來源：機電元件
摘要:電子控制組件產品要經受加速度、沖擊、隨機振動等環境動力學條件測試，且需要考慮其工作溫升。對電子控制組件進行設計時，結構熱仿真是有效的評估和優化工具，通過產品的動力學、溫升仿真可以得出產品是否滿足設計指標，并對不滿足指標的設計進行優化，保證產品性能，提高產品一次設計成功率。對某款電子控制組件應用ANSYS軟件進行了動力學和溫度仿真設計，樣品經過試驗測試證明了仿真的正確性，仿真驗證為產品設計提供了有力支撐。
關鍵詞:電子控制組件;動力學;溫升ANSYS
1 引言
電子控制組件常用于軍工、船舶等領域，在系統中起著控制、傳輸信號等功能。整機系統常常需要在一些動力學環境下工作比如沖擊、加速度、正弦振動、隨機振動等，因此電子控制組件也需要能滿足這些環境條件。同時電子控制組件在工作時會發熱，而電子元件一般最高工作溫度不能超過110℃，需要對產品在給定工作條件下的溫度分布進行分析，以得出最高溫度是否超標。
本文采用ANSYS對電子控制組件進行動力學和溫度仿真，其中動力學仿真主要考慮整體的應力分布和加速度分布，應力要求小于材料抗拉強度，隨機振動等長時間振動條件下應力要小于抗拉強度的1/3以滿足疲勞指標要求，電子控制組件中的連接器、繼電器等元器件的加速度響應要小于其設計指標以滿足其互連特性;電子控制組件很多發熱元件為短時間工作，因此在工作溫度分析時應用瞬態熱模塊進行分析。
2電子控制組件動力學仿真
2.1仿真前處理
(1)模型處理
整個模型處理后如圖1，一些特殊情況下需要對螺釘進行單獨的強度校核，一般螺釘等影響不大的零件可以刪除，連接器、繼電器、電阻等元器件可簡化其內部結構，減小模型規模。
(2)邊界條件設置
加速度指標一般小于沖擊指標，在沖擊、加速度這類時域動力學中主要分析產品整體的應力水平，因此一般按照沖擊條件進行分析即可，將沖擊的加速度經過兩次積分成位移后加載到電子控制組件的安裝孔上。隨機振動條件一般為0~2000Hz，需要先進行模態分析再進行隨機振動分析，其中模態分析需覆蓋3000Hz范圍，隨機振動中阻尼一般設置為0.03。
(3)相關參數設置
網格方面，整體劃分為高階四面體單元，部分零件為高階六面體單元，節點數229716，單元數99578。接觸容差設置為0.5mm，保證實際有接觸關系的面之間已設置接觸對，某些靠得比較近但未接觸的面之間未設置接觸對，一些可分離的面需要手動設置為無摩擦接觸對。沖擊條件為后峰鋸齒波20g，持續時間11ms;隨機振動條件為0.04g2/Hz，均方根7.72g(見圖2)。
2.2仿真分析結果
得出X向沖擊最大應力19.3MPa，Y向沖擊最大應力5.2MPa，Z向沖擊最大應力22.2MPa，其中Z向沖擊應力分布如圖3，三方向沖擊應力均小于材料抗拉強度，該沖擊條件下產品強度沒有問題。
得出三方向隨機振動整體3δ應力分布如圖4，最大應力8.0MPa，隨機振動強度沒有問題(包括疲勞強度)。
三方向隨機振動時連接器和繼電器上的Y向1δ加速度分布如圖5，最大加速度169m/s2，小于連接器和繼電器能承受的隨機振動加速度指標，Y向隨機振動連接器加速度響應沒有問題。
3電子控制組件溫升仿真
3.1仿真前處理
溫度分析邊界條件如圖6，根據各個發熱器件的發熱功率加載相應的功率載荷，點火插座、電磁繼電器、二極管、匯流條、印制電路板發熱時間30分鐘，固體繼電器、行程開關、限流電阻工作時間為200ms，給所有外表面加對流、輻射邊界，對流系數按一般條件5W/m2℃設置，輻射系數按材料查表設置。環境溫度－50℃~70℃，按照最高溫度70℃進行分析。
3.2仿真分析結果
得出70℃環境溫度下產品工作30分鐘整體溫度及最高溫度點曲線分布如圖7，最高溫度98.2℃，分布在最大發熱功率的繼電器上，最大溫升為28.2℃，該產品工作30分鐘時溫度未超過元器件許用值。
3.3仿真結果與試驗結果的比較
對該產品制造后的樣品進行動力學和溫升測試，產品經過沖擊、加速度、隨機振動后整體外觀良好，未發生結構破壞，元器件在隨機振動過程中正常工作，未發生瞬斷或瞬閉。
溫度測試時(環境溫度70℃)在電子控制組件上取3個點進行檢測，和仿真結果進行對比，對比結果如表1。
動力學和溫升測試結果與仿真結果吻合，驗證了仿真的正確性。其中動力學不方便測量整體的應力分布，因此僅能以肉眼來判斷整體結構的完好性，加速度方面通過檢測連接器、繼電器是否發生瞬斷或瞬閉來判斷是否超標;實測溫升比仿真值略高主要是因為仿真中部分面之間的阻抗未考慮，僅考慮了主要接觸面之間的阻抗效應，導致仿真出來的溫升略低。
4結論
動力學響應和溫升是電子控制組件的主要設計指標，在設計階段應予以重視并充分驗證，ANSYS仿真是對產品動力學和溫升分析的一種有效手段，如果產品涉及液冷或風冷則需要用Icepak對產品進行電子散熱分析。本文通過ANSYS瞬態溫度模塊、瞬態動力學模塊、隨機振動模塊對產品進行了動力學、沖擊、隨機振動全方位的仿真，得出設計滿足指標要求，并通過試驗驗證了仿真的準確性，保證產品一次設計成功。
隨著產品復雜度提升、應用環境要求越來越高、設計周期要求越來越短，產品設計難度大幅度提升，數字化仿真作為產品數字化孿生的重要手段是現階段產品設計不可或缺的一部分，一個設計方案只有經過全方位的仿真分析才能保證設計的正確性和合理性，從而減少設計更改次數，縮短設計周期，降低設計成本，滿足用戶需求。
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