陳汐，馮志華，陶斐，肖琛

（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215000）

酚醛覆銅板模態(tài)分析

陳汐，馮志華，陶斐，肖琛

（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215000）

針對PCB電路板中廣泛應用的酚醛覆銅板進行振動模態(tài)分析，首先對酚醛電木梁進行振動實驗，再計算得到了酚醛材料的彈性模量，然后利用Ansys軟件分析了單面酚醛覆銅板在一端固支一端自由邊界條件下的模態(tài)特性。通過振動實驗與錘擊實驗得到復合板的固有頻率，理論與實驗結(jié)果基本一致，證實了酚醛電木板的彈性模量試驗計算值是正確的。本方法可以為相同材料的復雜結(jié)構的分析提供參數(shù)依據(jù)。

振動與波；復合層合板；振動實驗；模態(tài)分析

酚醛覆銅板廣泛應用于機械性能要求較高的電機、電器設備中的PCB電路板中和絕緣結(jié)構零部件中。由于其層間性能較差，受到?jīng)_擊后易發(fā)生分層和裂紋等損傷。這些損傷不僅會導致該復合材料結(jié)構靜強度顯著降低，而且也將影響整個電機、電器設備的工作運轉(zhuǎn)和可靠性。因此，酚醛覆銅板通常需要進行模態(tài)分析，以避開它的固有頻率，保證它的強度。

酚醛覆銅板是在酚醛底板上熱壓一層銅箔制成[1]。酚醛底板是由漂白木槳紙浸以酚醛樹脂經(jīng)熱壓而成的酚醛層壓紙板，又稱XPC FR-2酚醛板或電木板。電木板因具有絕緣、不產(chǎn)生靜電、耐磨及耐高溫等特性，成為電子產(chǎn)品之絕緣開關和可變電阻、機械用之模具及生產(chǎn)線上之夾具，同時用于紡織業(yè)及電器加工中作絕緣零部件，它的制品可在變壓器油中使用，也可以加工成梳子，用途非常廣泛。

銅箔的機械性能參數(shù)可以通過文[2]查得，但是對酚醛底板的機械性能尚不清楚。因此，做模態(tài)分析之前，需要通過振動實驗得出基材的彈性模量，并經(jīng)過理論分析與實驗驗證得出酚醛覆銅板的振動模態(tài)特性，為以后的工作做準備。

1 彈性模量的實驗測定

將一寬30 mm、長255 mm、厚1.5 mm的電木酚醛條，置于兩根工字鋼之間，形成固支來模擬懸臂梁模型，如圖1所示。

應變片貼于靠近工字鋼一端，使梁作自由振動，動態(tài)應變量通過應變片輸入BZ 2668動態(tài)應變儀，最后轉(zhuǎn)換成的電壓信號由INV采集儀輸出，整個實驗流程如圖2所示。由采集儀傳輸給計算機得到的電壓波形如圖3所示。

圖1 懸臂酚醛電木梁振動實驗裝置細節(jié)圖

圖2 懸臂酚醛電木梁振動實驗流程圖

圖3 懸臂電木梁的振動波形

根據(jù)波形的包絡線，計算得到

根據(jù)文[3]中公式，梁處于左端(x=0)固支，右端(x=l)自由邊界條件下的固有頻率方程為

其中

將上面參數(shù)代入得到

解得E=10.072 GPa

2 理論模態(tài)分析

在軟件Ansys Workbench 12.0里導入先前建好的長a為248 mm、寬b為239 mm、厚h為1.6 mm的單面酚醛覆銅板的Pro/E模型，因為酚醛層與銅層通過熱壓粘合在一起，因此在有限元分析中通過“bond”命令將二者聯(lián)系在一起,從而保證兩層間力和位移的傳遞關系[4,5]。定義材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

將板固支一側(cè)的六個自由度限定為“fixed”，進行前4階的模態(tài)分析，得到固有頻率如表2，固有振形如圖4所示。

表2 酚醛覆銅板的各階固有頻率

由圖4可看出，1階振動為揮舞彎曲振動，2階振動為擺振彎曲振動，3階振動為揮舞平面內(nèi)的第2階彎曲振動，4階振動為扭轉(zhuǎn)振動[6]。

3 實驗驗證

將螺栓擰在工字鋼上距離較大的兩孔上，如圖5所示，加緊一端，并讓另一端懸臂，應變片貼于靠近工字鋼加緊處，利用動態(tài)應變儀得到該條件下覆銅板的1階固有頻率。另外，搭建錘擊試驗平臺如圖7所示[7，8]，得到加速度波形，進行傅里葉變換后得到的頻譜圖如圖8所示。

根據(jù)振動波形的結(jié)果，如圖6所示，可以求得：f=15.528 Hz，ζ=0.047 1

圖5 酚醛覆銅板振動實驗細節(jié)圖

圖6 單面酚醛覆銅板一端固支一端自由振動波形

圖7 單面酚醛覆銅板一端固支一端自由錘擊實驗圖

將一端固支一端自由下的酚醛覆銅板前4階固有頻率的實驗結(jié)果與Ansys理論分析結(jié)果作對比，果如表3所示。

4 結(jié)語

（1）酚醛覆銅板前4階固有頻率的實驗值與Ansys理論分析值接近，說明本文建立的復合層合板的有限元模型合理，分析結(jié)果符合工程實際要求；

表3 單面酚醛覆銅板模態(tài)振動實驗與理論結(jié)果誤差分析

圖8 單面酚醛覆銅板一端固支一端自由頻譜圖

（2）得到的彈性模量可以為以后同種材料復雜結(jié)構模型分析作參數(shù)，而Ansys模態(tài)分析結(jié)果可以作為以酚醛覆銅板為基底的PCB電路板的可靠性分析的理論與實驗依據(jù)。

[1]辜信實.覆銅板技術[J].銅箔與基材，2003，（6）：15-17.

[2]單輝祖.材料力學，第2版[M].北京：高等教育出版社，2006.55-57.

[3]胡海巖，孫久厚，陳懷海.機械振動與沖擊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1998.154-160.

[4]王開松，劉素梅.基于不同建模方法的ANSYS模態(tài)分析研究[J].煤炭技術，2009，28（12）：12-14.

[5]許明財.ANSYS模態(tài)綜合法技術[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2005，（2）：90-92.

[6]程小全，王飛，胡仁偉.含穿孔損傷復合材料槳葉結(jié)構的振動特性[J].復合材料學報，2010，27（2）：117-122.

[7]金勇，田宇忠，劉正林.橡膠艉軸承的試驗模態(tài)分析[J].噪聲與振動控制，2012，2（1）：34-38.

ModalAnalysis of Phenolic CCL

CHENXi，F(xiàn)ENG Zhi-hua，TAOFei，XIAOChen

(School of Electromechanical Engineering,Soochow University,Suzhou 215000,Jiansu China)

The vibration modals of phenolic CCL panel,which is widely used in PCB circuit,are analyzed.First of all, the vibration of a beam composed by the phenol and wood is experimented so that the Young’s modulus of the phenolic material is calculated.Then,the modal characteristics of the phenolic CCL panel with the boundary condition of one end clamped and the other end free are analyzed with ANSYS software.Through the vibration experiment and hammering test, the natural frequencies of the composited phenolic CCL panel are obtained.The consistency of the theoretical results and experiment results proves the correctness of the Young’s modulus of the phenolic material.The results given in this paper have provided some parameters for analysis of the complex structures with the same materials.

vibration and wave;composited plate;vibration experiment;modal analysis

TH113.1；O32

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.012

1006-1355(2014)02-0056-03

2013-05-06

國家自然科學基金資助：（基金編號：11072164）

陳汐（1989-），女，江蘇南通人，碩士，目前從事復合材料非線性動力學研究。

E-mail:624635565@qq.com

馮志華，男，博士生導師。

E-mail:zhfeng@suda.edu.cn