[发明专利]基于电路板传递特性的器件疲劳程度的计算方法

说明书

本发明涉及基于电路板传递特性的器件疲劳程度的计算方法，根据电路板所处的振动环境确定输入功率谱密度(PSD)谱线，并对谱线进行插值处理，根据电路板的几何参数与物理参数确定其传递函数，进而利用传递计算公式得到电路板相关位置点的响应PSD和3σ相对位移；利用Steinberg疲劳公式计算得到20×10⁶循环次数下的容许3σ相对位移，并利用相对位移‑循环次数(Z‑N)公式确定该随机振动条件下最大容许循环次数；最后，估算实际循环次数，将估算的实际循环次数和最大容许循环次数代入Miner线性累积计算公式，得到其疲劳损伤率判别系数，对元器件的疲劳损伤情况进行预判。本发明基于矩形板振动特性，结合Steinberg疲劳公式，无需利用仿真软件及实验手段，计算过程简洁，便于电路板设计人员在方案设计阶段快速估计电路板上元件的疲劳损伤情况，提高设计开发效率及产品可靠性。

技术领域

本发明涉及电子元器件疲劳及可靠性分析技术领域，具体为基于电路板传递特性的器件疲劳程度的计算方法。

背景技术

航空电子设备在工作过程中由于飞行器发动机工作、旋翼转动以及外界气流扰动等因素，导致其所处的力学环境较为恶劣，航空器动力部件及外扰动引起的振动是造成电子设备元器件失效的重要原因。电路板作为机载电子设备的基本组成部分，环境中的振动通过电路板传递至元器件上，电路板自身的力学特性会对振动的传递起到调质作用，因此，对电路板设计开发人员而言，如过能够在设计初始阶段准确、快速预估电路板的传递特性及板上元器件的疲劳寿命，对提升设计开发效率、提升设备可靠性具有重要促进作用。

在获取电路板振动传递及元器件疲劳分析方面，目前，工程上主要通过DaveS.Steinberg在专著《Vibration Analysis for Electronic Equipment》中给出的经验公式进行计算，在振动传递方面其实现方法是首先得到电路板的基频，然后将基频开方，所得数值即为传递率；在元件疲劳寿命分析方面，Steinberg利用经验公式计算循环次数下的容许相对位移。

Steinberg的传递估算方法适合设计初始阶段快速评估评估电路板传递特性时使用，该方法的不足在于未充分考虑电路板面板上不同位置点处传递率的差异，统一用一个传递率数值进行估计，虽然在疲劳计算公式中引入位置影响系数，但只是对电路板进行粗略划分，误差较大；要获得较为精确的传递率数值，一般通过有限元方法得到，有限元法能够得到电路板上不同位置、在不同频率下的传递特性，计算结果精度较高，但是实现起来较为复杂，一般需要通过ANSYS、ABAQUS等有限元软件来实现，通常用于产品初步定型后的验证和改进，不利于设计初始阶段设计人员的快速评估使用。

Steinberg的元件疲劳寿命计算公式仅给出了循环次数下的容许相对位移，应用场景受限较大，Tom Irvine在文献《Extending Steinberg’s Fatigue Analysis ofElectronics Equipment Methodology to a Full Relative Displacement vs.CyclesCurve》对该经验公式进行了扩展，得到类似疲劳分析中S-N曲线的相对位移-循环次数关系，拓展了该公式的应用范围。

发明内容

发明目的：在于简化电路板疲劳寿命计算流程，适应工程需要，为电路板结构设计人员提供快速计算电路板振动传递率的方法，便于在设计初始阶段对元件的疲劳寿命进行预测，从而指导提升电子设备的可靠性。本发明给出基于电路板传递特性的器件疲劳程度的计算方法，结合电路板结构的动力学模型和振型特点，得到其传递率的计算公式，可用于评估任意位置、任意频率下的电路板传递特性，同时，结合Tom Irvine发展的Steinberg疲劳计算公式，给出一种基于电路板传递特性的元件疲劳寿命预估方法，便于设计开发人员在设计初始阶段掌握并分析电路板的力学特征并对元件的疲劳寿命情况进行预估。

技术方案：

本发明采用如下技术方案：基于电路板传递特性的器件疲劳程度的计算方法，包括如下步骤：