CN110337214A - 基于粒子阻尼器的减振方法、电子设备以及印刷电路板 - Google Patents
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Abstract
本发明所提供的一种基于粒子阻尼器的减振方法、电子设备以及印刷电路板,该减振方法应用于电子设备和/或印刷电路板,其中,电子设备安装有印刷电路板。由于本方案采用粒子阻尼器对电子设备以及印刷电路板进行减振,提高了电子设备的适用性和稳定性。并通过确定粒子阻尼器的目标安装位置以及粒子阻尼器的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料等参数,使印刷电路板以及印刷电路板外层的电子设备的减振能力翻倍,即,提高了印刷电路板以及印刷电路板外层电子设备的减振能力。
Description
技术领域
本发明涉及减振控制技术领域,更具体地说,涉及一种基于粒子阻尼器的减振方法、电子设备以及印刷电路板。
背景技术
随着科技的不断发展,电子设备的功能和种类也越来越多,印刷电路板作为电子设备中各电子组件的载体,其设计通常考虑电路板上的布线密度以及导线精度等。
而,一些特定的场合,要求印刷电路板具有一定的抗震能力,以保证电子设备的正常运行。例如,导弹武器等电子设备在发射阶段会伴随高强度的振动和冲击,导致导弹内的电子组件会产生严重的动态响应。由于导弹能够实现导航、通信、目标识别、跟踪定位等为一体化的功能,一旦其内置的电子设备出现故障,会造成导弹的失误,进而导致不可预估的灾难性的后果。
目前的减振方式为对电子设备增设橡胶隔震器,而橡胶材料耐热能力较弱,易老化,使得电子设备的适用性差、稳定性低。因此,如何提供一种减振方法,既能够提高电子设备的减振能力,又能增强电子设备的适用性以及稳定性,是本领域技术人员亟待解决的一大技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于粒子阻尼器的减振方法,能够提高印刷电路板以及印刷电路板外层电子设备的减振能力的同时,提高电子设备的适用性和稳定性。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于粒子阻尼器的减振方法,应用于电子设备,所述电子设备安装有印刷电路板,所述减振方法包括:
基于振源,确定振动的传递路径;
基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置;
建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型;
基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
可选的,所述基于振源,确定振动的传递路径,包括:
确定所述传递路径为所述振源至所述电子设备至所述电子设备与所述印刷电路板的连接位置至所述印刷电路板;
相应的,所述基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置,包括:
确定所述电子设备与所述印刷电路板的连接位置为振动输入端;
确定至少一个所述振动输入端为所述目标安装位置。
一种电子设备,包括:
粒子阻尼器,所述粒子阻尼器设置在所述电子设备的目标安装位置上,所述目标安装位置基于任意一项上述的减振方法确定。
可选的,所述粒子阻尼器为方形、圆形或者多边形的腔体结构;
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子形状为球形、三角形或多边形;
和/或,
所述球形的阻尼粒子的直径为0.1mm-100mm,所述多边形的阻尼粒子的边长为0.1mm-100mm,
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为钠基粒子、镁基粒子、钾基粒子、钙基粒子、铜基粒子、锌基粒子、钪基粒子、钛基粒子、钒基粒子、铬基粒子、锰基粒子、钴基粒子、镍基粒子、钨基粒子、铝基粒子、铁基粒子等金属合金粒子以及玻璃粒子或氧化物陶瓷粒子(氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化锆陶瓷等)、氮化物陶瓷粒子(氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷等)、碳化物陶瓷粒子(碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等)、玻璃陶瓷粒子等。
可选的,所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为恢复系数范围为0-1的阻尼粒子;
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为静摩擦因数范围为0-1的阻尼粒子;
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为动摩擦因数范围为0-1的阻尼粒子。
一种基于粒子阻尼器的减振方法,应用于印刷电路板,所述减振方法包括:
对所述印刷电路板进行有限元模态分析,确定出所述印刷电路板的模态敏感点区域;
利用模态叠加法,对所述印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置;
建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型;
基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
可选的,还包括:
基于所述印刷电路板的元器件位置、布线位置以及所述粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置,确定出所述粒子阻尼器的实际安装位置;所述印刷电路板的元器件位置包括所述印刷电路上安装的元器件的实际安装位置以及元器件的预设安装位置,所述印刷电路板的布线位置包括所述印刷电路上印刷的走线的实际布线位置以及走线的预设布线位置。
一种印刷电路板,包括:
粒子阻尼器,所述粒子阻尼器设置在所述印刷电路板的目标安装位置上,所述目标安装位置基于任意一项上述的减振方法确定。
可选的,当所述印刷电路板上未设置元器件以及布线,所述粒子阻尼器安装在所述印刷电路板的目标安装位置上;
当所述印刷电路上设置有元器件以及布线,所述粒子阻尼器悬空安装在所述印刷电路板的目标安装位置上。
可选的,所述粒子阻尼器通过连接件与所述印刷电路板的目标安装位置固定连接。
与现有技术相比,本发明所提供的技术方案具有以下优点:
本发明所提供的一种基于粒子阻尼器的减振方法,应用于电子设备和/或印刷电路板,其中,电子设备安装有印刷电路板。
当应用于电子设备时,该减振方法首先基于振源,确定出振动的传递路径。然后基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置。之后建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型,并基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
当应用于印刷电路板,该减振方法首先对所述印刷电路板进行有限元模态分析,确定出所述印刷电路板的模态敏感点区域。然后利用模态叠加法,对所述印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置,之后建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型,并基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
可见,本方案采用粒子阻尼器对电子设备以及印刷电路板进行减振,提高电子设备的适用性和稳定性。并通过确定粒子阻尼器的目标安装位置以及粒子阻尼器的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料等参数,使印刷电路板以及印刷电路板外层的电子设备的减振能力翻倍,即,提高了印刷电路板以及印刷电路板外层电子设备的减振能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于粒子阻尼器的减振方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种安装有粒子阻尼器的电子设备的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的一种粒子间以及粒子与阻尼壁板间的接触模型的示意图;
图4为本发明实施例提供的又一种基于粒子阻尼器的减振方法的流程示意图;
图5为本发明实施例提供的一种对印刷电路板进行有限元模态分析,确定出印刷电路板的模态敏感点区域的流程示意图;
图6为本发明实施例提供的一种印刷电路板的三维模型的示意图;
图7为图6对应的有限元模型的示意图;
图8为本发明实施例提供的一种一阶弯曲模态的示意图;
图9为本发明实施例提供的一种二阶弯曲模态的示意图;
图10为本发明实施例提供的一种三阶扭转模态的示意图;
图11为本发明实施例提供的一种利用模态叠加法,对印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在印刷电路板上的目标安装位置的流程示意图;
图12为本发明实施例提供的一种加速度频率曲线的示意图;
图13为本发明实施例提供的一种安装有粒子阻尼器的印刷电路板的结构示意图;
图14为本发明实施例提供的又一种基于粒子阻尼器的减振方法的流程示意图;
图15为本发明实施例提供的一种粒子阻尼器的结构示意图;
图16为本发明实施例提供的一种粒子阻尼器在印刷电路板上的安装位置的示意图;
图17为本发明实施例提供的一种印刷电路板中非敏感位置的示意图;
图18为本发明实施例提供的一种印刷电路板中敏感位置的示意图;
图19为实验得出的频域曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
基于当前导弹等电子设备的防振需求,本发明提供了一种基于粒子阻尼器的减振方法,应用于电子设备和/或印刷电路板,其中,电子设备安装有印刷电路板。由于本方案采用粒子阻尼器对电子设备以及印刷电路板进行减振,提高了电子设备的适用性和稳定性。并通过确定粒子阻尼器的目标安装位置以及粒子阻尼器的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料等参数,使印刷电路板以及印刷电路板外层的电子设备的减振能力翻倍,即,提高了印刷电路板以及印刷电路板外层电子设备的减振能力。
实施例一
请参阅图1,图1为本发明实施例提供的一种基于粒子阻尼器的减振方法的流程示意图,该减振方法应用于电子设备,其中,电子设备安装有印刷电路板,该减振方法包括:
S11、基于振源,确定振动的传递路径;
通常,传递路径是一个复杂的分析过程,有专门的分析方法,不同的结构有不同的分析过程。在本实施例中,提供了一种基于振源,确定振动的传递路径的具体实现方法,具体为:确定所述传递路径为所述振源至所述电子设备至所述电子设备与所述印刷电路板的连接位置至所述印刷电路板。
其中,请参阅图2,图2为安装有粒子阻尼器21的电子设备22的结构示意图。在本实施例中,确定所述电子设备与所述印刷电路板的连接位置为振动输入端,例如,电子设备与印刷电路板通过八个安装孔进行连接,那么这些安装孔的位置即为振动输入端。
具体的,振动输入端为振源在电子设备上的激励端,激励可以是关于时间变化的力或位移。在本实施例中,根据电子设备与印刷电路板的接触位置不同,可以具有一个或多个振动输入端。
S12、基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置;
在本实施例中,确定至少一个所述振动输入端为所述目标安装位置,例如,上述具有八个振动输入端,那么,本实施例中,可以将八个振动输入端均作为粒子阻尼器在电子设备上的目标安装位置,还可以取其中一两个或其他数量的振动输入端作为粒子阻尼器在电子设备上的目标安装位置。
S13、建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型;
粒子阻尼器在收到振动和冲击时,通过阻尼器腔体内的阻尼粒子群的滚动、滑动、相互的碰撞与摩擦耗散能量,以达到对振动系统的减振效果。因此,本实施例在确定了粒子阻尼器在电子设备上的目标安装位置后,建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型,进一步分析如何使粒子阻尼器中粒子耗散总能量最大。
在本实施例中,建立离散化单元模型为:E=∑ΔEm+∑ΔEn,其中,E为粒子阻尼器中粒子耗散总能量,ΔEm为粒子的碰撞耗散能量,ΔEn为粒子的碰撞耗散能量;ΔEn=μFnΔS,其中,mi为粒子i的质量,mj为粒子j的质量,e为粒子的恢复系数,Δv为粒子i与粒子j碰撞前的相对速度,μ为粒子i与粒子j之间的摩擦因素,Fn为粒子i与粒子j之间的法向合力。
具体的,分析过程如下:
粒子间通过接触碰撞由此产生法向力与摩擦的切向力,因此,本实施例在不考虑粒子间接触力叠加的基础上,引入了弹性力与阻尼力,并将法向简化为线性接触模型,切向简化为库伦摩擦力模型。
其中,粒子间以及粒子与阻尼壁板间的接触模型如图3所示,其中kn是粒子的法向刚度,cn是粒子的法向阻尼,kt是粒子切向刚度,ct是粒子切向阻尼,μ是耦合器,用来确定粒子的配对关系。
阻尼器中粒子在某一时刻的运动方程如下:
式中Fn与Ft为粒子i,j之间法向接触力与切向接触力;pi为粒子位移向量;g是重力加速度;mi为粒子的质量;Ii是粒子惯性矩;为粒子角位移矢量;T为切向产生的扭矩;si为某时刻与粒子i接触粒子数量。
法向合力可以表示为:
Fn=Fkn+Fcn=-knDn-cnVn(6),式中Dn为粒子间法向变形量,Vn为粒子间的法向相对速度,可由Hertz接触理论得出具体值。
用P-P表示粒子与粒子,用P-D表示粒子与阻尼器壁板,则法向弹性系数kn可表示为:
式中E为接触单元的弹性模量,V为泊松比,R为粒子半径,m为接触单元等效质量。
切向合力可以表示为:
Ft=Fkt+Fct=-ktDt-ctVt,式中Dt是粒子间切向变形量,Vt为粒子间的切向相对速度。根据Hertz接触模型,kt与ct可推导为:
kt=rkn
其中,r为比例系数:
式中m为接触单元等效质量,G为接触单元的切变模量。
粒子阻尼的耗能包括碰撞耗能和摩擦耗能。当任意两个粒子i,j发生碰撞接触时,碰撞耗能表示为:
式中,e为粒子的恢复系数;Δv为两粒子碰撞前的相对速度。
摩擦力做功决定了摩擦耗能的大小,表示为:
ΔEn=μFnΔS,式中,μ为两粒子之间的摩擦因素,ΔS表示两粒子切向相对位移。当粒子与阻尼器之间发生碰撞或摩擦时,能耗也可以遵循上述计算方法。
因此,粒子系统的总体能耗可表示为:
E=∑ΔEm+∑ΔEn
S14、基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
具体的,在所述离散化单元模型中,模拟同一粒子填充率以及同一粒子材料,获取不同粒子粒径下的粒子耗散总能量,确定所述粒子耗散总能量的最大值对应的所述粒子粒径为所述目标粒子粒径。
在所述离散化单元模型中,模拟同一粒子粒径以及同一粒子材料,获取不同粒子填充率下的粒子耗散总能量,确定所述粒子耗散总能量的最大值对应的所述粒子填充率为所述目标粒子填充率。
在所述离散化单元模型中,模拟同一粒子填充率以及同一粒子粒径,获取不同粒子材料下的粒子耗散总能量,确定所述粒子耗散总能量的最大值对应的所述粒子材料为所述目标粒子材料。
示意性的,为了使粒子阻尼器具有更高效的减振能力,逐一对粒子粒径、粒子填充率以及粒子材料进行确定,如下:
为研究不同粒子材料对粒子阻尼器的阻尼效果,分别选用粒子粒径(直径)为1.5mm的铝基粒子、铁基合金粒子、钨基合金粒子、玻璃粒子、陶瓷粒子,通过实验与计算得出:粒子材料为钨基合金粒子时,能达到超过50%的减振效果,因此,在本实施例中,可以确定目标粒子材料为钨基合金。
同理,为研究不同粒子填充率对粒子阻尼器的阻尼效果,选用粒子粒径为1.5mm的钨基合金粒子,分别设定填充率为30%、60%、80%、90%、100%进行实验及计算。得出:当填充率为30%~90%时随着粒子填充率的不断提高,粒子阻尼效果越明显,粒子阻尼器的振动越小,在粒子填充率为90%左右时,减振效果最为明显,能达到超过50%的减振效果。但是当粒子填充率接近100%时,理论计算与实验均显示出反弹现象,粒子阻尼器的减振效果变差。因此,在本实施例中,可以确定目标粒子填充率为90%。
同理,为研究不同粒子粒径对粒子阻尼器的阻尼效果,选用粒子填充率90%的钨基合金粒子,分别设定粒子粒径为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm进行实验及计算。得出:在粒子粒径为2mm左右时,减振效果最为明显,能达到超过50%的减振效果。因此,在本实施例中,可以确定目标粒子粒径为2mm。
需要说明的是,上述目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料的确定过程是相互独立的,互不干扰。除此,在本实施例中,还可以首先确定出目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料中的任一参数,然后在确定的参数基础上,对其他两个参数进行确定。
例如,可以通过在离散化单元法中模拟相同粒子粒径与粒子材料,不同粒子填充率下阻尼器振动系统的耗能速率,计算系统耗能最大时的粒子填充率。
然后,根据计算得到的粒子填充率来调整阻尼器中粒子的填充率,之后,通过在离散化单元法中模拟相同粒子填充率与材料,不同粒子粒径下阻尼器振动系统的耗能速率,计算系统耗能最大时的粒子粒径。
之后,根据上述计算得到的粒子填充率以及粒子粒径,通过在离散化单元法中模拟相同的粒子填充率与粒子粒径,不同粒子材料下阻尼器振动系统的耗能速率,计算系统耗能最大时的粒子材料。
最后,本实施例按照确定出的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料对粒子阻尼器进行设置,然后将粒子阻尼器安装在电子设备的目标安装位置上,以使粒子阻尼器起到最大的减振效果。
在此基础上,本实施例还可以对安装有上述粒子阻尼器的电子设备进行减振效果测试,确定电子设备的减振效果,在此不详细叙述。
实施例二
请参阅图4,图4为本发明实施例提供的又一种基于粒子阻尼器的减振方法的流程示意图,该减振方法应用于印刷电路板,其中,印刷电路板可以为已经设置有电子元器件的印刷电路板,还可以为未设置电子元器件的印刷电路板,该减振方法包括:
S41、对所述印刷电路板进行有限元模态分析,确定出所述印刷电路板的模态敏感点区域;
为了对计算模型进行简化,本实施例以未设置电子元器件的印刷电路板为例,进行介绍,或者为了简化计算模型,可以忽略印刷电路板上的电子元器件。
具体的,本实施例提供了一种对所述印刷电路板进行有限元模态分析,确定出所述印刷电路板的模态敏感点区域的具体实现方式,如图5所示,包括:
S51、确定n阶模态中,所述印刷电路板上形变量大于第一预设值的区域为所述模态敏感点区域;
S52、确定各所述模态敏感点区域对应的模态阶数以及模态固有频率。
示意性的,可以根据电子设备的尺寸,确定出印刷电路板的尺寸,具体的,以印刷电路板的尺寸为192*179*2(mm),材料为FR-4,密度为1.9*103kg/m3,弹性模量为1.11*1010Pa,泊松比为0.28为例,建立该印刷电路板的三维模型,如图6所示。
基于ANSYS有限元软件,模型采用实体单元SOLID185,用于构造三维固体结构,把特性参数赋予印刷电路板各部分并划分网格后,建立如图7所示的有限元模型。
由lagrange方程可得一个n自由度的系统运动方程如下:
其中[M]、[C]、[K]分别为系统质量、系统阻尼和系统刚度矩阵,{F(t)}为外激励矩阵。由于阻尼对系统的固有频率和主振型影响很小,因此可考虑为无阻尼系统,其自由振动方程为:
其特征方程为:
(K-ω2M)X=0 (3)
解方程(3)可得到系统的第i阶固有频率ωi与第i阶的位移Xi。
在有限元软件中进行模态分析,得出低阶模态能量占比大,因此在本实施中,选取图8所示的一阶弯曲模态,图9、图10的二阶弯曲与三阶扭转模态。图中的条状图表示了不同区域所对应的总变形量,前三阶所对应最大变形量为图中第一区域,分别为203.56mm、183.75mm、216.16mm。因此,确定第一区域为振动敏感区域。表1为模态分析所得PCB前3阶模态固有频率。
表1
S42、利用模态叠加法,对所述印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置;
通过有限元模态分析,确立了粒子阻尼安装的模态敏感点区域,为了更进一步确定粒子阻尼器的安装位置,将通过谐响应进行分析确定。
具体的,如图11所示,本实施例提供了一种利用模态叠加法,对所述印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置的具体实现方式,包括:
S111、确定所述模态固有频率中的频率最大值以及频率最小值为目标求解频段;
S112、获取所述目标求解频段对应的加速度频率曲线;
S113、确定所述加速度曲线中加速度峰值的最大值对应的模态阶数为目标阶数;
S114、确定所述目标阶数的模态中,所述印刷电路板上的所述模态敏感点区域为所述粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置。
示意性的,通过电路板的谐响应分析可以确定粒子阻尼器的安装位置并能得到印刷电路板PCB的峰值频率。在模态分析的基础上,对PCB采用模态叠加法进行谐响应分析并求解。求解频段为模态分析所得电路板固有频率的最小值与最大值,响应的输出为加速度频率曲线。求解条件可以为:针对PCB的芯片沿预X轴方向施加6mm/s2的加速度,求得节点位置的加速度频率曲线,如图12所示。
根据以上谐响应分析结果,由加速度频率曲线可知,电路板上的加速度幅值在频率为118Hz、181Hz、280Hz时振幅出现了峰值,分别为14.52m/s2、24.86m/s2、9.13m/s2且在频率为181Hz时,峰值为最大值。因此,针对PCB的减幅,将重点关注2阶模态固有频率。即,通过谐响应分析,确定粒子阻尼器的安装区域为2阶模态振型处。
然后确定2阶模态振型中,所述印刷电路板上的所述模态敏感点区域为所述粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置。
S43、建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型;
该离散化单元模型的建立与实施例一相同,在此不重复叙述。即建立离散化单元模型为:E=∑ΔEm+∑ΔEn,其中,E为粒子阻尼器中粒子耗散总能量,ΔEm为粒子的碰撞耗散能量,ΔEn为粒子的碰撞耗散能量;ΔEn=μFnΔS,其中,mi为粒子i的质量,mj为粒子j的质量,e为粒子的恢复系数,Δv为粒子i与粒子j碰撞前的相对速度,μ为粒子i与粒子j之间的摩擦因素,Fn为粒子i与粒子j之间的法向合力。
S44、基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
步骤S44请参见上述步骤S14。具体为:
在所述离散化单元模型中,模拟同一粒子填充率以及同一粒子材料,获取不同粒子粒径下的粒子耗散总能量,确定所述粒子耗散总能量的最大值对应的所述粒子粒径为所述目标粒子粒径;
在所述离散化单元模型中,模拟同一粒子粒径以及同一粒子材料,获取不同粒子填充率下的粒子耗散总能量,确定所述粒子耗散总能量的最大值对应的所述粒子填充率为所述目标粒子填充率;
在所述离散化单元模型中,模拟同一粒子填充率以及同一粒子粒径,获取不同粒子材料下的粒子耗散总能量,确定所述粒子耗散总能量的最大值对应的所述粒子材料为所述目标粒子材料。
然后,本实施例按照确定出的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料对粒子阻尼器进行设置,然后将粒子阻尼器安装在2阶模态振型中印刷电路板上的模态敏感点区域上,如图13所示,以使粒子阻尼器起到最大的减振效果。
需要说明的是,本实施例不限定粒子阻尼器的外形,例如,粒子阻尼器外形可为方形、圆形或者任意多边形的腔体结构。除此,粒子阻尼器中的阻尼粒子形状可为球形、三角形以及任意多边形。球形粒子直径可以为0.1mm-100mm,任意多边形粒子的边长可以为0.1mm-100mm。粒子阻尼器中的阻尼粒子为钠基粒子、镁基粒子、钾基粒子、钙基粒子、铜基粒子、锌基粒子、钪基粒子、钛基粒子、钒基粒子、铬基粒子、锰基粒子、钴基粒子、镍基粒子、钨基粒子、铝基粒子、铁基粒子等金属合金粒子以及玻璃粒子或氧化物陶瓷粒子(氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化锆陶瓷等)、氮化物陶瓷粒子(氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷等)、碳化物陶瓷粒子(碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等)、玻璃陶瓷粒子等。阻尼粒子群体的填充率可为阻尼器腔体整体空间的1%-100%。阻尼粒子的恢复系数范围为0-1,静摩擦因数范围为0-1,动摩擦因数范围为0-1。
在上述实施例的基础上,本实施例还提供了又一种减振方法,如图14所示,还包括:
S141、基于所述印刷电路板的元器件位置、布线位置以及所述粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置,确定出所述粒子阻尼器的实际安装位置;所述印刷电路板的元器件位置包括所述印刷电路上安装的元器件的实际安装位置以及元器件的预设安装位置,所述印刷电路板的布线位置包括所述印刷电路上印刷的走线的实际布线位置以及走线的预设布线位置。
具体的,当印刷电路板为未设置电子元器件的印刷电路板时,可以在确定好粒子粒径、材料、填充率后,基于布线的合理性、布通率与电气性,优化元器件位置与接线布置从而最大化留出敏感区域,最后将粒子阻尼安装在印制电路板上。
示意性的,基于PCB的布局,本实施例采用如图15所示的正方形粒子阻尼器,其外部尺寸为30*30*8(mm),阻尼器材质为ZAlZn6Mg铝合金,采用厚度为1.0mm的铝板进行封闭,阻尼器与PCB板之间采用M2十字沉头螺栓进行连接。为保证阻尼器与PCB之间的固定相连,螺栓底部螺纹可以打上螺纹胶,防止长期使用过程中螺钉的脱落造成阻尼器松动。
当印刷电路板为已经设置有电子元器件的印刷电路板时,可以通过将粒子阻尼器161在敏感区域悬空安装,如图16所示,并通过螺柱162等连接件进行连接,同样能够达到减振的效果。
示意性的,螺柱的两头分别和电路板以及粒子阻尼器进行刚性连接,螺柱的高度,数量可以根据实际情况确定。
在上述实例的基础上,本实施例还可以进一步检查安装有粒子阻尼器的印刷电路板是否满足整体电路要求,是否达到一定减振效果,如果不满足则返回步骤S42重新确定目标安装位置。
除此,本实施例还可以对安装有粒子阻尼器的印刷电路板进行减振效果测试,如下:
结合上文,基于有限元动力学分析,在2阶模态固有频率为181Hz时,振动峰值达到最大点。因此,对于本实施例中的印刷电路板,基于原有电路的设计,在接线与元器件排布位置的基础上,只留下图17中非敏感位置。
因此将粒子阻尼器安装在非敏感位置以及安装在如18所示的敏感位置,针对电路板进行扫频分析,扫频范围为0到330Hz,通过频谱图验证PCB上敏感区域与非敏感区域加阻尼器的减振效果。
对比试验结果,通过频域曲线进行分析,如图19,在非敏感区域安装颗粒阻尼器后,总有效值从40.75mm/s2降到了39.33mm/s2,没有明显的减振效果。在敏感区域加上阻尼器后,总有效值从40.75mm/s2降到了20.50mm/s2,降幅在主振方向上可以达到50%。2阶频率的峰值从27.35mm/s2降到了15.80mm/s2,达到很好的降峰效果,整体减振效果显著。
综上,本发明提供了一种基于粒子阻尼器的减振方法,应用于电子设备和/或印刷电路板,其中,电子设备安装有印刷电路板。
当应用于电子设备时,该减振方法首先基于振源,确定出振动的传递路径。然后基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置。之后建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型,并基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
当应用于印刷电路板,该减振方法首先对所述印刷电路板进行有限元模态分析,确定出所述印刷电路板的模态敏感点区域。然后利用模态叠加法,对所述印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置,之后建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型,并基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
可见,本方案采用粒子阻尼器对电子设备以及印刷电路板进行减振,提高电子设备的适用性和稳定性。并通过确定粒子阻尼器的目标安装位置以及粒子阻尼器的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料等参数,使印刷电路板以及印刷电路板外层的电子设备的减振能力翻倍,即,提高了印刷电路板以及印刷电路板外层电子设备的减振能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于粒子阻尼器的减振方法,其特征在于,应用于电子设备,所述电子设备安装有印刷电路板,所述减振方法包括:
基于振源,确定振动的传递路径;
基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置;
建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型;
基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
2.根据权利要求1所述的减振方法,其特征在于,所述基于振源,确定振动的传递路径,包括:
确定所述传递路径为所述振源至所述电子设备至所述电子设备与所述印刷电路板的连接位置至所述印刷电路板;
相应的,所述基于所述传递路径,确定出粒子阻尼器在所述电子设备上的目标安装位置,包括:
确定所述电子设备与所述印刷电路板的连接位置为振动输入端;
确定至少一个所述振动输入端为所述目标安装位置。
3.一种电子设备,其特征在于,包括:
粒子阻尼器,所述粒子阻尼器设置在所述电子设备的目标安装位置上,所述目标安装位置基于如权利要求1-2中任意一项所述的减振方法确定。
4.根据权利要求3所述的电子设备,其特征在于,所述粒子阻尼器为方形、圆形或者多边形的腔体结构;
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子形状为球形、三角形或多边形;
和/或,
所述球形的阻尼粒子的直径为0.1mm-100mm,所述多边形的阻尼粒子的边长为0.1mm-100mm,
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为钠基粒子、镁基粒子、钾基粒子、钙基粒子、铜基粒子、锌基粒子、钪基粒子、钛基粒子、钒基粒子、铬基粒子、锰基粒子、钴基粒子、镍基粒子、钨基粒子、铝基粒子、铁基粒子、玻璃粒子、氧化物陶瓷粒子、碳化物陶瓷粒子或玻璃陶瓷粒子。
5.根据权利要求3所述的电子设备,其特征在于,所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为恢复系数范围为0-1的阻尼粒子;
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为静摩擦因数范围为0-1的阻尼粒子;
和/或,
所述粒子阻尼器中的阻尼粒子为动摩擦因数范围为0-1的阻尼粒子。
6.一种基于粒子阻尼器的减振方法,其特征在于,应用于印刷电路板,所述减振方法包括:
对所述印刷电路板进行有限元模态分析,确定出所述印刷电路板的模态敏感点区域;
利用模态叠加法,对所述印刷电路板进行谐响应分析,确定出粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置;
建立粒子阻尼器中粒子耗散总能量的离散化单元模型;
基于所述离散化单元模型,确定出所述粒子耗散总能量的最大值对应的目标粒子粒径、目标粒子填充率以及目标粒子材料。
7.根据权利要求6所述的减振方法,其特征在于,还包括:
基于所述印刷电路板的元器件位置、布线位置以及所述粒子阻尼器在所述印刷电路板上的目标安装位置,确定出所述粒子阻尼器的实际安装位置;所述印刷电路板的元器件位置包括所述印刷电路上安装的元器件的实际安装位置以及元器件的预设安装位置,所述印刷电路板的布线位置包括所述印刷电路上印刷的走线的实际布线位置以及走线的预设布线位置。
8.一种印刷电路板,其特征在于,包括:
粒子阻尼器,所述粒子阻尼器设置在所述印刷电路板的目标安装位置上,所述目标安装位置基于如权利要求6-7中任意一项所述的减振方法确定。
9.根据权利要求8所述的印刷电路板,其特征在于,
当所述印刷电路板上未设置元器件以及布线,所述粒子阻尼器安装在所述印刷电路板的目标安装位置上;
当所述印刷电路上设置有元器件以及布线,所述粒子阻尼器悬空安装在所述印刷电路板的目标安装位置上。
10.根据权利要求9所述的印刷电路板,其特征在于,
所述粒子阻尼器通过连接件与所述印刷电路板的目标安装位置固定连接。
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