許富景， 王鈺婷， 荊蕊蕊

(山西大學(xué) 自動化與軟件學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

復(fù)雜儲運(yùn)環(huán)境下，儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)有效保證了儲運(yùn)對象的安全運(yùn)輸[1～4]，然而,監(jiān)測系統(tǒng)自身在復(fù)雜環(huán)境下的損壞問題日益嚴(yán)重。因此，開展復(fù)雜儲運(yùn)環(huán)境下監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性建模研究已迫在眉睫。近年來，不少學(xué)者通過數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了不同載荷作用下電子器件的優(yōu)化及可靠性研究，取得了一定的研究成果[5～10]，但主要以溫度或振動單一載荷為前提進(jìn)行數(shù)值模擬分析，不能全面反映復(fù)雜儲運(yùn)環(huán)境下系統(tǒng)的可靠性。

針對上述問題，本文以設(shè)計的儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，提出了多物理場作用下監(jiān)測系統(tǒng)瞬態(tài)分析方法。該方法不僅分析了溫度沖擊瞬態(tài)載荷單獨作用下的系統(tǒng)響應(yīng)，還對多物理場耦合作用下的系統(tǒng)可靠性惡化問題進(jìn)行詳細(xì)分析，并對其中的非線性“機(jī)械效應(yīng)”進(jìn)行理論擬合分析。

1 儲運(yùn)過程建模與分析

根據(jù)儲運(yùn)監(jiān)測要求，本文設(shè)計的儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)主要由中央控制模塊、電源模塊、信號采集模塊、警報模塊、存儲模塊、定位模塊和通信模塊組成，以多模塊互聯(lián)的方式動態(tài)獲取儲運(yùn)對象的物理參數(shù)及物流信息。

據(jù)統(tǒng)計，造成電子設(shè)備失效的因素主要有溫度、振動、濕度、沖擊、氣壓等，其中,僅溫度和振動的影響率便高達(dá)75 %[11,12]。因此,本文重點研究溫度、振動等多物理場耦合作用對儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性影響，并對溫度和振動之間的耦合作用進(jìn)行定性分析，研究其非線性效應(yīng)帶來的可靠性影響，復(fù)雜環(huán)境下典型儲運(yùn)過程建模結(jié)果如圖1所示。

圖1 復(fù)雜儲運(yùn)過程模型

首先建立系統(tǒng)等效模型,模型主要由外層保護(hù)殼體、印制電路板(printed circuit board,PCB) 和芯片3部分組成。由于本文研究重點在于各物理場作用下系統(tǒng)的工作狀態(tài)，因此,建模過程中簡化了芯片結(jié)構(gòu)以及焊接點，用不同體積,相同材質(zhì)的模塊代表芯片，并選擇了PCB的5個典型位置建立芯片模型,以直觀地觀察各載荷對系統(tǒng)影響的分布情況，儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)的簡化模型如圖2所示。外殼尺寸為100 mm×80 mm×8 mm，采用剛度、電磁兼容性能、導(dǎo)熱性和耐蝕性都較高的鋁合金材質(zhì)，能防止關(guān)鍵電子部件遭受外部機(jī)械的損害，方便剛性固定于運(yùn)輸車內(nèi)[13]；PCB通過螺絲固定于殼體內(nèi)部，采用環(huán)氧樹脂材質(zhì)；芯片剛性焊接于PCB，采用硅材質(zhì)。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)模型

2 瞬態(tài)熱模擬與分析

溫度沖擊是熱學(xué)理論中的典型瞬態(tài)載荷，相較于穩(wěn)態(tài)溫度載荷，瞬態(tài)溫度載荷會使儲運(yùn)工況更為復(fù)雜。由于系統(tǒng)在長時間儲運(yùn)過程中需要持續(xù)工作，系統(tǒng)產(chǎn)生大量熱能導(dǎo)致自身溫度升高，若此時瞬態(tài)溫度載荷疊加作用于系統(tǒng)，則會使系統(tǒng)溫度急劇上升，對系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷。因此,首先對不同體積芯片施加相對應(yīng)的最大內(nèi)熱，求解系統(tǒng)最大功耗時的溫度分布，求解結(jié)果如圖3(a)所示，再基于圖3(a)的溫度分布對系統(tǒng)施加不同脈寬(3,6 s)和不同幅值(300,500,600 ℃)的半正弦動態(tài)沖擊載荷，并引入噪聲系數(shù)為30的隨機(jī)噪聲信號以貼合實際復(fù)雜運(yùn)輸環(huán)境，求解不同脈寬、幅值瞬態(tài)溫度激勵下系統(tǒng)的溫度變化曲線如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，系統(tǒng)在第2 s受到?jīng)_擊熱流開始，溫度逐步上升并在各自激勵最強(qiáng)時自身溫度達(dá)到峰值。其中，脈寬為6 s,幅值為600 ℃沖擊熱流下系統(tǒng)溫度最高，最高溫度69.256 ℃,與各芯片極限工作溫度70 ℃十分接近，可見，相較于穩(wěn)態(tài)熱載荷，系統(tǒng)在瞬態(tài)熱載荷下更容易發(fā)生失效現(xiàn)象。因此，在儲運(yùn)過程中不能忽略瞬態(tài)熱激勵對系統(tǒng)的影響，應(yīng)避免600 ℃以上的運(yùn)輸環(huán)境，且載荷持續(xù)時間不能超過6 s。

圖3 瞬態(tài)熱載荷下的系統(tǒng)溫度

3 多物理場耦合作用模擬與分析

3.1 多物理場耦合作用模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，可以獲得監(jiān)測系統(tǒng)的固有振動特性，從而判斷系統(tǒng)的設(shè)計是否避開了儲運(yùn)道路以及外界激勵的共振區(qū)，并且模態(tài)分析是進(jìn)行隨機(jī)振動特性分析的基礎(chǔ)，因此，首先對儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，并通過施加瞬態(tài)溫度場研究溫度場耦合效應(yīng)對系統(tǒng)模態(tài)的影響。

在Ansys模態(tài)分析中，分別求解常溫(25 ℃)以及受熱條件下系統(tǒng)的前6階模態(tài)，選擇瞬態(tài)熱分析中溫度最高的脈寬6 s,幅值600 ℃的溫度沖擊作為預(yù)熱應(yīng)力，可以有效分析溫度效應(yīng)對系統(tǒng)模態(tài)的影響。施加預(yù)熱應(yīng)力前后監(jiān)測系統(tǒng)的固有頻率變化情況如表1所示。

表1 施加6 s,600 ℃預(yù)熱應(yīng)力前后系統(tǒng)的固有頻率

由表1可知，系統(tǒng)固有頻率與溫度呈負(fù)相關(guān)特性。前6階模態(tài)結(jié)構(gòu)中瞬態(tài)溫度效應(yīng)的作用十分明顯，其中,前3階模態(tài)中，隨著階數(shù)的增大，系統(tǒng)固有頻率下降越快，如果下降至儲運(yùn)道路或者外界激勵的共振頻率，則系統(tǒng)會發(fā)生共振，從而造成嚴(yán)重?fù)p傷。

3.2 多物理場耦合作用隨機(jī)振動分析

基于3.1節(jié)中常溫及受熱條件下的模態(tài)環(huán)境，分別對系統(tǒng)施加相同的惡劣路面加速度功率譜密度激勵，激勵方向垂直于系統(tǒng)，求解圖2的2個典型單元在隨機(jī)振動單載荷作用與多物理場耦合作用時的應(yīng)力PSD響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 2個典型單元的應(yīng)力PSD響應(yīng)曲線

由圖4可知，隨機(jī)振動單載荷作用下2個典型單元的波峰頻率均為1 379.5 Hz，主要激起一階模態(tài)；隨機(jī)振動與瞬態(tài)溫度場耦合作用后2個典型單元波峰頻率分別為573.34,628.25 Hz，且單元1在629.3 Hz處還出現(xiàn)了二次波峰，可以激起前2階模態(tài)，這種耦合效應(yīng)增加了系統(tǒng)發(fā)生共振的幾率，會顯著降低監(jiān)測系統(tǒng)振動環(huán)境下的可靠性。

3.3 溫度沖擊的“機(jī)械效應(yīng)”分析

根據(jù)“熱—變形力學(xué)”理論可知，溫度場的分布會使系統(tǒng)自身發(fā)生機(jī)械形變。為了研究溫度沖擊產(chǎn)生的“機(jī)械效應(yīng)”，對不同脈寬、不同幅值的溫度沖擊載荷進(jìn)行熱—力耦合分析，溫度沖擊引發(fā)的機(jī)械形變?nèi)鐖D5所示。

圖5 瞬態(tài)溫度沖擊載荷下系統(tǒng)的機(jī)械形變

由圖5可知，形變主要集中在殼體未施加固定約束的一面，由于材料熱脹冷縮使得此面殼體輕微凸起，最大形變量為0.060 108 mm，并且系統(tǒng)的形變量隨著瞬態(tài)溫度載荷的不同呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。為了研究這種變化規(guī)律，選取溫度沖擊載荷作用下系統(tǒng)溫度上升階段的溫度分布進(jìn)行分析，即圖3(b)中曲線上升階段，得到不同溫度下的“機(jī)械效應(yīng)”擬合曲線如圖6所示，其數(shù)學(xué)規(guī)律遵循多項式(1)的函數(shù)分布。

圖6 不同溫度下的“機(jī)械效應(yīng)”擬合曲線

由圖6可知，脈寬或幅值任意因素的增大，都會使得系統(tǒng)的溫度升高，機(jī)械形變的最大值明顯增大，非線性“機(jī)械效應(yīng)”顯著增強(qiáng)，可見半正弦動態(tài)瞬態(tài)激勵所產(chǎn)生的“機(jī)械效應(yīng)”與系統(tǒng)的溫度一直呈現(xiàn)正相關(guān)多項式特性，溫度沖擊引發(fā)的非線性“機(jī)械效應(yīng)”會導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性嚴(yán)重降低。

(1)

式中x為不同瞬態(tài)溫度激勵下系統(tǒng)的溫度，y1～y6為不同脈寬、幅值下系統(tǒng)的機(jī)械形變。

為了進(jìn)一步研究溫度沖擊對隨機(jī)振動“機(jī)械效應(yīng)”的影響，選取瞬態(tài)熱分析中沖擊最劇烈的脈寬6 s,幅值600 ℃瞬態(tài)熱載荷進(jìn)行分析，分別求解瞬態(tài)熱載荷作用、隨機(jī)振動載荷作用、熱和隨機(jī)振動耦合作用下響應(yīng)最為劇烈的Z向3σ最大機(jī)械形變，如圖7所示。

圖7 不同激勵作用下系統(tǒng)的機(jī)械形變

由圖7可知，多物理場耦合作用下系統(tǒng)最大形變提高至瞬態(tài)熱單載荷作用的706 %左右，隨機(jī)振動單載荷作用的578 %左右，最大形變發(fā)生在PCB位置，達(dá)到了監(jiān)測系統(tǒng)PCB厚度(1 mm)的42 %左右，可見,熱、振載荷共同作用下的非線性效應(yīng)會顯著降低系統(tǒng)的可靠性。

4 實驗與分析

將監(jiān)測系統(tǒng)通過夾具固定在MPA408LS444M振動臺上，施加惡劣路面隨機(jī)振動加速度功率譜密度激勵，選取8～16時進(jìn)行了8 h的實驗，并分別在10時和14時對系統(tǒng)施加瞬態(tài)分析中脈寬為6 s,幅值為600 ℃的半正弦瞬態(tài)溫度信號。實驗過程中選取8個時間整點測量系統(tǒng)的溫度和濕度值，最后將測量值與現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，比較結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨機(jī)振動單載荷作用下監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差在0.22 %以內(nèi)，多物理場耦合作用下(10時和14時)系統(tǒng)的測量誤差在0.44 %以內(nèi)。

圖8 測量值與標(biāo)準(zhǔn)值對比

5 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對設(shè)計的儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性研究，并通過實驗驗證了系統(tǒng)的測量可靠性。結(jié)果表明：溫度沖擊瞬態(tài)載荷單獨作用下,系統(tǒng)最高溫度69.256 ℃與各芯片極限工作溫度70 ℃十分接近，會對儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)造成損傷；溫度沖擊與隨機(jī)振動耦合作用下系統(tǒng)最大形變量提高至溫度沖擊單載荷作用的706 %左右，隨機(jī)振動單載荷作用的578 %左右，系統(tǒng)測量誤差由0.22 %增加至0.44 %左右，可見多物理場的耦合作用是造成儲運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)可靠性降低的主要原因。本文的研究結(jié)果對于儲運(yùn)道路的選擇及監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。