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空间电子技术

2011年第1期76

SPACEELECTRONICTECHNOLOGY

星载电子设备元器件随机振动疲劳分析

代锋1唐德效1石敏

2

(1．中国空间技术研究院西安分院，西安710000;2．西安邮电学院，西安710121)

摘要星载电子设备通常要经历各种振动环境，在恶劣的随机振动环境中，设备中的元器件

管脚及焊点容易出现疲劳问题。文章应用Miner疲劳损伤累积理论及三带宽技术，提出了一种实

用有效的分析元器件管脚及焊点进行随机振动疲劳寿命的方法

。

关键词随机振动Miner疲劳损伤累积理论三带宽技术疲劳破坏率

加速度响应量值作为输入条件，进行元器件应力分

0引言

析;最后根据及

进行元器件的疲劳寿命计算

。

星载电子设备在制造、运输、发射等各阶段都经

历着不同振动环境的考验，尤其是可靠性验证时要1Miner疲劳损伤累积理论与随机振动

经历最为严酷的鉴定级随机振动环境。为保证星载

电子设备的高可靠性，一般应用有限元仿真手段对1．1Miner疲劳损伤累积理论

结构进行设计验证。通过有限元分析验证的电子设

［］认为结构中的

Miner损伤累积理论

1

备，其结构及PCB一般均不会出现强度破坏及刚度，应力循环可以是

不够等问题。振动试验表明最易出现问题的是设备振动、热、噪声等能够引起交变应力的任何因素。采

中的电子元器件，如DIP双列直插式封装、BGA球用疲劳破坏率R来表示已用掉结构寿命的百分比，

阵列封装、钽电容器件管脚由于疲劳而断裂、焊点脱如R=0．5，表示实际的应力循环已用掉了结构疲

落等;还有一些对加速度敏感的器件出现故障，如继劳寿命的一半。疲劳破坏率R定义如下:

电器触点不能正常工作、晶体振荡器频率失锁等

。

众所周知，星载电子设备通常都较为复杂，采用

R=

n

1

N

1

+

n

2

N

2

+

n

3

N

3

+…(1)

有限元建模时，通常将

PCB上的元器件用一质量点

式(1)中

nnn

，，，…表示下的应力

123

等效进行分析。若元器件不做这样的等效处理，整

循环次数;，，，…表示在

NNN

123

，一般需经大量的试个模型将相当庞大，超出硬件能力而无法进行分析

。

件由不同应力水平下的疲劳试验曲线决定，该曲线文章应用Miner疲劳损伤累积理论及三带宽技术，

称为“S－N”曲线提出了一种实用有效的分析流程，对元器件进行随

。

当R＜1，表明结构在实际的应力循环次数下不机振动疲劳寿命分析。首先，按通常的做法将元器

会产生疲劳，且R越小，结构剩余的疲劳寿命越多;件等效为进行整个电子设备的

当R≥1，表明结构在实际的应力循环次数下结构已，得出元器件处的;然后对所关心的元

经发生疲劳破坏器件单独建立详细模型(包括PCB)，以元器件实际

。

1．2随机振动及三带宽技术

收稿日期:2010－06－05;修回日期:1．2．1随机振动

2010－12－14

2011年第1期代锋等:星载电子设备元器件随机振动疲劳分析

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星载设备随机振动时间虽然较短，但为避免与整2(x(t))=E(2(t))

－Ex

星发生共振，通常将电子设备内部的

PCB固有频率

且有自相关函数:(0)

R

x

=E［x(t)·x(t)］

=E

设计在

100Hz以上。在3个方向上，每个方向

2min

［2(t)］

x=σ

2

x

的随机振动试验中，PCB的振动循环次数约在

36000

在

PCB

6min

次(PCB以100Hz固有频率计算)，可知

响应的均方值为:

x

2

=E()

x

2

=R

(0)

x

=

2

f

∫

f

1

|

的随机振动中已发生几万次往复运动。根据以往对

H(iω)

|

()

dω

2

S

ω

in

星载设备进行力学环境试验可知，通常在随机振动过

则响应的均方根为:

σ

2

=x

=x槡

程中，发生元器件管腿断裂或焊点开裂等故障，对断

裂截面进行分析，大多数是由于疲劳造成的，所以，星

载设备一般都应进行随机振动疲劳分析

。

2

f

|H(iω)()

2

|Sd

ωω

∫

in

f

1

槡

1．2．2基于Gaussian分布的三带宽技术

随机振动是指不能用确定性函数来描述的振Gaussian分布又称正态分布，是一种最为常见

动，其瞬时值具有不可预知性，是一种非确定性振的重要分布。按照概率论的中心极限定理，

动。虽然随机振动在某一具体时刻的状态是不确定，而

的，但并不是没有规律，可以用统计的观点来描述随，就可认为描述该随机

机振动的规