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汽车电子产品振动仿真分析研究

王承

（延峰伟世通汽车电子有限公司）

1前言

汽车电子产品在使用过程中会受到汽车行驶引起的机械力的干扰，这些机械力的主要形式包括：振动、冲击

等，它们是汽车电子产品零部件机械结构破坏的主要诱因。为了提高汽车电子产品抗振动、冲击载荷的能力，在

设计早期通过CAE技术预测产品性能并改进设计，已成为必不可少的手段。

2汽车电子产品所受振动、冲击载荷简述

2．1振动、冲击载荷分类

汽车电子产品在使用过程中会受到汽车行驶引起的振动、冲击等载荷带来的机械力的影响。根据机械环境对

设备的作用性质，可将其分为3种类型：

（1）周期性振动

这是指机械力的周期性运动对设备产生的振动干扰，并引起设备做周期性的往复运动。产生这一干扰的主要

原因是：电子产品自身产生共振；发动机工作时产生的强烈振动；其他设备，如电机，风机、泵等产生的振动；

为了预测汽车电子产品抗周期性振动载荷的能力，汽车OEM都制定了正弦扫频振动试验（SineSweep

vibration），其目的为在汽车可能发生共振的频率范围内（如200Hz以内），验证电子产品抵抗加速度载荷（一般

不超过5g）的能力。

（2）非周期干扰——冲击

这是指机械力作非周期扰动对设备的作用。如撞车或紧急刹车，其特点是次数少，不经常遇到，作用时间短

暂，但加速度很大；

为了评估汽车电子产品抗冲击载荷的能力，汽车OEM都制定了冲击试验，以验证电子产品在短时间内（一

般为几毫秒至十几毫秒），电子产品抵抗大加速度载荷（一般为30g~60g）的能力。

（3）随机振动

这是指机械力的无规则运动对设备产生的振动干扰。随机振动在数学分析上不能用确切的函数来表示，只能

用概率和统计的方法来描述其规律。随机振动主要是外力的随机性引起的，路面的凹凸不平是汽车产生随机振动。

为了预测汽车电子产品抗随即振动载荷的能力，汽车OEM都根据所采集的汽车路面载荷谱确定了功率谱密

度（PSD），并以其为载荷输入，验证电子产品抵抗随机振动载荷的能力。

2．2振动、冲击载荷对汽车电子产品的影响

在电子设备所处的机械环境中，各种机械力和干扰形式都有可能对设备的可靠性造成危害，其中危害最大的

是振动和冲击。它们造成的危害主要有以下两种：

（1）设备在某一激振频率下产生振幅很大的共振，最终因振动加速度超过设备所能承受的极限加速度而破坏；或

者由于冲击产生的冲击力超过设备的强度极限而是设备破坏。

（2）振动加速度或冲击力引起的应力虽低于材料在静载荷下的强度，但由于长时间振动或多次冲击使材料疲劳，

从而导致设备破坏。

因此，为了提高汽车电子产品抵抗振动、冲击载荷的能力，在汽车电子产品结构设计时，应充分考虑振动和

冲击带来的影响，并进行仿真分析，在实际样品生产之前预估其抗振动的能力，以提高产品的结构强度。

3强迫振动理论分析

3．1强迫简谐振动系统响应分析

对于正弦扫频振动试验，其加速度载荷为简谐激励，整个系统的受力方程为典型的简谐激励作用下的强迫振

动方程；对于随机振动问题，其受力描述方程较为复杂，但从受力原理上讲，也属于简谐激励作用下的强迫振动

问题，可以通过典型强迫振动的理论方程对其受力、变形情况进行描述。下面对单自由度物体在简谐激励作用下

的强迫运动进行分析，以对强迫振动条件下物体受力、变形情况做定性描述。

图1强迫简谐振动系统

图1表示受简谐激励力f(t)=masin(pt)作用的有阻尼单自由度弹簧质量系统。其中m为物体质量，a为加速度

幅值，p为激振频率。物体的强迫简谐振动的方程可表示为:

m?z??cz?kz?masinpt(1)

式(1)中，z为物体从静平衡位置为起点的垂直位移，k为弹簧刚度，c为阻尼系数，令k/m=ωn

2，c/m=2ζωn?

?nc/2km；(2)

?c/2m??

ωn为系统的固有频率，ζ为系统阻尼比。

?????2?

?z?2zapt(3)

nzsin

n

式(3)为一非齐次二阶常系数线性方程。它的解包括两部分：齐次方程的通解z1和方程的特解z2，即

z=z1+z2

z1对应于有阻尼振动齐次方程的解，在弱阻尼的情况下，它代表的是一种衰减运动，只在振动开始的一段时

间内才有意义，故为瞬态振动，在一般情况下可以不予考虑。

特解z代表系统在简谐激振下产生的强迫振动，它是一种持续的等幅振动，故为稳态振动。设特解z2为：

z2=Zsin(pt-θ)(4)

式(4)中，Z为激振力引起的系统对强迫振动的响应振幅，θ为激振力与系统对强迫振动响应的相位差。由式

(4)可知，在简谐激振力的作用下，物体的强迫振动也为简谐振动，其频率与