智能網(wǎng)卡的模態(tài)分析與隨機(jī)振動(dòng)仿真

施燕華

（英業(yè)達(dá)科技有限公司 結(jié)構(gòu)分析部，上海 201112）

0 引言

隨著人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全、云服務(wù)、5G、自動(dòng)駕駛等趨勢(shì)的興起，社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了前所未有的要求。智能網(wǎng)卡作為對(duì)外接收數(shù)據(jù)、進(jìn)行快速、高效地處理數(shù)據(jù)的重要電子設(shè)備，受到越來(lái)越多的重視。但作為高性能的設(shè)備對(duì)其可靠性也提出更高的要求。據(jù)相關(guān)的研究表明，引起電子產(chǎn)品的失效的因素中，振動(dòng)因素要占比達(dá)27%[1-2]。為了保證智能網(wǎng)卡在實(shí)際運(yùn)輸和使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)可靠性，必須要對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)網(wǎng)卡設(shè)備結(jié)構(gòu)性能抗振測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的研究較多，但針對(duì)網(wǎng)卡的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)可靠性方面研究較少[3]。張海龍[4]研究了基于服務(wù)器系統(tǒng)的網(wǎng)卡隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)，指出了高可靠性下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性；吳晗[5]對(duì)網(wǎng)卡的振動(dòng)進(jìn)行了全面的分析，并指出：振動(dòng)響應(yīng)下網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)不僅需要全面加固，還需要進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)。本研究利用ABAQUS 有限元分析軟件在智能網(wǎng)卡設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)仿真，既可縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期又可保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 智能網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)

本次分析的智能網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的PCIe 全高半長(zhǎng)卡，總體尺寸為167.65 mm*111.15 mm*18.31 mm，如圖1 所示。PCB 板上放置有CPU、FPGA、CPLD、DDR4 等主要BGA 類元器件；CPU 和FPGA 上側(cè)緊貼放置主要材質(zhì)為Al6061 的散熱片；PCB 板背面放置用于增加整體結(jié)構(gòu)剛度的機(jī)構(gòu)件，其材質(zhì)為2Al-T4 鋁合金材料；前端為用于固定支撐整張智能網(wǎng)卡的支架，其材質(zhì)為SGCC。整張智能網(wǎng)卡通過(guò)前端支架和“金手指”部位固定在服務(wù)器內(nèi)部，如圖2 所示。

圖1 智能網(wǎng)卡外觀結(jié)構(gòu)

圖2 智能網(wǎng)卡固定方式

2 分析模型

2.1 建立有限元模型

根據(jù)智能網(wǎng)卡實(shí)體模型，利用前處理軟件Hyper mesh 對(duì)智能網(wǎng)卡進(jìn)行有限元建模，有限元模型采用4節(jié)點(diǎn)四邊形線性縮減積分單元和8 節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元，PCB 板、背板、支架采用CPS4R 單元模擬，CPU、FPGA、散熱片采用C3D8R 單元模擬，各部件間的連接采用coupling 約束處理。為了驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的敏感度，分別對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行預(yù)模擬，選取合適的網(wǎng)格數(shù)量，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。本分析網(wǎng)格數(shù)量26300 個(gè)，如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格模型圖

2.2 材料參數(shù)

PCB 板材質(zhì)為FR4，散熱片材質(zhì)為Al6061，背板材質(zhì)為2Al-T4 鋁合金材料，前端固定支架材質(zhì)為SGCC。具體的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

2.3 工況與邊界條件

智能網(wǎng)卡通過(guò)前端支架和PCB 板“金手指”與服務(wù)器約束一起，兩者連接近似為剛性連接。大多數(shù)情況下智能網(wǎng)卡會(huì)隨服務(wù)器一起運(yùn)輸安裝，在此過(guò)程中網(wǎng)卡會(huì)受到運(yùn)輸安裝中的隨機(jī)振動(dòng)因素影響。本分析工況模擬網(wǎng)卡的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，由于網(wǎng)卡與服務(wù)器的剛性連接，隨機(jī)振動(dòng)載荷可直接施加于單張網(wǎng)卡。

隨機(jī)振動(dòng)仿真的邊界條件為固定約束前端支架和PCB 板“金手指”，初始分析設(shè)為模態(tài)分析，頻率計(jì)算覆蓋隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的最大頻率值，隨機(jī)振動(dòng)載荷直接施加于上述位移約束處，振動(dòng)的臨界阻尼設(shè)為0.02，相同隨機(jī)振動(dòng)載荷分別計(jì)算X/Y/Z三軸。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是隨機(jī)振動(dòng)分析的基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)分析可以確定其振動(dòng)特性即固有頻率和振型。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了結(jié)構(gòu)對(duì)各種載荷的反應(yīng)情況，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[6]。

本次模態(tài)分析的邊界條件是固定智能網(wǎng)卡前端支架左右兩側(cè)和PCB 板“金手指”位置，仿真得出前期3 階固有頻率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，圖4～圖6 是智能網(wǎng)卡對(duì)應(yīng)頻率下的振型，從中發(fā)現(xiàn)前3 階的振型對(duì)智能網(wǎng)卡影響較大，相應(yīng)頻率下的外界振動(dòng)有可能干擾網(wǎng)卡的實(shí)際運(yùn)輸與使用。

圖4 一階振型圖

圖5 二階振型圖

圖6 三階振型圖

表2 固有頻率數(shù)據(jù)

4 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析是結(jié)構(gòu)在功率密度譜下動(dòng)力載荷響應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)，原始數(shù)學(xué)模型是以概率進(jìn)行的定性分析[7-8]。1σ、2σ和3σ表示在正態(tài)分布概率統(tǒng)計(jì)下的均方根響應(yīng)分布，小于1 的出現(xiàn)概率68.27%，小于2σ的出現(xiàn)概率為95.95%，小于3σ的出現(xiàn)概率為99.94%。本仿真分析智能網(wǎng)卡實(shí)際運(yùn)輸安裝的振動(dòng)因素，隨機(jī)振動(dòng)分析施加載荷采用加速度功率譜，如圖7 所示，功率譜包括了上述工況中相應(yīng)頻率的加速度最大值。頻率范圍選取0 ～1000 Hz，此頻率范圍同時(shí)覆蓋了模態(tài)分析結(jié)果與隨機(jī)振動(dòng)加速曲線。

圖7 加速度功率譜曲線圖

圖8 和圖9 分別給出了隨機(jī)振動(dòng)z軸下3σ的最大加速度響應(yīng)和最大位移響應(yīng)，從圖中看出最大加速度響應(yīng)位于PCB 板尾端，整體數(shù)值較小，最大位移響應(yīng)同樣位于PCB 板尾端，位移最大處達(dá)0.29 mm，最大加速度響應(yīng)與位移響應(yīng)分布保持一致，這是由于前端支架和金手指位置固定，PCB 板后端相對(duì)自由，在隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下尾部發(fā)生上下擺動(dòng)。圖10 是整張網(wǎng)卡3σ的最大米賽斯應(yīng)力云圖，應(yīng)力最大值位于前端支架，圖11 是PCB 板3σ的最大米賽斯應(yīng)力云圖，應(yīng)力最大值位于PCB 板某一孔位附近區(qū)域。

圖8 最大加速度響應(yīng)云圖

圖9 最大位移響應(yīng)云圖

圖10 整卡最大應(yīng)力云圖

圖11 PCB 板最大應(yīng)力云圖

前端支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，同理得出PCB板安全裕度為

PCB 板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。綜合所上的分析該智能網(wǎng)卡性能受外界振動(dòng)激勵(lì)影響較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)智能網(wǎng)卡復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境，通過(guò)使用有限元仿真的方法對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)分析，完成了智能網(wǎng)卡的剛度和強(qiáng)度校核，達(dá)到了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械環(huán)境可靠性的目的。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)仿真，既可縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期又可保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性，為后續(xù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。