry的矩形封装元件的角点为距离坐标原点O最近的角点，定义变量ik，并令变量ik=1，从三维矩阵Z0中提取第ik阶模态的节线的节点X坐标和Y坐标，确认是否存在节点使Rx≤X≤Rx+Lx与Ry≤Y≤Ry+Ly同时成立，若判断结果为“Y”，则生成记录；若判断编号为k的元件信息不在矩阵Mr中，则从矩阵Mc中提取圆形元件k的圆心X坐标Cx、圆形元件k的圆心Y坐标Cy、圆形元件k的半径r；定义变量jk，并令变量jk=1，从三维矩阵Z0中提取第jk阶模态的节线的节点X坐标和Y坐标，判断是否存在节点使(X-Cx)2+(Y-Cy)2≤r2成立，若判断结果为“Y”，则生成记录，记录穿越元件的模态数，确定各元件被节线穿过的模态数。
2.如权利要求1所述的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于：模态振型的节线信息由节点编号、节点X坐标和节点Y坐标构成；构成模态振型的节线的节点在印制板组件厚度方向的模态位移为零；确定节点在矩形封装元件轮廓内的判断式为：Rx≤X≤Rx+Lx与Ry≤Y≤Ry+Ly同时成立，并将各阶模态振型的节线信息存储于一个三维矩阵Z0中。
3.如权利要求1所述的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于：在提取各个元件轮廓时，建立印制板组件的几何模型，确定印制板组件中矩形元件数Nr和圆形元件数Nc，并编号；分别定义矩形元件数Nr×5矩阵Mr和圆形元件数Nc×4矩阵Mc；定义代表元件编号的变量i，并令i=1，判断元件i是否是矩形元件，若判断结果为“Ｙ”，则将矩形元件相关的Rx，Ry，Lx，Ly和变量i存入矩阵Mr；若判断结果为“N”，则将圆形元件相关的X坐标Cx，Y坐标Cy，圆形封装元件的半径r和变量i存入矩阵Mc；随后变量i自增1，再判断i≤Nr+Nc是否成立，若判断结果为“Y”，则继续判断元件i是否是矩形元件；若判断结果为“N”，则继续判断模态节线是否穿越元件。
4.如权利要求1所述的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于：通过模态分析，获取模态总阶数No，定义变量j，并令j=1，提取第j阶模态位移向量，获取印制板组件厚度方向模态位移Uz为零的节点，并且在有限元模型中查询模态位移Uz为零的节点的X坐标和Y坐标，随后存入三维矩阵Z0的第j页；然后变量j自增1，继续判断j≤No是否成立，若判断结果为“Y”，则继续提取第j阶模态位移向量，若判断结果为“N”，则继续判断模态节线是否穿越元件。
5.如权利要求4所述的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于：分析软件根据提取第j阶模态位移向量，获取模型的节点数Na，定义大小为模型节点数Na×2的矩阵Mz，然后利用分析软件提供的命令提取各个节点的编号及模态位移Uz，并将节点编号存入模型节点数Na×2矩阵Mz的第1列，同时模态位移Uz存入模型节点数Na×2矩阵Mz的第2列；定义变量iz，并令iz=1，判断模型节点数Na×2矩阵Mz（iz,2）=0是否成立，若判断结果为“Y”，则提取编号为Mz（iz,1）的节点的X坐标和Y坐标，并存入三维矩阵Z0的第j页中，若判断结果为“N”，则继续判断iz≤Na是否成立；若判断iz≤Na的结果为“Y”，则变量iz自增1，若断iz≤Na的结果为“N”，则变量j自增1。
6.如权利要求1所述的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于：在判断矩形元件k是否被第ik阶模态的节线穿过时，从矩阵Z0中提取第ik阶模态的节线的节点X坐标和Ｙ坐标，判断是否存在节点使Rx≤X≤Rx+Lx与Ry≤Y≤Ry+Ly同时成立，若判断结果为“Y”，则生成记录：矩形元件k被第ik阶模态的节线穿过；若判断结果为“N”，则变量ik自增1，再判断变量ik≤No是否成立；若判断ik≤No的结果为“Ｙ”，则继续从矩阵Z0中提取第ik阶模态的节线的节点X坐标和Ｙ坐标；若判断ik≤No的结果为“Ｎ”，则变量k自增1，然后判断k≤Nr+Nc是否成立；若判断k≤Nr+Nc的结果为“Y”，则继续判断编号为k的元件信息否在矩阵Mr中，若判断k≤Nr+Nc的结果为“N”，则记录穿越元件的模态数。
7.如权利要求1所述的自动确定印制板组件中元件被模态节线穿过的模态数方法，其特征在于：在判断圆形元件k是否被第变量jk阶模态的节线穿过时，从矩阵Z0中提取第jk阶模态的节线的节点X坐标和Ｙ坐标，判断是否存在节点使(X-Cx)2+(Y-Cy)2≤r2成立，若判断结果为“Y”，则生成记录：圆形元件k被第jk阶模态的节线穿过，若判断结果为“N”，则变量jk自增1，再判断变量jk≤No是否成立；若判断jk≤No的结果为“Ｙ”，则继续从矩阵Z0中提取第jk阶模态的节线的节点X坐标和Ｙ坐标，若判断jk≤No的结果为“Ｎ”，则变量k自增1，然后判断k≤Nr+Nc是否成立；若判断k≤Nr+Nc的结果为“Y”，则继续判断编号为k的元件信息否在矩阵Mr中，若判断k≤Nr+Nc的结果为“N”，则记录穿越元件的模态数。
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