自動確定印制板組件中元件被模態節線穿過的模態數方法與流程

本發明涉及一種適用于航空電子設備印制板組件的有限元模態結果的解讀過程中自動確定印制板組件中元件被模態節線穿過的模態數方法。

背景技術：

航空電子設備在使用過程中會經受來源于飛行器發動機、外部氣流擾動，可能會承受多種不同形式的寬頻帶、多加速度水平的振動作用，例如正弦振動、隨機振動和瞬態沖擊振動的作用。在上述這些多種形式和加速度水平的振動作用下，電子設備內部的印制板組件將產生柔性變形，并可能導致電子備多種形式的失效，如電參數漂移，元器件引線或焊點斷裂，引起電回路失效等。因此，振動是導致電子設備失效的一個重要因素，尤其是在電子設備不斷地向小型化和多樣化發展的今天，印制板組件的結構更加細小，布線密度越來越大，層數越來越多，振動因素對它們的影響已變得更加突出。印制板組件所經受的振動和沖擊是影響電子封裝可靠性的關鍵因素。由于印制電路板是薄殼結構，扭轉時芯片引腳受力形式復雜，印制板組件發生失效的可能性遠大于機箱。當印制板上有模態彎曲節線穿過器件時，不利于器件焊點的生存的原則來預測可能出現損壞的電子元器件。為了保證電子設備的可靠性，提高航空電子設備中印制板組件的耐振動載荷的能力，在設計這些印制板組件時，通常要對其進行耐振動環境能力分析。在這些分析方法中，模態分析是一種常用的手段，模態分析的結果不僅使設計印制板組件滿足電子設備結構設計的倍頻規則，并且元件在振動環境下發生損壞的幾率也是與模態節線存在密切的關系。

在《boarddesigninfluenceonbgamechanicalreliability》一文中指出當元件被模態節線穿過時，其焊點的生存能力將受到不利影響。進而《studyonthedynamiccharacteristicsanalysisandfailureprognosisofapwa》一文依據元件被節線穿越的模態的數量成功預計了元件的損壞順序。可見確定元件被節線穿越的模態的數量對于印制板組件的元件損傷預計具有重要的意義。

當前，確定元件被節線穿越的模態數采用的是人工觀察法。該方法的主要步驟是：首先建立分析模型得到模態分析結果；其次，繪制各階模態的振動及節線分布圖；最后，仔細觀察振動及節線分布圖來獲得元件被節線穿越的模態數。該方法存在以下不足：

(1)當需要處理的模態數量較多時，工作量大，效率較低、且易出錯；

航空電子設備中通常會包含多個印制板組件，并且航空器的振動能量一般分布與2000hz一下的頻段內。在該頻段所包含的印制板組件的模態數量從十幾階到幾十、甚至幾百階，并且印制板組件上分布有幾十個元件。逐階繪制節線分布圖并通過觀察逐個確定元件被節線穿越的模態數需要工作很大，統計數據表明對一個含有20個元件的印制板組件，一個設計師每小時僅能完成一階模態結果的處理。

(2)無法程序化

當前方法為純人工方法，每一個步驟均需要設計師手工完成，嚴重依賴設計師，無法程序化、并整合進入優化迭代的計算機程序，給通過優化元件在印制板上的布局來提高其振動能力帶來很大的困難。

技術實現要素：

本發明的目的針對現有技術確定元件被節線穿越的模態數的人工觀察法工作量大、效率低、易出錯且無法自動化的不足，提供一種效率高、不易出錯且易于程序化的自動確定印制板組件中元件被模態節線穿過的模態數方法。

為了實現上述目的，一種自動確定印制板組件中元件被模態節線穿過的模態數方法，其特征在于包括如下步驟：應用分析軟件將印制板組件中的元件按照不同外形劃分為矩形封裝元件和圓形封裝元件，以坐標系xoy為建模坐標系建立印制板組件的幾何模型和印制板組件的有限元模型；并以印制板的一個最近的角點為坐標原點，以印制板的一邊為x軸、以印制板的另一邊為y軸，定義坐標系xoy，并定義矩形元件數nr×5矩陣mr、圓形元件數nc×4矩陣mc、矩陣cr、模型節點數na×2矩陣mz和三維矩陣z0；應用分析軟件將印制板組件中元件的輪廓扁平化、參數化進行模態分析，分別對印制板組件中的矩形封裝元件和圓形封裝元件進行編號和計數，通過模態分析得到印制板組件的模態振型；應用分析軟件將輪廓信息分別存儲于不同的三維矩陣z0中；分析軟件提取印制板組件各個元件的輪廓和各階模態的節線，判斷模態節線是否穿越元件；再從模態分析結果中逐階提取構成模態節線的節點，判斷構成節線的節點是否位于元件的輪廓內來確定元件是否被節線、節點穿越或穿過，記錄穿越元件的模態數，確定各元件被節線穿過的模態數。

本發明相比于現有技術具有如下有益效果：

(1)效率高。本發明將印制板組件中的元件按照不同外形劃分為矩形封裝元件和圓形封裝元件，并以印制板的一個角點為坐標原點、以印制板的一邊為x軸、以印制板的另一邊為y軸，定義坐標系xoy，分別對印制板組件中的矩形封裝元件和圓形封裝元件進行編號和計數，并且其輪廓信息分別存儲于不同的三維矩陣中，使數據處理工作的效率成倍提高。初步統計數據表明對一個含有20個元件的印制板組件，每小時可以處理超過30階模態分析結果。如果對程序代碼進行充分地優化效率可進一步提升。降低對人工的依賴、提高工作效率。

(2)不易出錯。本發明以印制板的一個最近的角點為坐標原點，以印制板的一邊為x軸、以印制板的另一邊為y軸，定義坐標系xoy；將印制板組件中元件的輪廓扁平化、參數化進行模態分析，分別對印制板組件中的矩形封裝元件和圓形封裝元件進行編號和計數，不易出錯。以坐標系xoy為建模坐標系建立印制板組件的有限元模型，通過模態分析得到印制板組件的模態振型，比較節點的坐標與元件輪廓參數來確定節點是否在元件的輪廓內，通過判斷構成節線的節點是否在元件的輪廓內來確定該元件是否被節點穿過，而不易出錯。

(3)易于程序化。本發明將印制板組件中的元件的位置和輪廓進行了參數化，可以方便地的定義優化的數學模型，可以方便地整合進入計算機輔助優化設計的迭代過程；容易編制計算機程序，大幅減少了人工操作，節約人力資源，除建立參數化模型時需要人工參與外，整個過程均可有計算機程序完成，可以方便地與計算機輔助優化程序進行集成。

附圖說明

圖1為印制板組件中元件的輪廓參數示意圖

圖2為本發明自動確定印制板組件中元件被模態節線穿過的模態數的流程圖。

圖3為圖2是關于提取各個元件輪廓的e步驟流程圖。

圖4為圖2是關于提取各階模態的節線步驟f的流程圖。

圖5為圖4是關于獲取印制板組件厚度方向模態位移uz為零的節點步驟f4的流程圖。

圖6為圖2是關于判斷模態節線是否穿越元件步驟g的流程圖。

具體實施方式

參閱圖1～圖2。矩形封裝元件的輪廓采用分別為矩形封裝元件的角點x坐標rx、y坐標ry以及矩形封裝元件沿x軸的邊長lx、沿y軸的邊長ly4個參數描述。定義rx和ry的矩形封裝元件的角點為距離坐標原點o最近的角點，并定義矩形元件數nr×5矩陣mr、圓形元件數nc×4矩陣mc、矩陣cr、模型節點數na×2矩陣mz和三維矩陣z0。圓形封裝元件的輪廓采用分別為圓形封裝元件的圓心x坐標cx、y坐標cy以及圓形封裝元件的半徑r三個參數描述。模態振型的節線信息由節點編號、節點x坐標和節點y坐標構成，構成模態振型的節線的節點在印制板組件厚度方向的模態位移為零，確定節點在矩形封裝元件輪廓內的判斷式為：rx≤x≤rx+lx與ry≤y≤ry+ly同時成立。各階模態振型的節線信息存儲于一個三維矩陣中。

本發明可以參照以下實施例予以實現。具體是步驟為：a.開始；b.建立印制板組件的幾何模型；c.建立印制板組件的有限元模型；d.模態分析；e.提取各個元件的輪廓；f.提取各階模態的節線；g.判斷模態節線是否穿越元件；h.記錄產月元件的模態數；i.結束。應用分析軟件將印制板組件中的元件按照不同外形劃分為矩形封裝元件和圓形封裝元件，以坐標系xoy為建模坐標系建立印制板組件的幾何模型和印制板組件的有限元模型；并以印制板的一個最近的角點為坐標原點，以印制板的一邊為x軸、以印制板的另一邊為y軸，定義坐標系xoy；將印制板組件中元件的輪廓扁平化、參數化進行模態分析，分別對印制板組件中的矩形封裝元件和圓形封裝元件進行編號和計數，通過模態分析得到印制板組件的模態振型。將輪廓信息分別存儲于不同的三維矩陣中；提取印制板組件各個元件的輪廓和各階模態的節線，判斷模態節線是否穿越元件；并從模態分析結果中逐階提取構成模態節線的節點，判斷構成節線的節點是否位于元件的輪廓內來確定元件是否被節線穿越或穿過，記錄穿越元件的模態數，確定各元件被節線穿過的模態數。

參閱圖3。提取各個元件輪廓步驟中，應用分析軟件建立印制板組件的幾何模型，e1.確定印制板組件中矩形元件數nr和圓形元件數nc，并編號；e2.分別定義nrx5矩陣mr和ncx4矩陣mc；e3.定義代表元件編號的變量i，并令i＝1；e4.判斷元件i是矩形否；若步驟e4.的判斷結果為“y”，則執行e5.將矩形元件相關的rx，ry，lx，ly和變量i存入矩陣mr；若步驟e4.的判斷結果為“n”，則執行e6.將圓形元件相關的cx，cy，r和變量i存入矩陣cr；e7.變量i自增1；e8.判斷i≤nr+nc是否成立；若步驟e8.判斷結果為“y”，則執行步驟e4.判斷元件i是矩形否，若步驟e8.判斷結果為“n”，則執行步驟g判斷模態節線是否穿越元件。

參閱圖4。提取各階模態的節線步驟f中進行模態分析，f1.獲取模態總階數no；f2.定義變量j，并令j＝1；f3.提取第j階模態位移向量；f4.獲取印制板組件厚度方向模態位移uz為零的節點，并且在有限元模型中查詢模態位移uz為零的節點的x和y坐標，并存入三維矩陣z0的第j頁；f5.變量j自增1；f6.判斷j≤no是否成立？若步驟f6.的判斷結果為“y”，則執行步驟f3.提取第j階模態位移向量；若步驟f6.的判斷結果為“n”，則執行步驟g.判斷模態節線是否穿越元件。

參閱圖5。步驟f4.的具體實施步驟為：根據提取第j階模態位移向量，f4a.獲取模型的節點數na；f4b.定義大小nax2矩陣nax2矩陣mz；f4c.利用分析軟件提供的命令，提取各個節點的編號及模態位移uz；f4d.節點編號存入nax2矩陣mz的第1列，模態位移uz存入nax2矩陣mz的第2列；f4e.定義變量iz，并令iz＝1；f4f.判斷nax2矩陣mz(iz,2)＝0是否成立；若步驟f4f.的判斷結果為“y”，則執行f4g.提取編號為nax2矩陣mz(iz,1)節點的x和y坐標，存入三維矩陣z0的第j頁中；若步驟f4f.的判斷結果為“y”，則執行f4h.判斷iz≤na是否成立；若步驟f4h.的判斷結果為“y”，則執行f4i.變量iz自增1；步驟f4h.的判斷結果為“n”，則執行f5.變量j自增1。

參閱圖6。在判斷模態節線是否穿越元件步驟g.中：g1.定義變量k，并k＝1；g2.判斷編號為k的元件的信息是否在矩陣mr中；若步驟g2.的判斷結果為“y”，則執行g3.從矩陣mr中提取元件k的rx，ry，lx，ly數據；g4.定義變量ik，并令變量ik＝1；g5.從三維矩陣z0中提取第變量ik階模態的節線的節點x和y坐標；g6.是否存在節點使rx≤x≤rx+lx與ry≤y≤ry+ly同時成立；若步驟g6.的判斷結果為“y”，則執行步驟g7.生成記錄：矩形元件k被第變量ik階模態的節線穿過；若步驟g6.的判斷結果為“n”，則執行步驟g8.變量ik自增1；g9.判斷變量ik≤no是否成立；若步驟g9.的判斷結果為“y”，則執行步驟g5.從三維矩陣z0中提取第變量ik階模態的節線的節點x和y坐標；若步驟g9.的判斷結果為“n”，則執行步驟g10.變量k自增1；若步驟g2.的判斷結果為“n”，則執行步驟g12.從矩陣cr中提取元件k的cx，cy，r數據；g13.定義變量jk，并令變量jk＝1；g14.從三維矩陣z0中提取第變量jk階模態的節線的節點x和y坐標；g15.是否存在節點使(x-cx)2+(y-cy)2≤r2成立；若步驟g15.的判斷結果為“y”，則執行步驟g16.生成記錄：圓形元件k被第變量jk階模態的節線穿過；若步驟g15.的判斷結果為“n”，則執行步驟g17.變量jk自增1；g18.判斷變量jk≤no是否成立；若步驟g18.的判斷結果為“y”，則執行步驟g14從三維矩陣z0中提取第變量jk階模態的節線的節點x和y坐標；若步驟g18.的判斷結果為“n”，則執行步驟g10.變量k自增1；g11.判斷k≤nr+nc是否成立；若步驟g11.的判斷結果為“y”，則執行步驟g9.判斷變量jk≤no是否成立；若步驟g11.的判斷結果為“n”，則執行步驟h.記錄穿越元件的模態數。

本發明特別參照優選的實施例來說明和展示，本領域的技術人員應理解，可以在形式上和內容上作出改型而不偏離本發明精神和范圍。