電子設備動態(tài)性能有限元建模與優(yōu)化方法研究.pdf

1、電子設備是現(xiàn)代工農業(yè)生產和人們日常生活中不可或缺的工具設備。隨著電子設備向集成化、專業(yè)化和精密化方向發(fā)展，對結構動態(tài)性能的要求也越來越高。而電子設備結構動態(tài)性能分析與優(yōu)化是現(xiàn)代電子設備結構性能評估和性能改進的重要方式。本論文針對電子設備結構動態(tài)性能有限元建模與優(yōu)化中所面臨的問題，進行了如下研究。
　　1）電子設備子結構建模方法研究
　　首先，提出了參數化子結構建模方法。該方法在實現(xiàn)對同類結構分析建模的同時，可大大減少建模工作

2、量。其次，利用Numman級數和攝動理論分析了靜力凝聚動態(tài)子結構方法中因自由度凝聚而產生的誤差，并利用板狀結構實例對主自由度的選擇策略進行了對比分析研究，分析結論和理論分析吻合。
　　2）PCB板動態(tài)性能等效建模方法研究
　　首先，提出了基于有限元模型的PCB板動態(tài)性能等效建模方法。該方法利用原PCB板的幾何主尺寸作為等效板的幾何尺寸，采用單一均勻材料替代原材料，利用質量相等原則獲得等效板的等效密度，并利用有限元理論和振動理

3、論推導了基于有限元模型的等效剛度計算方法。同時分析了元器件質量和剛度對等效剛度的影響。其次，針對有限元建模困難或無法進行建模的復雜PCB板，提出了基于實驗數據的PCB動態(tài)性能等效建模方法，并利用有限元理論和振動理論推導了等效剛度計算方法，同時分析了電子器件的支撐方式對等效剛度的影響。
　　3）PCB板最大頻率支撐布局拓撲優(yōu)化方法研究
　　基于PCB板支撐結構的特點，建立了最大頻率支撐布局拓撲優(yōu)化方法：利用無質量實體單元模擬支

4、撐部分；利用自由度凝聚技術建立PCB板及其元器件的子結構模型，從而大大縮減了優(yōu)化的計算量；利用漸進優(yōu)化方法推導出結構支撐單元的刪除敏度并建立了基于ANSYS的計算方法，并分析了支撐剛度對支撐布局優(yōu)化的影響。最后通過實例驗證了優(yōu)化方法的正確性。
　　4）PCB板動態(tài)性能優(yōu)化方法研究
　　首先，利用自由度凝聚技術和模態(tài)綜合方法，建立面向元器件的PCB動態(tài)性能布局優(yōu)化方法。在優(yōu)化模型的求解上，考慮元器件之間的幾何干涉問題，提出改進

5、的遺傳算法。其次，結合動態(tài)子結構建模分析方法和遺傳算法，建立了 PCB板支撐布局的優(yōu)化方法，對支撐位置與PCB板節(jié)點不重合問題進行了研究，并結合ANSYS二次開發(fā)技術和遺傳算法開發(fā)了求解程序。
　　5）電子設備結構有限元分析優(yōu)化軟件實現(xiàn)方法研究
　　針對電子設備結構分析優(yōu)化軟件實現(xiàn)中所面臨的問題，建立了面向對象的二次開發(fā)軟件實現(xiàn)方法。該方法可充分利用有限元分析軟件資源，不需要進行有限元底層算法程序開發(fā)，開發(fā)效率高，且計算結果

6、可得到保證。同時該方法采用了面向對象的思想，因而程序設計思路清晰，調試容易。
　　論文取得的主要的創(chuàng)新成果如下。
　　1）提出了一種基于有限元模型的PCB板等效建模方法
　　針對含有復雜PCB板的電子設備結構動態(tài)性能分析，提出了一種基于有限元模型的PCB板等效建模方法。該方法利用原PCB板的幾何主尺寸作為等效板的幾何尺寸，采用單一均勻材料替代原材料，利用質量相等原則獲得等效板的等效密度，并利用有限元理論和振動理論推導了

7、等效剛度計算方法。最后分析了元器件質量和剛度對等效剛度的影響。
　　2）提出了一種基于實驗數據的PCB板動態(tài)性能等效方法
　　復雜PCB板，由于很難獲得板上電子元器件的結構材料參數和結構形式，導致有限元建模比較困難或無法進行有限元建模。為此，提出了一種基于實驗數據的PCB板動態(tài)性能等效建模方法。該方法利用原PCB板的幾何主尺寸作為等效模型的幾何尺寸，采用單一均勻材料替代原材料，利用質量相等原則獲得等效模型的等效密度，在并利用

8、有限元理論和振動理論對推導了等效剛度計算方法。最后分析了PCB板的支撐方式對等效剛度的影響，并利用實例計算驗證了該方法的可行性能和正確性。
　　3）建立了PCB板最大頻率支撐布局拓撲優(yōu)化方法
　　PCB板的支持布局會影響其剛度分布，進而影響結構的模態(tài)頻率。為此，建立了PCB板最大頻率支撐拓撲優(yōu)化方法。該方法利用自由度凝聚方法縮減優(yōu)化模型計算量，利用漸進優(yōu)化方法推導了單元刪除敏度，并研究建立了基于ANSYS的計算實現(xiàn)方法。最后