Pcb焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及PCB(PrintedCircuitBoard，印制電路板）技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及 PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子產(chǎn)品的失效根據(jù)其誘發(fā)因素一般可歸類為振動失效、沖擊失效以及熱失效三 種類型。電子產(chǎn)品在制造、運(yùn)輸以及服役過程中常常會經(jīng)受系列不同的振動載荷，特別是航 空電子系統(tǒng)和汽車電子系統(tǒng)的服役環(huán)境更加嚴(yán)酷，振動失效是影響電子產(chǎn)品可靠性的重要 因素之一。電子產(chǎn)品中PCB焊點(diǎn)的可靠性直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用壽命，但目前對于焊點(diǎn)的 振動壽命預(yù)測，特別是隨機(jī)振動壽命預(yù)測，普遍采用實(shí)驗(yàn)方法，缺少有效的壽命預(yù)測方法。 在隨機(jī)振動過程中，焊點(diǎn)有可能由于受到激發(fā)產(chǎn)生諧振，承受的應(yīng)力值超出其疲勞極限。最 終，焊點(diǎn)經(jīng)歷一定的服役壽命后，由于疲勞而萌生裂紋，逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致電氣開路而失效。
[0003] 在振動環(huán)境中，絕大部分電子系統(tǒng)遭受的不是常規(guī)的正弦振動激勵，而是隨機(jī)振 動載荷。然而，在電子產(chǎn)品的高周疲勞性能研究方面，大部分研究僅關(guān)注正弦振動條件下焊 點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測。在隨機(jī)振動條件下，帶寬內(nèi)的所有頻率都是以瞬態(tài)和同步的形式出現(xiàn)， 因此，響應(yīng)的應(yīng)力歷程是隨機(jī)過程而不是固定幅值，給疲勞壽命預(yù)測帶來較大困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，有必要針對目前尚無一種準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)的PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽 命預(yù)測方法的問題，提供一種預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)的PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù) 測方法與系統(tǒng)。
[0005] -種PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測方法，包括步驟：
[0006] 基于正弦振動試驗(yàn)和諧響應(yīng)仿真分析，確定PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線；
[0007] 獲取PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間曲線以及PCB板應(yīng)變-壽命曲 線；
[0008] 根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間曲線或PCB板應(yīng)變-壽命曲線， 采用雨流計數(shù)法，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位循環(huán)數(shù)、應(yīng)力幅值和均值分布；
[0009] 根據(jù)PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線、PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位循環(huán)數(shù)、應(yīng)力幅 值和均值分布，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量；
[0010] 基于Miner準(zhǔn)則，根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量，預(yù)測PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲 勞壽命。
[0011] -種PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測系統(tǒng)，包括：
[0012] 應(yīng)力與壽命分析模塊，用于基于正弦振動試驗(yàn)和諧響應(yīng)仿真分析，確定PCB焊點(diǎn) 的應(yīng)力_壽命曲線；
[0013] 關(guān)系獲取模塊，用于獲取PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間曲線以及 PCB板應(yīng)變-壽命曲線；
[0014] 疲勞危險部位分析模塊，用于根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間 曲線或PCB板應(yīng)變-壽命曲線，采用雨流計數(shù)法，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位循環(huán) 數(shù)、應(yīng)力幅值和均值分布；
[0015] 損失量分析模塊，用于根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位循環(huán)數(shù)、應(yīng)力幅值和 均值分布，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量；
[0016] 預(yù)測模塊，用于基于Miner準(zhǔn)則，根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量，預(yù)測PCB 焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命。
[0017] 本發(fā)明PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測方法與系統(tǒng)，基于正弦振動試驗(yàn)和諧響 應(yīng)仿真分析，確定PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線，根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng) 力-時間曲線或PCB板應(yīng)變-壽命曲線，采用雨流計數(shù)法，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危 險部位循環(huán)數(shù)、應(yīng)力幅值和均值分布，再確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量，最后基于 Miner準(zhǔn)則，根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量，預(yù)測PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命。整個 過程基于嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)據(jù)處理，可操作性強(qiáng)，并采用雨流計數(shù)法對應(yīng)力與時間響應(yīng)信號進(jìn)行循環(huán) 數(shù)統(tǒng)計和排序的方法，確保PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測過程中數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確，即確 保最終PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測方法其中一個實(shí)施例的流程示意 圖；
[0019] 圖2為雨流計數(shù)法計數(shù)原理示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測系統(tǒng)其中一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0021] 圖4為PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線示意圖；
[0022] 圖5為隨機(jī)振動激勵PSD載荷曲線示意圖；
[0023] 圖6為焊點(diǎn)危險區(qū)域轉(zhuǎn)換后的應(yīng)力-時間歷程曲線示意圖；
[0024] 圖7為雨流計數(shù)法得到的疲勞循環(huán)的幅值和均值散點(diǎn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1所示，一種PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測方法，包括步驟：
[0026] S100 :基于正弦振動試驗(yàn)和諧響應(yīng)仿真分析，確定PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線。
[0027] PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線可以基于歷史數(shù)據(jù)仿真分析獲得，也可以實(shí)時采集數(shù) 據(jù)仿真分析獲得。
[0028] 在其中一個實(shí)施例中，步驟S100可以包括：
[0029] 步驟一：對PCB進(jìn)行靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，得到PCB組件的各階主頻和陣型；
[0030] 步驟二：以一階主頻為中心頻率，分別施加不同量級的加速度激勵，進(jìn)行正弦振動 試驗(yàn)，記錄不同量級的加速度激勵下的焊點(diǎn)失效時間，并計算得到焊點(diǎn)失效循環(huán)次數(shù)；
[0031] 步驟三：對PCB板級組件建立有限元模型，進(jìn)行模態(tài)仿真試驗(yàn)，根據(jù)模態(tài)仿真試驗(yàn) 的主頻和陣型，驗(yàn)證并修正有限元模型；
[0032] 步驟四：對應(yīng)正弦振動試驗(yàn)施加不同量級的重力加速度激勵，進(jìn)行諧響應(yīng)仿真分 析，分別獲得焊點(diǎn)在不同量級的重力加速度激勵下的應(yīng)力響應(yīng)；
[0033] 步驟五：采用體積平均等效應(yīng)力方法提取焊點(diǎn)的平均等效應(yīng)力；
[0034] 步驟六：根據(jù)不同量級加速度激勵下正弦試驗(yàn)，獲得的焊點(diǎn)失效循環(huán)次數(shù)和諧響 應(yīng)分析獲得的焊點(diǎn)的平均等效應(yīng)力，進(jìn)行曲線擬合分析，獲得PCB焊點(diǎn)的應(yīng)力-壽命曲線。
[0035] S200 :獲取PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間曲線以及PCB板應(yīng)變-壽 命曲線。
[0036] 在其中一個實(shí)施例中，PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間曲線的獲取 過程包括：
[0037] 步驟一：采用PSD(PowerSpetrumDensity，隨機(jī)振動信號的功率譜密度）仿真分 析，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位。
[0038] 步驟二：確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的體積加權(quán)平均等效應(yīng)力PSD曲線。
[0039] 步驟三：采用基于離散傅立葉逆變換的功率譜密度時域重構(gòu)方法，根據(jù)PCB焊點(diǎn) 隨機(jī)振動疲勞危險部位的體積加權(quán)平均等效應(yīng)力PSD曲線，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危 險部位的應(yīng)力-時間曲線。
[0040] 根據(jù)PCB板應(yīng)變和焊點(diǎn)壽命的關(guān)系，建立PCB板應(yīng)變-壽命曲線，我們可以將應(yīng)變 貼片放置于PCB板的合適位置，直接通過短時間的隨機(jī)振動試驗(yàn)，無需進(jìn)行PSD仿真分析， 直接監(jiān)測PCB板在單位時間上的應(yīng)變響應(yīng)。
[0041] S300 :根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位的應(yīng)力-時間曲線或PCB板應(yīng)變-壽 命曲線，采用雨流計數(shù)法，確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位循環(huán)數(shù)、應(yīng)力幅值和均值分 布。
[0042] 在時域內(nèi)計算結(jié)構(gòu)疲勞壽命，必須將不規(guī)則的載荷時間歷程轉(zhuǎn)化為完整的循環(huán)載 荷。采用雨流計數(shù)法，對應(yīng)力-時間歷程進(jìn)行應(yīng)力幅值、均值排序、統(tǒng)計。將等效應(yīng)力-時 程曲線進(jìn)行循環(huán)計數(shù)，然后應(yīng)力等級整理成不同應(yīng)力等級的載荷譜。雨流計數(shù)法的主要功 能是把經(jīng)過峰谷值檢測和無效幅值去除后的實(shí)測載荷歷程數(shù)據(jù)以離散載荷循環(huán)的形式表 示出來。任何長度的時域信號都可以縮減成一個雨流矩陣和留數(shù)，而且可以還原成一段連 續(xù)時域信號。雨流計數(shù)法的最大優(yōu)點(diǎn)是用該法求得的應(yīng)力循環(huán)與應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線求 得的應(yīng)力循環(huán)一致，這就使得用雨流計數(shù)法得到的應(yīng)力循環(huán)求得的疲勞壽命最切合實(shí)際。
[0043] 如圖2,把應(yīng)力-時間歷程記錄轉(zhuǎn)過90°，時間坐標(biāo)軸豎直向下，數(shù)據(jù)記錄猶如一 系列屋面，雨水順著屋面往下流，故稱為雨流計數(shù)法。
[0044] ①雨流計數(shù)法的規(guī)則與原理：
[0045] 1)雨流在試驗(yàn)記錄的起點(diǎn)和依此在每一個峰值的內(nèi)邊開始，亦即從1，2,3等尖點(diǎn) 開始往下流。
[0046] 2)雨流在流到峰值處（即屋檐）豎直下滴，一直流到對面有一個比開始時最大值 (或最小值）更正的最大值（或更負(fù)的最小值）為止。
[0047] 3)當(dāng)雨流遇到來自上屋頂流下的雨時，就停止流動，并構(gòu)成一個循環(huán)。
[0048] 4)根據(jù)雨滴流動的起點(diǎn)和終點(diǎn)，畫出各個循環(huán)，將所有循環(huán)逐一取出來，并記錄其 峰值。
[0049] 5)每一雨流的水平長度可以作為該循環(huán)的幅值。
[0050] 雨流計數(shù)法的基本原理如圖2所示，第一個雨流自0點(diǎn)處第一個谷的內(nèi)側(cè)流下， 從i點(diǎn)落r后流至5,然后下落。第二個雨流從峰i點(diǎn)內(nèi)側(cè)流至2點(diǎn)落下，由于i點(diǎn)的峰 值低于5點(diǎn)的峰值，故在與5點(diǎn)平齊處停止。第三個雨流自谷2點(diǎn)的內(nèi)側(cè)流到3,自3點(diǎn)落 下至3'，流到1'處碰上上面屋頂流下的雨流而停止。如此下去，可以得到如下的計數(shù)循環(huán) 塊：3-4-3'、1-2-1'、6-7-6'、8-9-8'、11-12-11'、13-14-13'和 12-15-12'。具體計數(shù)過程可 米用Matlab編程實(shí)現(xiàn)。
[0051] S400 :根據(jù)PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞危險部位循環(huán)數(shù)、應(yīng)力幅值和均值分布，確定 PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞的損失量。
[0052] 非必要的，我們可以結(jié)合Palmgren-Miner理論，來確定PCB焊點(diǎn)隨機(jī)振動疲勞 的損失量。線性累積損傷理論是指在循環(huán)載荷作用下，疲勞損傷與載荷循環(huán)數(shù)的關(guān)系是 線性的，而且疲勞損傷可以線性累加，各個應(yīng)力之間相互獨(dú)立和互不相關(guān)。當(dāng)累加的損 傷達(dá)到某一數(shù)值時，試件或構(gòu)件就發(fā)生疲勞破壞。線性累積損傷理論中最典型的理論是 Pa