Представьте ситуацию: вы только что купили новый смартфон, игровую консоль или планшет. В предвкушении знакомства с устройством вы изучаете инструкцию, и в этот момент ребенок хватает гаджет и начинает активно им трясти. Скорее всего, беспокоиться не о чем, ведь электронная "начинка" современных устройств проходит строгие испытания на ударную нагрузку, гарантирующие ее работоспособность после определенных механических воздействий. Для анализа того, как электронный компонент (например, печатная плата) реагирует на удар, инженеры используют различные численные методы моделирования.
Важность механических ударных испытаний
Современные гаджеты становятся все сложнее, легче и компактнее. При этом вероятность их падений, ударов и других механических нагрузок только возрастает. Это означает, что перед выходом на рынок наиболее уязвимые компоненты устройств обязательно проходят тестирование на прочность.
На изображении показан ноутбук, подвергаемый ударным испытаниям для проверки надежности материнской платы. Автор изображения — Ravenperch, собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.
Цель таких испытаний — выявить потенциально слабые места, где из-за деформаций, напряжений и вибраций может произойти повреждение. Это помогает инженерам понять, как лучше расположить хрупкие элементы (например, ту же материнскую плату) внутри корпуса для максимальной защиты. Обычно испытания проводятся на специальном оборудовании, генерирующем ударные импульсы полусинусоидальной, пилообразной или трапециевидной формы.
Чтобы сэкономить время и ресурсы, инженеры могут заранее смоделировать ударный отклик компонентов на компьютере. Для такого анализа отлично подходят инструменты модуля "Механика конструкций" в составе программного пакета COMSOL Multiphysics®. Давайте детально рассмотрим два основных подхода к моделированию удара в этой среде.
Два подхода к моделированию ударного воздействия
Известна ли точная форма удара?
В реальных условиях точная динамика ударной нагрузки часто неизвестна заранее. Например, при проектировании сейсмоустойчивого здания инженеры анализируют его отклик на усредненный модельный спектр воздействий, а не на конкретное землетрясение.
Однако при сертификации электроники стандарты часто предписывают вполне конкретные параметры испытаний: например, ускорение в виде полусинусоидального импульса заданной амплитуды и длительности. В этом случае наиболее логичным кажется явный анализ во временной области.
Пошаговый анализ во временной области (Time-Stepping Analysis)
Самый прямой подход — смоделировать удар шаг за шагом во времени. Это единственный вариант, если нужно учесть нелинейное поведение материалов. Однако для целей сертификации часто важно просто узнать, выдержит ли компонент нагрузку, а не детали его разрушения, поэтому линейного расчета может быть достаточно. Вычислительно эффективным для линейных задач является метод суперпозиции мод.
Главный недостаток этого метода — большой объем выходных данных. Необходимо сохранять результаты для множества временных шагов, а затем дополнительно их обрабатывать, чтобы найти наихудшие сценарии по напряжениям и деформациям.
Анализ спектра отклика (Response Spectrum Analysis)
Анализ спектра отклика требует меньше вычислительных ресурсов. Основная нагрузка приходится на расчет собственных частот конструкции. Итоговый результат (пиковые напряжения или смещения) вычисляется приближенно, но часто этой точности достаточно. Если временная история удара известна (как в нашем случае), можно вычислить соответствующий спектр и использовать его как входные данные.
Этот метод предполагает, что все точки крепления испытывают одинаковое ускорение, что обычно справедливо для платы, закрепленной внутри корпуса устройства.
Подобные задачи актуальны не только для потребительской электроники, но и для аэрокосмической отрасли. Например, при наземной транспортировке компонент может получить удар, если грузовик резко переедет лежачего полицейского.
Обратите внимание: Краткое сравнение фитнес-браслетов Honor band 4 и Mi Band 4 NFC.
Такие импульсы легко воспроизвести в лаборатории, и для их анализа подходит пошаговое моделирование. Однако в более сложных условиях, например, при пироударах во время отделения ступеней ракеты, точная временная форма воздействия неизвестна. В таких случаях используют модельный спектр отклика, обобщающий серию возможных импульсов.В нашем примере мы исследуем влияние полусинусоидального удара на компьютерную плату. Хотя для этой задачи больше подходит расчет во временной области, мы проведем и анализ спектра отклика, чтобы наглядно сравнить оба подхода.
Моделирование реакции материнской платы на удар
Рассмотрим типичную материнскую плату для компактных устройств, например, игровых приставок. Основа платы выполнена из распространенного материала FR-4. Для охлаждения центрального (CPU) и графического (GPU) процессоров используются алюминиевые радиаторы. Рядом с процессором расположены кремниевые микросхемы памяти, а по всей площади платы размещены цилиндрические конденсаторы. По краям смоделированы пластиковые разъемы для периферийных устройств.
Геометрия модели материнской платы: печатная плата-подложка (зеленый), радиаторы (красный), микросхемы памяти (синий), конденсаторы (пурпурный и голубой) и пластиковые разъемы (желтый).
Для анализа спектра отклика нагрузка задается в виде спектра псевдоускорения, соответствующего импульсу с пиковым ускорением 50 g и длительностью 11 миллисекунд.
Слева: спектр псевдоускорения. Справа: полусинусоидальный импульс с пиковой нагрузкой 50 g и длительностью 11 мс, которому этот спектр соответствует.
Расчет и сравнение результатов
Результаты анализа спектра отклика
Анализ спектра отклика позволяет оценить пиковый отклик конструкции на основе данных о ее собственных модах (формах колебаний). Сначала выполняется расчет собственных частот (в данном случае первых 15). Анализ коэффициентов участия этих мод показывает, что они вносят 94% вклада в вертикальную динамическую нагрузку. На графике видно, что первая и третья моды имеют наибольший коэффициент участия для вертикальных смещений.
Коэффициенты участия для первых 15 собственных мод конструкции.
На следующем графике спектр ударной нагрузки отмечен первыми 15 собственными частотами. Собственная частота третьей моды находится близко к максимуму входного спектра. Учитывая ее высокий коэффициент участия, можно сделать вывод, что именно первая и третья моды будут вносить основной вклад в динамический отклик системы.
Слева: спектр вертикального удара с отметками первых 15 собственных частот. Справа: визуализация третьей собственной моды колебаний.
После расчета собственных значений и мод выполняется оценка спектра отклика. Результат показывает распределение напряжений в конструкции. Анализ указывает на высокий уровень механических напряжений в области микросхем памяти.
Распределение механических напряжений в материнской плате по результатам анализа спектра отклика.
Результаты пошагового анализа во временной области
Пошаговый анализ выполняется с помощью модального решателя для нестационарных задач. На графике ниже показано распределение вертикального смещения в системе в момент окончания ударного импульса (11 мс).
Динамический отклик системы (вертикальное смещение) в конце ударного импульса.
Также был рассчитан график максимального вертикального смещения за весь период моделирования (50 мс). На итоговой карте для каждой точки отображается максимальное достигнутое значение смещения, независимо от момента времени. В таком представлении результат очень похож на распределение, полученное методом спектра отклика.
Слева: максимальное вертикальное смещение по результатам пошагового анализа во времени. Справа: вертикальное смещение по результатам анализа спектра отклика.
Оба подхода имеют свои сильные стороны. Анализ спектра отклика дает приближенное, но быстрое решение и полезен для исследования сложных систем. Пошаговый анализ во временной области более точен, но требует обработки большого массива данных и значительных вычислительных ресурсов для поиска пиковых значений.
Дополнительные материалы
Узнайте больше о моделировании электронных компонентов:
- Сравнение двух подходов к моделированию электронного охлаждения микросхем
- Разработка более эффективного дискового радиатора с помощью моделирования
- Моделирование процесса электроосаждения меди на печатной плате
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Сравнение двух подходов к определению отклика компьютерной платы на ударное воздействие.