CN109683489A - 面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法，该方法包括：基于印制电路板设计信息的实体建模和简化；物理、数学建模和算法定制；与FEAP之间的数据传递；驱动FEAP进行网格划分和数值仿真计算；监测FEAP的计算状态；解析并读取FEAP结果文件，按照用户要求输出模态、位移场等计算结果及图形文件。本发明根据实际电路板产品，结合实体建模、故障物理仿真，实现FEAP用于电路板产品振动分析的建模、简化和前后处理的可视化，形成了一套科学、准确、便捷的基于FEAP的面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法，该方法实现了由计算机自动完成大量的人工交互的程序工作。基于此方法进行故障物理仿真和相应的可靠性设计工作，能够极大地提高工作效率。

Description

面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法

所属技术领域

本发明涉及电子产品故障物理及可靠性仿真分析技术领域，特别是面向电子产品 故障物理仿真的振动分析方法。

背景技术

随着电子产品朝着集成化、复杂化的方向发展，无论在其工作或者非工作状态下，都会发生失效，这是无法避免、且能对电子产品运行造成不利影响的因素，寿命预测和可靠性分析已经成为电子产品出厂前的主要工作之一。而故障物理的应用能够对电子产品进行振动分析，可以得到其在运行期间的模态特征以及应力、位移、加速度响应，进而评估电子产品的寿命和可靠性，并为产品的设计和优化提供可行的方案。

电子产品的振动分析主要包括模态分析、随机振动、简谐振动等。其中，模态分析是分析电子产品本身的振动特征，随机振动则是分析电子产品在随机振动激励下的响应，简谐振动是分析电子产品在随时间变化的正弦或余弦振动激励下的响应。在电子产品的寿命周期中，振动荷载导致电子产品失效的主要因素，而应用故障物理方法需要有振动载荷-应力响应的结果数据作为输入。因此，通过对电子产品进行振动分析，通过将振动分析的结果作为故障物理仿真的输入数据，以计算电子产品的寿命和可靠性。

当前对电子产品振动信息的计算主要是通过有限元分析(FEA)来进行的，且经过长时间的发展，涌现了大批的商业软件和计算程序。自20世纪60年代以来，大量如Ansys、Abaqus、Nastran等商业化FEA软件，对于各类振动的仿真分析，它们都有较成熟的解决方案。商业化的软件确实为振动信息的计算提供了较大的便利性，但作为商业化软件，其不足之处有：1)使用这些商业化软件需要支付高昂的授权费用并遵守软件的使用许可协议；2)商业化软件的源代码都是不可见的，用户无法对求解方式进行深度定制；3)商业化软件由于其输出的结果文件数据结构较为固化，在使用商业化软件的计算结果进行故障物理仿真时，与故障物理模型的匹配度较差。因此，商业化软件在针对电子产品的故障物理仿真中进行应用存在一定的局限性。

FEAP(FORTRAN Executive Assembly Program)是基于FORTRAN执行程序的汇编程序，专为研究和教育用途而设计，可应用于Windows、Linux、Unix操作系统以及基于AppleMac OS X的系统。FEAP包含网格选项、线性和非线性算法及元素库、可视化前处理模块、板和壳元件库、多种相互作用库等。基于这些模块和库，可以方便地编制出可以用于电子产品模态特征、随机振动、简谐振动在内的振动数据的求解器。

基于故障物理可以对电子产品的失效进行仿真，而电子产品的振动信息是故障物理仿真的关键。电子产品的振动分析主要涉及到几何建模、参数设置、网格划分、计算求解、模型校核、结果后处理六个部分。其中对电子产品的几何建模、参数设置、网格划分需要花费大量的时间成本和人力成本，且需要丰富的振动分析经验，才能保证分析结果的准确性。此外，对电子产品进行故障物理仿真，通常需要多个软件的配合，且现有的商业软件由于数据结构匹配性、自动化的数据接口的制约，导致了分析效率低、门槛要求高等缺点，因此需要提出一个可以面向故障物理分析，且高效的振动分析方法，来解决振动分析结果的输入问题。

鉴于此，有必要给出面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述电子产品故障物理仿真的现有技术存在的问题，提出一种面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法。该方法结合三维建模、边界和参数设置、网格划分、结果处理，实现振动分析结果用于电子产品的故障物理仿真，进而将振动分析结果应用于可靠性综合分析与评估中，形成面向电子产品故障物理仿真的振动仿真分析方法。

本发明提供的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，主要包含以下步骤：

步骤1：基于印制电路板(PWB)设计信息的几何实体建模与简化；

步骤2：与几何模型和网格划分相关数据的传递；

步骤3：故障物理模型选择以及参数设置；

步骤4：驱动FEAP进行网格划分；

步骤5：驱动FEAP求解器进行数值仿真计算；

步骤6：根据设置的误差控制参数，自动监测FEAP求解器的计算状态并进行反馈显示；

步骤7：计算完成，解析并读取振动信息进行后处理操作。

所述步骤1基于印制电路板(PWB)设计信息的几何实体建模与简化包括：根据电子产品实体的几何尺寸，对其进行三维建模，包括电路板、元器件、通孔、嵌入物等，用于FEAP求解器对电路板三维模型的解析、简化、网格划分、数值仿真。

所述步骤2与几何模型和网格划分相关数据的传递，通过建立与FEAP求解器之间网格划分的数据传递接口，将PWB的各项参数数据转化、修正，以便适配FEAP求解器输入数据，包括：电子产品三维模型文件，储存网格划分参数和网格边界类型等相关数据的格式文件。

所述步骤3故障物理模型选择以及参数设置，根据产品实际工况条件，为电子产品选择合适的故障物理模型，并对模型中所需的参数类型进行设置，包括温度场、材料属性、边界条件、分析类型的选择、误差控制的设置、求解器与计算约束的设置；

所述步骤4驱动FEAP进行网格划分包括：电子产品模型文件、网格划分参数的输入与传递，驱动FEAP自动生成六面体背景网格，并根据电子产品几何文件全自动切分六面体网格并生成复杂的多面体网格，生成网格文件。

所述步骤5建立与FEAP求解器之间振动分析参数、算法等相关数据传递接口，包括：用于存储步骤3中故障物理模型所需要输入的振动分析文件以及将其转换为FEAP求解器所识别的格式文件的接口程序；根据所使用计算机处理器的配置信息，驱动FEAP求解器中的相应模块进行计算。

所述步骤6中，通过设置误差控制参数，读取FEAP求解器求解过程中的log文件，定时自动监测判断FEAP求解器的计算状态。

所述步骤7中，通过建立电子产品实体模型与FEAP求解器的结果文件之间的接口程序，解析并读取结果文件，按照需求输出模态、位移场等计算结果及图形文件。

本发明通过以上步骤，给出了一种面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法。

本发明的优异效果是：建立了电子产品实体模型和FEAP求解器之间的接口，实现电子产品故障物理仿真分析过程中建模、前后处理的可视化、振动数据的自动传递，实现了计算机自动完成原来需要由程序人员人工完成的大量交互程序工作，形成了一套科学、准确、便捷的面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法。电子产品技术人员可以基于此方法进行故障物理仿真，以便对电子产品进行可靠性综合设计及优化、寿命预测，极大地提高工作效率。

附图说明

图1一种面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法流程图

具体实施方式

为使本发明的特征及优点得到更清楚的了解，以下结合附图，作详细说明如下：图1描述了本发明的整体架构和流程图，其中实箭头方向表示该方法的运行流程，1号环形表示网格划分的数据传递接口，2号环形表示振动分析参数、算法等相关数据传递接口，3号环形表示前处理程序与FEAP求解器的结果文件之间的接口。

用户对PWB产品进行故障物理仿真分析时，本发明一种面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法的具体实施步骤是：

步骤1：基于PWB设计信息的几何实体建模与简化

根据电子产品实体的几何尺寸，对其进行三维建模，包括电路板、元器件、通孔、嵌入物等，用于FEAP求解器对电路板三维模型的解析、简化、网格划分、数值仿真。

步骤2：与几何模型和网格划分相关数据的传递

完成建模后，基于FEAP建模方法对模型中对振动分析结果影响不大，却能增加计算量的部位进行简化；输入网格划分参数，利用FEAP网格划分的数据传递接口，将简化后的电路板产品的模型文件和网格划分参数传递给FEAP网格划分模块。

步骤3：故障物理模型选择以及参数设置

根据产品实际工况条件，为电子产品选择合适的故障物理模型，并对模型中所需的参数类型进行设置，包括温度场、材料属性、边界条件、分析类型的选择、误差控制的设置、求解器与计算约束的设置；

步骤4：驱动FEAP进行网格划分

待电路板的模型文件、网格划分参数的输入与传递完成后，驱动FEAP网格划分模块中的自动生成简单六面体网格，并根据电子产品几何文件全自动切分六面体网格并生成复杂的多面体网格，生成网格文件。

步骤5：驱动FEAP求解器进行数值仿真计算

待完成电路板模型的振动分析参数数据的输入和传递后，根据所使用计算机处理器的配置，驱动FEAP求解器中的相应模块进行计算。

步骤6：根据设置的误差控制参数，自动监测振动计算状态并进行反馈显示开始求解后，通过设置误差控制参数，读取FEAP求解器求解过程中的log文件，定时自动监测判断FEAP求解器的计算状态。

步骤7：计算完成后，由FEAP输出振动结果文件，通过建立电子产品实体模型与FEAP求解器的结果文件之间的接口程序，解析并读取结果文件，按照需求输出模态、位移场等计算结果及图形文件。

本发明提供的方法实现了FEAP用于电路板产品故障物理仿真分析的几何建模、分析模型简化、前后处理的可视化，大量的人工交互程序工作均由计算机自动完成，大大地提高了技术人员的工作效率。

以上所述为本发明的优选方案，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法，其特征在于：它包含以下步骤：

步骤1：基于PWB设计信息的几何实体建模与简化；

步骤2：与几何模型和网格划分相关数据的传递；

步骤3：故障物理模型选择以及参数设置；

步骤4：驱动FEAP进行网格划分；

步骤5：驱动FEAP求解器进行数值仿真计算；

步骤6：根据设置的误差控制参数，自动监测FEAP求解器的计算状态并进行反馈显示；

步骤7：计算完成，解析并读取振动信息进行后处理操作。

通过以上步骤，给出了面向电子产品故障物理仿真的振动分析方法。

2.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤1基于PWB设计信息的几何实体建模与简化包括：根据电子产品实体的几何尺寸，对其进行三维建模，包括电路板、元器件、通孔、嵌入物等，用于FEAP求解器对电路板三维模型的解析、简化、网格划分、数值仿真。

3.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤2与几何模型和网格划分相关数据的传递，通过建立与FEAP求解器之间网格划分的数据传递接口，将PWB的各项参数数据转化、修正，以便适配FEAP求解器输入数据，包括：电子产品三维模型文件，储存网格划分参数和网格边界类型等相关数据的格式文件。

4.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤3故障物理模型选择以及参数设置，根据产品实际工况条件，为电子产品选择合适的故障物理模型，并对模型中所需的参数类型进行设置，包括温度场、材料属性、边界条件、分析类型的选择、误差控制的设置、求解器与计算约束的设置。

5.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤4驱动FEAP进行网格划分包括：电子产品模型文件、网格划分参数的输入与传递，驱动FEAP自动生成简单六面体背景网格，并根据电子产品几何文件全自动切分六面体网格并生成复杂的多面体网格，生成网格文件。

6.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤5建立与FEAP求解器之间振动分析参数、算法等相关数据传递接口，包括：用于存储步骤3中物理、数学建模所输入的振动分析文件以及将其转换为FEAP求解器所识别的格式文件的接口程序；根据所使用计算机处理器的配置信息，驱动FEAP求解器中的相应模块进行计算。

7.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤6中，通过设置误差控制参数，读取FEAP求解器求解过程中的log文件，定时自动监测判断FEAP求解器的计算状态。

8.根据权利要求1所述的面向电子产品故障物理分析的振动仿真分析方法，其特征在于：

所述步骤7中，通过建立电子产品实体模型与FEAP求解器的结果文件之间的接口程序，解析并读取结果文件，按照需求输出模态、位移场等计算结果及图形文件。