Блог COMSOL

Сравнение двух подходов к определению отклика компьютерной платы на ударное воздействие

18/01/2019

by Thomas Forrister

Вы только что приобрели новейший смартфон, игровую приставку или планшет. В предвкушении использования вы кладете покупку перед собой и читаете инструкцию — и тут ваш ребенок хватает новый "девайс" и начинает баловаться и трясти его. Но опасаться поломки скорее всего не стоит, т.к. электронная "начинка" любого современного гаджета проходит тестирование и сертификацию, которые гарантируют работоспособность устройства даже после определенных ударных нагрузок. Для анализа ударного отклика электронного компонента (например, печатной платы) инженеры могут воспользоваться рядом численных методик.

Актуальность механических ударных испытаний

Современные гаджеты становятся все более сложными, легкими и портативными. При этом они с большей долей вероятности могут подвергаться различным нагрузкам и неоднократным ударам — а это означает, что перед тем, как вывести устройство на рынок, наиболее хрупкие компоненты тестируют.

Материнская плана внутри портативного компьютера.
Ноутбук подвергают ударным испытаниям, чтобы проверить, что материнская плата выдерживает определенные ударные нагрузки. Автор изображения — Ravenperch, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Инженеры проводят ударные испытания, чтобы определить области вероятного повреждения из-за смещений, напряжений и ударов. Это помогает им понять, в какой части устройства следует разместить более хрупкие компоненты, например, материнскую плату, чтобы обеспечить их защиту. Как правило, ударные испытания проводятся в лабораториях с оборудованием для создания полусинусоидального, пилообразного и трапециевидного импульсов, которые обычно ассоциируют с ударами.

Для экономии времени и ресурсов инженеры могут численно исследовать ударный отклик хрупких электронных компонентов путем моделирования. Для проверки и анализа ударных откликов приборов потребительской электроники можно воспользоваться инструментами модуля Механика конструкций, являющегося расширением программного пакета COMSOL Multiphysics®. Давайте подробно рассмотрим два подхода к моделированию ударных испытаний с помощью COMSOL Multiphysics.

Два подхода к тестированию отклика на удар

Известна ли реальная форма и характеристики ударного воздействия?

Как правило, в случае истинных ударов точная динамика нагрузок не известна априори. Например, при проектировании здания, способного выстоять при землетрясении, инженер будет исследовать его пиковый отклик в ответ на "искуственный" модельный спектр воздействия (design response spectrum). Обобщая несколько различных типичных движений грунта, они могут провести оценку пикового отклика здания на воздействие пока неизвестного землетрясения.

Однако при работе по сертификации электроники часто предписывается вполне точная величина сотрясения, которую компонент должен выдерживать. Наиболее типичные характеристики толчков определяются как ускорение в виде полусинусоидальной функции (импульса) с заданным периодом и амплитудой. В такой постановке задачи явный анализ во временной области данных процессов выглядит самым очевидным и естественным вариантом расчета.

Пошаговое моделирование и отслеживание изменений во времени (Time-Stepping Analysis)

Наиболее прямолинейный подход к расчету ударного воздействия заключается в пошаговом его моделировании во временной области. Причем если необходимо учитывать нелинейное поведение, то это единственный вариант. Однако для сертификации нас больше интересует, сломается ли компонент в принципе, нежели то, как именно он будет ломаться, поэтому в такой постановке учет нелинейных эффектов не особо актуален. Во многих таких случаях нет необходимости проводить полный нелинейный контактный анализ, поэтому можно ограничиться расчетом в линейном режиме. Особо эффективным с вычислительной точки зрения будет использование для этого метода суперпозиции мод (mode superposition method).

Однако у такого подхода есть один недостаток: объем выходных данных. Нужно сохранять результаты для большого количества временных шагов, а при визуализации этих данных следует проводить дополнительную обработку для определения наихудших сценариев работы.

Анализ спектра отклика (Response Spectrum Analysis)

Анализ спектра отклика не требует больших ресурсов. Основная вычислительная нагрузка заключается в проведении расчета на собственные частоты. Однако итоговый результат, в частности, пиковое напряжение или пиковое смещение, вычисляется лишь приближенно. Если, как в нашем примере, временная история ударной нагрузки хорошо определена, то можно вычислить соответствующий спектр отклика и использовать его в качестве входных данных для анализа спектра отклика.

В данном методике предполагается, что все точки опоры испытывают одинаковые во времени ускорения. Это обычно вполне корректно для монтажной платы, установленной внутри шкафа или корпуса.

Есть также много аналогичных примеров, относящихся к аэрокосмическому оборудованию. При наземной транспортировке компонент может получить ударный импульс, если, скажем, грузовик преодолевает лежачий полицейский быстрее, чем должен. Импульсы во время транспортировки обычно довольно легко воспроизвести в испытательной лаборатории, поэтому уместным будет пошаговое моделирование по временной области. Однако, при размещении в более сложном оборудовании и условиях, в частности на космическом корабле, компонент должен выдерживать пироудары во время зажигания, отработки ступеней и вывода на орбиту. Такие удары часто происходят в механизмах выпуска во время разделения спутников. Представить пиротехнические импульсы в виде функций от времени достаточно сложно, поэтому вместо того, чтобы пытаться найти точное представление, для анализа серии различных импульсов используют моделный спектр отклика.

Для нашего же примера давайте исследуем влияние полусинусоидальной ударной нагрузки на печатную плату компьютера. Несмотря на то, что расчет во временной области с использованием метода суперпозиции мод лучше подходит для этой задачи, мы все равно проведем анализ спектра отклика, чтобы продемонстрировать оба подхода и сравнить результаты.

Моделирование реакции компьютерной платы на удар

Для этого примера давайте рассмотрим конструкцию материнской платы, обычно используемую для небольших устройств, таких как игровые приставки. Сама плата будет выполнена из характерного для индустрии PCB материала типа FR-4. Для охлаждения центрального процессора (CPU) и графического процессора (GPU) используются алюминиевые радиаторы. Кремниевые микросхемы памяти расположены рядом с процессором, а конденсаторы цилиндрической формы "разбросаны" по всему устройству. По краям расположены прямоугольные блоки, представляющие собой пластиковые разъемы для периферийных устройств.

Геометрия материнской платы с цветовой визуализацией различных компонентов.
Геометрия материнской платы, содержащая печатную плату-подложку (показана зеленым цветом), радиаторы (красным), микросхемы памяти (синим), конденсаторы (пурпурным и голубым) и пластиковые разъемы (желтым).

Для анализа спектра отклика (response spectrum analysis) нагрузка задается в виде спектра псевдоускорения, показанного ниже. В этом примере спектр псевдоускорения соответствует импульсу с пиковым ускорением 50 g в течение 11 мсек.

График спектра отклика в вертикальном направлении, построенный в COMSOL Multiphysics.
График полусинусоидального импульса с определенной ударной нагрузкой и длительностью.

Вертикальный спектр (слева) для полусинусоидального импульса с пиковой ударной нагрузкой 50 g и длительностью 11 мс (справа).

Расчет и анализ отклика на удар

Результаты анализа спектра отклика

По существу, анализ спектра отклика основан на нескольких различных методах, которые позволяют оценить общий пиковый отклик по информации о собственных модах конструкции. На первом этапе необходимо выполнить анализ на собственные частоты (в данном случае для определения первых 15-ти собственных частот), изучив их распределение в спектре вместе со значениями их коэффициентов участия (participation factors). На основании результатов такого анализа можно сделать вывод, что указанные моды вносят 94% вклада в вертикальные динамические нагрузки в системе. График ниже показывает, что первая и третья моды имеют наибольший коэффициент участия для вертикального смещения.

График коэффициентов участия (participation factors) для различных собственных частот.
Коэффициенты участия для первых 15-ти расчетных собственных мод.

Ниже показаны графики вертикального спектра ударной нагрузки с отметкой на нем первых 15-ти собственных частот. Собственная частота для третьей моды расположена близко к максимуму входного спектра, что указывает на то, что совместно с первой модой они являются наиболее важными для отклика (т.к. имеют еще и наибольшие коэффициенты участия). Фактически, произведение коэффициента участия и значения кривой спектра отклика на собственной частоте описывает уровень возбуждения для каждой собственной моды. Таким образом, в этом случае мы можем предположить, что первая и третья моды будут вносить основной вклад в динамический отклик.

График входного спектра вертикального воздействия с отметкой на нем первых 15-ти собственных частот.
Результат расчета: третья собственная моду для последующего анализа отклика на удар.

Слева: входные данные спектра вертикального удара с отметкой первых 15 собственных частот. Справа: третья собственная мода.

Теперь, когда решение для собственных значений известно, оценка спектра отклика может быть выполнена с использованием специализированного набора данных Response Spectrum (Спектр отклика). На основании последнего можно построить график вертикального смещения (подробнее об этом в следующем разделе статьи), а также распределение напряжений (показано ниже). Для рассматриваемой конструкции анализ спектра отклика показывает высокие уровни напряжения вблизи микросхем памяти.

Результат расчета: механические напряжения в материнской плате электронного устройства.
Механические напряжения в материнской плате.

Результаты пошагового расчета во временной области

Пошаговый анализ во временной области можно провести с помощью исследования Time Dependent, Modal (Расчет во временной области, на основе модального решателя). На графике ниже приведен результат такого анализа в виде распределения вертикального смещения в системе в момент окончания импульсной нагрузки (длительностью 11 мс).

Динамический отклик системы после ударного импульса.
Динамический отклик системы в конце ударного импульса.

Также приведен расчет максимального вертикального смещения (внизу слева) в течении всего заданного диапазона времени в 50 мс. Обратите внимание, что на графике для каждой точки визуализирован максимальный отклик (деформация) для каждой точки вне зависимости от того в какой момент времени он был достигнут. В такой формулировке полученное распределение достаточно похоже на результаты, полученные при анализе спектра отклика (график приведен ниже справа).

Визуализация максимального вертикального смещения в материнской плате, полученная в рамках пошагового расчета во временной области.
Визуализация пикового вертикального смещения в материнской плате, полученная в рамках анализа спектра отклика.

Слева: максимальное вертикальное смещение в материнской плате, полученное в рамках пошагового расчета во временной области. Справа: вертикальное смещение, полученное в результате анализа спектра отклика.

Каждый из подходов к численному моделированию испытания на ударный отклик, показанных в этом примере, имеет свои преимущества. Анализ спектра отклика дает менее точное, приблизительное решение, но может помочь при исследовании более сложных систем. Метод пошагового расчета во временной области более точен, но инженеры должны обрабатывать полное решение для всех временных шагов, чтобы найти максимальные значения, что требует больших объемов памяти.

Дальнейшие шаги

Вы можете самостоятельно поработать с рассмотренным в статье учебным примером «Расчет отклика материнской платы на ударное воздействие», для этого нажмите кнопку ниже и перейдите в Галерею моделей и приложений. Там вы сможете ознакомиться с документацией данного примера, а также загрузить сам MPH-файл модели (при наличии действующей лицензии на программное обеспечение).

Дополнительная информация

Узнайте больше о моделировании электронных компонентов:


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Log In | Registration
Загрузка...
Explore COMSOL Blog 
CATEGORIES
TAGS
CATEGORIES
TAGS