随机振动环境下电路板的疲劳寿命与可靠性研究

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机载设备随机振动疲劳寿命分析-曹立帅

Abstract：Airborne Equipments often suffer all kinds of vibration environment， which may lead to fatigue through such stochastic vibration．The paper presents a practical and effective method to analyze the fatigue of airborne equipments in the stochastic vibration on the basis of Miner's Cumulative Damage and Three Band Technique．The fatigue life design of a product working in a wide band random vibration environment was taken an example to expatiate the full flow of random vibration fatigue numerical analysis. Simulation results are obtained and consistent with test ones. The method can be used to predicate fatigue life for the airborne equipments. Key Words：random vibration；three-band technology；fatigue life
机载设备随机振动疲劳寿命分析
作者姓名：曹立帅，李刚，顾卫平作者单位：庆安集团有限公司航空设备研究所联系方式：029-84636527

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析1. 引言1.1 研究背景宇航单机元器件是航空航天领域中至关重要的组成部分，其性能直接关系到航天器的安全可靠运行。

宇航单机元器件在长期运行过程中往往会受到振动环境的影响，导致疲劳失效现象的发生。

对宇航单机元器件在振动环境下的疲劳失效机理进行深入分析具有重要意义。

目前，虽然国内外对宇航单机元器件在振动环境下的疲劳失效进行了一定的研究，但仍存在一些问题尚未得到充分解决。

现有的研究大多仅停留在理论分析阶段，缺乏实际振动台试验验证的支撑，导致预测模型的准确性无法得到有效验证。

对于不同类型的宇航单机元器件，其受到振动环境的影响程度各不相同，而现有研究往往缺乏系统的振动环境分析。

本文旨在通过对宇航单机元器件在随机振动环境下的疲劳失效进行深入研究，建立相应的预测模型，并进行振动台试验验证，以期为提高宇航器件的安全可靠性提供有力支撑。

1.2 研究意义宇航单机元器件是航天器中不可或缺的组成部分，其正常工作对航天器的正常运行至关重要。

在宇航器的使用过程中，元器件常常会受到振动环境的影响，导致疲劳失效，从而影响整个航天器的可靠性和安全性。

对宇航单机元器件的随机振动疲劳失效进行分析具有重要的意义。

通过对振动环境的分析，可以更好地了解元器件在不同工作环境下的受力情况，有助于设计更加稳定和可靠的宇航器。

深入研究元器件的失效机理，可以帮助工程师和设计师更好地了解元器件的工作原理，从而预防疲劳失效的发生，提高航天器的可靠性。

建立合理的随机振动疲劳寿命预测模型，可以提前预测元器件的寿命，有助于降低维护成本和提高航天器的性能。

本研究的意义在于为宇航单机元器件的失效分析提供理论支持和实践指导，有助于提高航天器的可靠性和安全性，推动航天技术的进步和发展。

1.3 研究内容本研究旨在对宇航单机元器件的随机振动疲劳失效进行深入分析，具体研究内容包括以下几个方面：1. 振动环境分析：通过对宇航单机元器件所处的振动环境进行详细分析，包括振动频率、振幅、加速度等参数的测定，为后续的疲劳失效分析提供基础数据。

随机振动疲劳寿命预测方法研究

随机振动疲劳寿命预测方法研究随机振动是在振动研究中一个重要的方面，它不仅可以模拟复杂的工程问题，而且可以用于预测疲劳寿命的预测。

本文将介绍随机振动疲劳寿命预测方法的原理、主要方法及其应用，并对研究进展进行概述。

一、随机振动疲劳寿命预测方法原理随机振动疲劳寿命预测是根据测试发生在机械结构中的振动情况，通过数值方法和实验方法来估算结构的寿命。

振动通常是实际的受力原因，从而导致结构的早期疲劳和衰减，从而影响结构的使用寿命。

随机振动是一种不可预测的振动，它可能来自外部的环境或加载，也可能来自机械结构自身的动态特性。

一般来说，随机振动可以分为低频和高频两种。

低频随机振动来自恶劣的环境或罕见的加载，而高频随机振动则来自结构自身的动态特性。

通过将随机振动信号分解，其中的各个分量构成随机振动疲劳寿命预测的基础。

二、主要方法（1）加速度空间灰色关联分析法加速度空间灰色关联分析法是一种基于加速度信号（能量空间模型）的灰色预测技术。

根据监测加速度信号的空间相关性，本方法可以有效地提取其中的振动特征，并预测结构疲劳寿命。

它是一种分步灰色预测法，采用灰色关联数据变换（GCDT）算法来实现信号的分类，提取足够的特征向量，再采用灰色预测技术来估算疲劳寿命。

（2）加速度时域参数方法加速度时域参数方法是一种基于加速度信号的动态参数分析方法。

根据监测加速度信号，研究者从时间和频率上提取相关参数，如“振幅”、“峰值”、“峰值因子”、“保守系数”等，从而得到疲劳寿命的预测值。

本方法采用的参数较多，预测结果更加准确，但是计算复杂，要求更高。

三、应用随机振动疲劳寿命预测方法主要应用于汽车的发动机和传动系统的预测，同时也应用于船舶柴油机、发电机组、齿轮箱及其他链条系统的疲劳寿命预测。

在发动机和传动系统中，汽车设计者要求通过对随机振动进行分析和综合，来估算设计寿命，以实现安全可靠的汽车使用。

因此，结合动态负荷分布、结构比重和疲劳材料强度计算，此类测试结果常用于分析汽车动力总成和传动系统的疲劳设计要求，以实现安全可靠的设计寿命。

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析随着航天技术的不断发展，宇航单机元器件在宇航器件上的应用越来越广泛。

宇航单机元器件在宇航器件中承担着重要的作用，但随机振动疲劳失效问题一直是制约宇航单机元器件寿命的关键因素。

对宇航单机元器件随机振动疲劳失效进行深入分析，对提高宇航器件的可靠性和寿命具有重要的意义。

1. 随机振动疲劳失效的原因宇航单机元器件在使用过程中受到了多种外界环境因素的影响，其中最主要的因素之一就是随机振动。

宇航器件在航天飞行过程中会遇到各种自然环境的振动，如发动机振动、空气动力学振动、风振动等，这些振动都会对宇航单机元器件造成不同程度的影响。

1.1 随机振动对元器件的影响随机振动会对宇航器件上的单机元器件造成振动应力，长期的振动应力作用会导致宇航单机元器件产生疲劳裂纹，最终导致器件失效。

随机振动还会对宇航单机元器件内部的焊点、连接件等造成疲劳破坏，降低了器件的可靠性和寿命。

1.2 材料的影响宇航单机元器件的材料、结构等因素也会对随机振动疲劳失效产生影响。

不同的材料有不同的疲劳极限和振动响应特性，而宇航单机元器件在设计和制造过程中的结构参数也会对随机振动疲劳失效产生影响。

针对宇航单机元器件随机振动疲劳失效问题，常用的分析方法主要包括有限元分析、振动台实验、试验台试验等。

2.1 有限元分析有限元分析是一种基于数值模拟的分析方法，通过建立宇航单机元器件的有限元模型，对器件在随机振动载荷下的应力、变形等进行模拟分析，从而预测器件的疲劳寿命和失效位置。

有限元分析具有工程应用广泛、成本低廉等优点，可以为宇航单机元器件的设计和改进提供依据。

2.2 振动台实验振动台实验是一种通过振动台设备对宇航单机元器件进行振动加载，观察器件在振动载荷下的响应情况，从而分析其疲劳寿命和失效形式的实验方法。

振动台实验可以真实模拟器件在实际工作环境中的振动情况，有利于验证理论计算分析的结果。

2.3 试验台试验通过对宇航单机元器件随机振动疲劳失效进行分析，可以得到器件在随机振动载荷下的应力、变形等响应情况，以及器件的疲劳寿命和疲劳失效形式。

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析随着航天技术的不断发展，宇航单机元器件在工作过程中会遇到各种各样的挑战，其中之一就是振动疲劳失效。

振动疲劳失效是指元器件在受到振动作用下，由于材料疲劳强度不足或者应力集中等原因，导致元器件的性能和功能逐渐下降，最终失效的现象。

在宇航领域中，这种失效往往会导致严重的事故，因此对于宇航单机元器件的振动疲劳失效分析显得尤为重要。

一、振动环境在宇航领域中，宇航单机元器件在工作过程中会遇到多种不同的振动环境，主要包括以下几种情况：1. 发射阶段：在火箭发射过程中，宇航单机元器件会受到来自火箭发动机和火箭本身的各种振动作用。

2. 轨道阶段：一旦进入轨道，宇航单机元器件还会受到来自宇宙辐射、微重力以及空间垃圾碎片等因素的影响。

3. 返回阶段：当宇航员或者宇航飞船返回地球时，再次经历大气层的冲击和重力加速度会给宇航单机元器件带来不同程度的振动作用。

以上振动环境对于宇航单机元器件的振动疲劳失效都会造成一定的影响，因此需要进行详细的分析和研究。

二、振动疲劳失效分析方法针对宇航单机元器件的振动疲劳失效分析，通常采用以下几种方法：1. 数值模拟分析：通过数值模拟分析软件对宇航单机元器件在不同振动环境下的受力情况进行模拟计算，得到元器件受力情况的数据。

2. 振动试验分析：利用振动台或者振动测试设备对宇航单机元器件进行振动试验，获取元器件在不同振动频率和振动幅度下的振动响应数据。

3. 实验观测分析：将宇航单机元器件安装在宇航器上，通过对宇航器进行实地观测，获取元器件在实际工作环境下的振动情况和振动响应数据。

三、振动疲劳失效评估指标在进行振动疲劳失效分析过程中，需要制定一系列的评估指标来评估元器件的振动疲劳性能，主要包括以下几个方面：1. 疲劳寿命：通过对元器件进行振动试验或者数值模拟分析，可以获取元器件在特定振动环境下的疲劳寿命数据，即元器件在该振动环境下能够承受的振动次数或者时间。

3. 损伤程度：通过对元器件进行振动试验或者数值模拟分析，可以获取元器件在振动作用下的损伤程度数据，包括应力分布、裂纹情况等。

随机振动疲劳寿命预测方法研究

随机振动疲劳寿命预测方法研究随机振动疲劳寿命预测方法研究随机振动是指在一定时间内，不同时刻上所发生的振动信号之间存在差异性的振动。

由于许多机械结构都会遭受到不可预测的外界环境干扰，这些外界环境干扰的特性通常被抽象为随机振动。

因此，要准确地预测机械结构的寿命，就必须对其受到的随机振动进行有效的分析和预测。

随机振动分析中的疲劳寿命预测是一个重要的研究内容。

疲劳寿命是指机械结构在设计使用条件下，能够耐受的最大的疲劳应力循环次数或者疲劳应力循环时间。

疲劳寿命预测是指根据机械结构的设计参数和受到的振动信号，预测该机械结构的疲劳寿命。

疲劳寿命预测的方法主要包括：静态疲劳预测方法、静动态耦合疲劳预测方法、单峰值疲劳预测方法和随机振动疲劳预测方法。

由于随机振动疲劳预测方法能更好地反映实际环境，因此，随机振动疲劳预测方法也是最常用的疲劳预测方法之一。

随机振动疲劳寿命预测方法主要依赖于随机振动理论，该理论可以将随机振动过程分解为三个独立的过程：功率谱密度函数、相位移动函数和幅度变化函数。

功率谱密度函数描述了振动的能量分布情况；相位移动函数描述了振动的相位变化；而幅度变化函数则描述了振动的幅度变化。

随机振动疲劳寿命预测的基本原理是：将受到的振动信号转换为功率谱密度函数、相位移动函数和幅度变化函数，然后根据疲劳理论，以及功率谱密度函数、相位移动函数和幅度变化函数作为输入参数，计算出机械结构受到的疲劳应力和应变，从而确定其疲劳寿命。

随机振动疲劳寿命预测可以更加准确地反映机械结构实际的疲劳寿命，尤其是在受到非常复杂的随机振动时，其预测结果更为可靠。

然而，随机振动疲劳寿命预测的计算量较大，而且需要准确的功率谱密度函数、相位移动函数和幅度变化函数，因此，随机振动疲劳寿命预测的可靠性取决于这些函数的准确性。

随机振动疲劳寿命预测方法也可以改进，例如采用改进的功率谱密度函数，改进的相位移动函数，改进的幅度变化函数，以及改进的疲劳理论，以期提高疲劳寿命预测的准确性和可靠性。

机载设备随机振动疲劳寿命分析-曹立帅

根据上述介绍的线性累积损伤理论和三区间法，利用 Ansys Workbench 实现随机振动疲劳分析，其分析流程如下图所示。
图 2 疲劳寿命分析流程
3 某液压驱动装置壳体随机振动实例分析
3.1 计算模型
图 3 控制壳体有限元计算模型
液压驱动装置几何模型采用 Catia 建立,将其余组件以集中质量的形式连接到壳体上；壳体和试验工装之间通过绑定连接在一起；采用四面体网格，有限元模型中包含 192666 个单元。 3.2 约束和加载
2 线性疲劳累积损伤理论与随机振动
2.1 Miner 线性疲劳累积损伤理论
线性累积损伤理论认为，材料在各个应力下的疲劳损伤是独立进行的，并且
[1]
总损伤可以进行线性累加。
应力作用σ1 作用 n1 次，该应力水平下材料达到破坏的总循环次数为 N1。设
D 为最终断裂时的损伤临界值，根据线性疲劳累加损伤理论，应力σ1 每作用一
根据应力寿命关系式求 X 方向 1σ、2σ、3σ应力下许可循环次数疲劳寿命：

Siσ σ −1A
b
=
Niσ N0
8
[5]
应力为疲劳极限时的循环次数为 N0=10 ，材料 S-N 曲线的斜率为 b=-3.322 ，
9
8
计算得到 1σ、2σ、3σ应力下许可循环次数 N1σ=2.09×10 ，N2σ=2.09×10 ，
参考文献：
[1] 王启义.中国机械设计大典第 2 卷[M].江西科学技术出版社,2002:1171-1172. [2] STEINBERG D S. Preventing thermal cycling and vibration failures in electronic equipment.

电池组随机振动疲劳分析

电池组随机振动疲劳分析本例展示基于功率谱密度曲线（PSD）的电池组疲劳分析，即针对随机振动的疲劳寿命分析。

1 问题设定一块电池组，尺寸为70mm x 175mm x 400mm。

该电池组的两端共有6个端点，分别受到垂直于电池组平面的激励作用，且激励的加速度功率谱密度曲线（ASD）相同。

由于在随机振动基于线性动力学原理，因此电池，PC材料等采用实体建模，其他钣金采用壳单元建模，设定相关的fastener点焊单元，coupling耦合单元和tie约束，建立零件和零件之间相应的连接关系。

两端所对应的PSD谱线如下图。

请注意该曲线的频率截断在200Hz处。

本案例用到的附件包括：battery_SSD.cae 提取前10阶固有模态和扫频分析plate.psd PSD曲线2 分析过程一般来说，针对随机振动的疲劳分析包含两大步。

第一步是在Abaqus中完成固有模态和扫频两个计算；第二步是把这两个计算结果与PSD曲线一起输入fe-safe，运行若干设置后完成疲劳分析，得到相关结果。

2.1 有限元计算需要强调的是，在有限元计算部分，不采用随机振动分析方法，而是采用模态提取和扫频方法。

2.1.1 固有模态分析附件中的battery_SSD.cae第一个step分析步是用于提取固有模态的Abaqus计算文件。

其中的关键设置如下：a) 两端固定b) 提取1~200HZ内的固有模态c) 指定位移U和应力S作为场输出变量2.1.2 扫频分析第二个step分析步是用于扫频分析的Abaqus计算文件。

由于PSD曲线上的最高频率是200Hz，故而扫频分析的最大频率也截断在200Hz。

同时，设定各阶频率对应的阻尼均为2%。

定义单位加速度的base motion激励载荷，用于扫频分析：在输出设定上，对两个扫频分析Step，设定对广义位移GU和GPU的历程输出。

2.2 疲劳计算由前述的固有模态分析和扫频分析，计算得到结果文件：battery_shockZ_fastener.odb。

随机振动环境下电路板的疲劳寿命与可靠性研究

随机振动环境下电路板的疲劳寿命与可靠性研究
随机振动环境下电路板的疲劳寿命与可靠性研究
当前航空产品要求高可靠性、高环境适应性,以适应日趋严酷的产品使用环境.由于随机振动激励环境的复杂性,难以有效分析产品在振动环境下的疲劳寿命和可靠性.基于Miner准则和干涉模型,提出了典型电路板在随机激励下疲劳寿命和疲劳寿命可靠性的分析方法和步骤.并通过ANSYS分析与试验结果相结合,验证了方法和步骤的有效性.为电路板在振动环境下的环境适应性设计与分析提供了一个强有力的分析手段.
作者：金有刚姚军 JIN You-gang YAO Jun 作者单位：北京航空航天大学工程系统工程系,北京,100083 刊名：强度与环境 ISTIC英文刊名：STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)：2007 34(3) 分类号：V416.5 V414.3+3 关键词：环境适应性疲劳可靠性。

振动疲劳基础知识

振动疲劳基础入门：产品设计过程中的抗振性能优化及疲劳寿命评估振动疲劳基础知识振动基本概念振动是指物体沿一定路径往复运动的现象。

在机械系统中，振动是一种常见的运动形式，它可以是周期性的，也可以是非周期性的。

周期性振动包括正弦振动和余弦振动，而非周期性振动则表现为随机振动和瞬态振动。

振动的产生可以由各种各样的原因导致，如引擎的运转、地震、海浪等自然现象，或是人为因素如车辆行驶、建筑施工等。

振动的特征可以从频率、振幅、相位、波形等不同的方面进行描述。

疲劳失效疲劳失效是指结构在循环载荷作用下，逐渐产生微观结构的变化，导致结构在低于其承受静载强度的条件下发生破坏的现象。

疲劳失效通常发生在金属材料制成的结构中，是机械工程中一种常见的失效形式。

疲劳失效的原理主要是由于循环载荷作用下，材料内部的应力-应变循环会导致微观结构发生变化，如位错、滑移、微裂纹等。

这些微结构变化逐渐累积，最终导致材料出现宏观裂纹并发生破坏。

影响疲劳失效的因素包括材料本身的特性，如材料的强度、硬度、韧性等，同时也与循环载荷的大小、波形、频率等有关。

此外，环境因素如温度、湿度、介质等也会对疲劳失效产生影响。

振动疲劳实验振动疲劳实验是为了研究结构在振动载荷作用下的疲劳性能和疲劳失效机理而进行的实验。

实验的主要目的是确定结构的疲劳极限，了解结构的疲劳行为，以及探寻防止结构疲劳失效的措施。

振动疲劳实验通常采用振动台或激振器来对结构施加振动载荷。

实验过程中需要对结构的响应进行测量和记录，包括位移、速度、加速度、应力、应变等参数。

同时，还需要对结构进行无损检测，如超声检测、射线检测、磁粉检测等，以发现和评估结构的微观裂纹和宏观裂纹。

振动疲劳分析方法振动疲劳分析是根据实验数据和理论模型对结构的疲劳性能进行评估和预测的过程。

常用的振动疲劳分析方法包括：（1）理论分析法：根据材料的力学性能和结构的几何形状、尺寸等因素，建立疲劳分析的力学模型，推导出疲劳载荷谱和疲劳寿命计算公式。

随机振动疲劳寿命预测方法研究

随机振动疲劳寿命预测方法研究近年来，疲劳分析已成为材料和结构设计中不可分割的一部分。

为了实现可靠性设计，机械结构及其组件的疲劳性能定量描述疲劳的行为就变得尤为重要。

最近，将随机振动与疲劳结合的研究已经受到了很大的关注。

本文讨论了利用随机振动疲劳寿命预测以及其有关技术原理，综述了目前国内外随机振动疲劳寿命预测方法，并结合实际应用分析了随机振动疲劳寿命预测中存在的问题和发展趋势。

一、随机振动疲劳寿命预测技术原理随机振动疲劳寿命预测是基于概率统计理论，以平均数和方差作为动态振动应力和应变的宏观描述，建立了随机振动疲劳的统计模型，研究随机振动作用下材料的疲劳过程。

统计模型一般采用最大似然思想从大量数据中抽取有限数量参数。

由此得到材料疲劳特性曲线，并利用概率统计方法对结构疲劳寿命进行预测。

二、目前随机振动疲劳寿命预测方法目前，随机振动疲劳寿命预测的主要方法有两类：基于静态疲劳极限值的方法和基于试验数据的方法。

前者将短时间的随机振动信号折算成一个等效的静态应力，从而利用已经发展良好的静态疲劳理论进行疲劳寿命预测；后者主要是建立概率模型，以实验数据为基础，拟合疲劳特性曲线，以预测结构在给定随机振动环境下的疲劳寿命。

三、随机振动疲劳寿命预测中存在的问题（1）静态疲劳极限值的方法存在误差，静态应力和动态应力的转换并不完美；（2）实验数据可能存在偏差，正态性分布假设可能存在局限性；（3）实验条件不易控制，获取精准和完整的数据存在挑战；（4）建立统计模型有一定的难度，实验数据的分析和模型的拟合也需要花费大量的时间。

四、发展趋势（1）完善实验获取的数据，尝试使用新一代数据获取设备，更准确地获取实验数据。

（2）开发更加精确的统计模型，利用最新的数据拟合方法，提高模型拟合效果。

（3）建立新的疲劳定量分析理论，进一步深入研究随机振动疲劳行为，以提高疲劳寿命预测精度。

本文介绍了随机振动疲劳寿命预测原理、现有预测方法和存在的问题，提出了未来发展趋势。

随机振动疲劳寿命估算与试验验证

进行寿命预测ꎬ可以极大地提高设计效率ꎮ 本文
以某车电喇叭支架为研究对象ꎬ分析支架在垂向
标准正常大小载荷作用下的疲劳寿命ꎬ并通过振
动疲劳试验校验预测方法的准确性ꎮ 研究对象及
载荷如图１所示ꎮ
的公式为
Ｄ＝Ｄｉ＝
ｎｉ
Ｎｉ
(１)
式中:ｎｉ为应力水平Ｓｉ的循环次数ꎻＮｉ为结构在
响应分析得到结构的应力与波高的传递函数ꎬ这
样就可以把传递函数乘上波高的功率谱密度函数
得到应力的功率谱密度函数ꎬ从计算结果不仅可以
判断发生疲劳破坏的位置ꎬ还可以知道是由哪阶模
态引起该部位的疲劳损伤ꎬ进而提出改进方案ꎮ
汽车电子产品在产品验证阶段通过试验对可
靠性进行评估的手段比较单一ꎬ不能在早期发现
产品设计问题ꎮ 采用频域的有限元疲劳分析技术
(３)
式中:Ｅ( Ｐ) 为随机信号峰值频率的期望值ꎻＴ为随
机响应作用时间ꎻＰ( Ｓｉ ) 为应力幅值Ｓｉ的概率密度
函数ꎮ 功率谱密度函数是稳态随机过程的频域表
述ꎬ它提供了有关随机载荷的大量统计学信息ꎬ使
用正常大小的谱矩可以得到计算疲劳分析所需要
的所有信息ꎮ 第ｎ阶谱矩定义为
Ｍｎ＝ｆｎＧ( ｆ) δｆ
ｒｉａｌｐｒｏｃｅｓｓꎬ ｓｕｒｆａｃｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｓｕｒｖｉｖａｌｒａｔｅｏｎｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅꎬ ｔｈｅｆｉｎａｌｐｒｅｄｉｃｔｅｄｌｉｆｅｉｓ４８ｍｉｎ. Ｔｈｅｒｅ￣
ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｄｉｓｃｒｅｔｅｄｕｅｔｏｔｈｅｒａｎｄｏｍｎｅｓｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｓｕｒ￣

热环境下薄板随机动响应统计行为研究及疲劳寿命预测

热环境下薄板随机动响应统计行为研究及疲劳寿命预测热环境下薄板随机动响应统计行为研究及疲劳寿命预测摘要：本文针对热环境下薄板随机动响应统计行为进行了研究，并利用统计分析方法和有限元模拟手段，预测了薄板的疲劳寿命。

通过实验测试和有限元模拟，研究了材料温度、载荷谱和初始缺陷等参数对随机动响应行为的影响，并获得了相应的统计分布规律和特征。

同时，结合疲劳损伤理论，建立了薄板的应力-应变-寿命模型，并采用最小二乘法对实验数据进行了回归分析。

基于预测模型，对薄板的疲劳寿命进行了预测，并与实验结果进行了验证。

该研究对于理解热环境下薄板随机动响应规律，预测其疲劳寿命具有重要意义。

关键词：热环境下；薄板；随机动响应；统计行为；疲劳寿命预1. 引言薄板作为一种常见的结构组件，常常承受多种复杂载荷作用下的动力响应，尤其在热环境下，其动态响应反应更加复杂。

因此，研究薄板热环境下的动响应规律，对于提高结构设计的可靠性和安全性具有重要意义。

同时，疲劳破坏也是薄板长期使用和实际应用中的一种常见失效形式。

因此，预测薄板的疲劳寿命，对于改进结构设计、延长结构使用寿命具有重要意义。

2. 材料和方法本文选取了某种常见的薄板材料作为研究对象，通过有限元模拟和实验测试，研究了材料温度、载荷谱和初始缺陷等参数对薄板随机动响应行为的影响。

具体实验条件如下：(1) 试样几何尺寸：长宽比为2:1，厚度为0.3 mm(2) 载荷谱：Sinusoidal随机载荷(3) 温度范围：20℃-200℃(4) 初始缺陷：通过金相显微镜观察得到的初始小裂纹通过上述实验测试和有限元模拟，收集了丰富的动响应数据，并利用统计分析方法进行了处理。

同时，结合疲劳损伤理论，建立了应力-应变-寿命模型，并采用最小二乘法对实验数据进行了回归分析。

3. 结果与分析通过对实验测试和有限元模拟结果进行统计分析，我们发现材料温度、载荷谱和初始缺陷等因素对薄板随机动响应行为都有较大的影响。

功率模块随机振动响应分析及疲劳寿命预测

功率模块随机振动响应分析及疲劳寿命预测目录1. 内容描述 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 论文结构安排 (5)2. 功率模块随机振动响应分析方法 (6)2.1 随机振动基本理论 (7)2.2 功率模块建模方法 (8)2.3 随机振动响应求解方法 (9)2.4 本章小结 (10)3. 功率模块疲劳寿命预测方法 (11)3.1 疲劳寿命评估指标 (12)3.2 疲劳寿命预测模型 (13)3.3 疲劳寿命评估流程 (14)3.4 本章小结 (15)4. 功率模块随机振动响应与疲劳寿命关联分析 (16)4.1 随机振动响应对疲劳寿命的影响 (18)4.2 疲劳寿命对随机振动响应的敏感性分析 (19)4.3 关联性分析方法 (20)4.4 本章小结 (21)5. 实验验证与结果分析 (22)5.1 实验方案设计 (23)5.2 实验设备与参数设置 (25)5.3 实验结果与分析 (26)5.4 本章小结 (27)6. 结论与展望 (28)6.1 研究成果总结 (29)6.2 研究不足与局限性 (30)6.3 未来研究方向展望 (31)1. 内容描述本文档主要针对功率模块的随机振动响应进行分析，并通过疲劳寿命预测方法评估其可靠性和使用寿命。

我们将对功率模块的结构、工作原理和性能参数进行详细阐述，以便为后续的振动响应分析和疲劳寿命预测提供基础。

我们将采用实验方法收集功率模块在不同工况下的振动数据，包括静态振动、随机振动以及强迫振动等。

通过对这些数据的处理和分析，我们可以揭示功率模块在各种工况下的振动特性，如振幅、频率、周期等。

在此基础上，我们将构建振动响应模型，用于描述功率模块在不同工况下的振动响应规律。

我们将利用疲劳寿命预测方法，结合功率模块的振动响应特性和实际使用环境，对其疲劳寿命进行预测，为用户提供有关功率模块可靠性和使用寿命的重要信息。

1.1 研究背景与意义随着科技的快速发展，电力电子系统在各种领域的应用越来越广泛，如电动汽车、航空航天、工业自动化等。

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析

宇航单机元器件随机振动疲劳失效分析随着航天技术的不断发展，宇航单机元器件在太空中的运行环境变得越来越苛刻。

随机振动是一种常见的工作环境，而元器件的疲劳失效是影响元器件可靠性的重要因素之一。

对宇航单机元器件在随机振动条件下的疲劳失效进行分析，对提高宇航器件的可靠性和持久性具有重要的意义。

1. 随机振动环境在太空中，宇航器件所处的环境是一个充满不确定性和随机性的振动环境。

这种环境中，元器件受到来自各个方向和频率不断变化的外界振动影响，因此其受力状况十分复杂。

与确定性振动环境相比，随机振动环境更能充分模拟太空中的实际工作环境，对宇航器件的疲劳失效具有更为真实的预测作用。

2. 疲劳失效机理宇航器件在随机振动条件下出现疲劳失效的主要机理是疲劳裂纹的形成和扩展。

由于随机振动环境使得元器件在振动中受到不断变化的应力，而这种应力的变化在一定频率下出现，使得元器件内部产生应力腐蚀与疲劳裂纹。

随着裂纹的扩展，元器件的性能逐渐下降，并最终导致失效。

3. 随机振动疲劳失效的不可预测性随机振动环境下宇航器件的疲劳失效由于其受力状况的不确定性，导致其失效时刻与位置难以精确预测。

这种失效具有一定的不可预测性，对提前进行失效预测和防范措施的实施提出了更高的要求。

在进行随机振动疲劳失效分析时，首先需要对元器件在太空中受到的随机振动环境进行仿真。

通过实验室内的振动台或者有限元仿真软件，模拟太空中的随机振动，获取元器件在此环境下的受力情况。

2. 疲劳寿命分析基于振动环境仿真的结果，对元器件的疲劳寿命进行分析。

通过建立元器件在振动条件下的疲劳寿命模型，考虑疲劳裂纹的扩展速率及元器件应力疲劳特性等因素，预测元器件在随机振动环境中的疲劳寿命。

3. 可靠性评估在分析了元器件的疲劳寿命后，需要进行其可靠性评估。

通过对元器件在随机振动环境下的工作寿命、边界状态及失效概率进行分析，评估元器件在实际工作环境中的可靠性，指导其设计与使用。

4. 失效预测与防范措施需要依据疲劳失效分析结果，对元器件的失效进行预测，并制定相应的防范措施。

输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析研究

输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析研究摘要：近年来，输电线路微风振动与导线疲劳寿命问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。

本文首先对相关内容做了概述，分析了输电线路微风振动测量方法，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就微风振动监测终端设计问题展开了研究，阐述了个人对此的观点看法，借鉴参考。

关键词：输电线路；微风振动；导线；疲劳寿命1 前言作为一项实际要求较高的实践性工作，输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析的特殊性不言而喻。

该项课题的研究，将会更好地提升对输电线路微风振动的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项工作的最终整体效果。

2 输电线路微风振动产生的危害在输电线路实际运行过程中，为能够避免出现微风振动情况，往往会在线路上设置防振锤，然而，若防振锤安装失当，反而会导致出现相反效果。

由于防振锤过多装设，必然会导致下线路上增加集中荷载，最终所造成结果就是在防振锤的夹头部位会有振动死点出现，引起断股情况出现。

对于输电线路振动而言，其会导致绝缘子老化有所增加，这主要是因为，在线路出现振动的情况下，绝缘子及其所连接金具会共同发生振动，这种振动所导致结果往往就是金具零件出现松动，并且杆塔零件出现损坏，最终导致绝缘子出现老化。

此外，由于杆塔基础稳固性比较差，其拉线受力不够均匀，导致杆塔、线路以及拉线系统形成弹性系统，在输电线路有振动发生时，其振动频率可能会接近杆塔振动自然频率，从而有共振现象形成。

对于横担及吊拉杆而言，在受力情况下出现振动，不但会导致固定螺栓出现松动，并且还会使材料疲劳损伤程度有所增加，尤其是这些材料内容有问题出现时，很可能会导致折断事故出现，产生较大危害。

3 在线监测系统的作用3.1 微风振动对输电线路的影响输电线路导地线是电网的重要组成部分，输电线路的安全运行水平对电网的安全、稳定、可靠运行起到重要作用。

架空输电线路经常发生超过允许幅值的微风振动，往往导致某些线路部件的疲劳损坏，如导地线的疲劳断股，金具、间隔棒及杆塔构件的疲劳损坏或磨损等，其中导线疲劳断股是架空输电线路普遍发生的问题，严重时需要对全线进行更换。

温度与振动耦合条件下的电路板级焊点失效模式与疲劳寿命分析

温度与振动耦合条件下的电路板级焊点失效模式与疲劳寿命分析汤巍;景博;黄以锋;盛增津;胡家兴【摘要】基于正交试验法研究不同温度与振动耦合条件下的板级焊点失效行为与模式,采用L9(34)混合水平正交表设计了不同温度(T)、加速度功率谱密度(PSD)与频率(V)条件下的加速寿命试验,结果表明三者对焊点可靠性影响程度为T>PSD>V,且温度是影响焊点失效模式的主要因素,随温度的升高,焊点裂纹逐渐从近封装侧的界面金属化合物(IMC)层向钎体内部扩展,焊点失效模式从脆性断裂向韧性断裂演化.基于焊点失效数据分析,发现焊点疲劳寿命对数值与PCB板背侧最大应变范围存在关联关系,并采用多项式拟合的方法建立了焊点疲劳寿命模型,拟合结果显示,该模型能较好的评估温度与振动耦合条件下的焊点寿命,预测精度较高.%The failure behavior and modes of board level solder joints under coupling of vibration and thermal loads were studied based on the orthogonal experiment design method.The accelerated life tests with different temperature (T),power spectral density (PSD) and frequency (V) were conducted by using a L9(34) mixed-level orthogonal array.The results show that the degree of influence that the three factors have on the reliability of solder joints is T>PSD>V.The temperature is the main factor that can affect the failure modes of solder joints significantly.The crack initiates in the intermetalic compound (IMC) and propagates into the bulk solder gradually as the temperature rises.The failure mode evolves from the brittle fracture to ductile fracture.Based on the analysis of the failure data,a fatigue life model of solder joint was developed by using the polynomialfitting method,according to the relationship between the logarithmic fatigue life value and the strain range of the back side of the printed circuit board.The fitting results indicate that the model can evaluate the fatigue life of solder joints under the coupling of the vibration and thermal loads accurately.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2017(045)007【总页数】7页(P1613-1619)【关键词】温度与振动耦合;焊点;失效模式;疲劳寿命【作者】汤巍;景博;黄以锋;盛增津;胡家兴【作者单位】空军工程大学航空航天工程学院,陕西西安 710038;空军工程大学航空航天工程学院,陕西西安 710038;空军工程大学航空航天工程学院,陕西西安710038;空军工程大学航空航天工程学院,陕西西安 710038;空军工程大学航空航天工程学院,陕西西安 710038【正文语种】中文【中图分类】TN406在电子设备中,电子芯片通过焊点实现与电路板之间的机械固定与电气互联.随着电子制造技术的进步,焊点尺寸越来越小,密度越来越高,电子设备的服役环境却越来越严酷,尤其是在航空航天与军事领域,机载或弹载电子设备通常工作在高、低温频繁转换与振动等恶劣环境中,板级焊点在外界载荷的作用下会产生应力应变,而应力集中的部分极易出现裂纹萌生,裂纹扩展,以至于整个焊点完全断裂,进而导致电路板开路,电子设备故障或失效,因此板级焊点是影响电子设备可靠性的关键环节,其疲劳寿命很大程度决定着整个电子设备的寿命[1～3].美国空军航空电子分析中心的统计数据显示,温度和振动是导致电子设备故障的主要环境因素,由温度和振动引起的电子设备失效高达75%.因此,国内外众多研究集中在温度或振动载荷下焊点的可靠性[4～7].但是,在实际服役环境中,焊点产生损伤并不只是一种单纯应力诱发的,而是周围多种环境应力的叠加的结果.相比于单一应力,在多种应力耦合作用下,焊点的失效模式可能会由于外部多种环境应力产生的交互作用而发生变化.而由于复合加载试验的复杂性等原因,关于多场耦合条件下的焊点可靠性问题研究却十分有限.UPADHYAYULA K和DASGUPTA A [8]最早基于损伤增量叠加法研究了温度循环与冲击振动复合加载情况下的焊点可靠性问题,结果表明复合加载对焊点造成的损伤小于室温条件下单纯振动造成的损伤,但是这种线性叠加的方法忽略了温度与振动载荷之间的相互作用.王欢等人[9]根据线性叠加法对复合加载下的焊点寿命进行了数值模拟,但并没有相关试验结果的支持.KIM Y K等人[10]对BGA焊点进行了随机振动与温度循环的顺序加载试验,结果发现焊点经过随机振动试验后再进行温度循环试验并不会对焊点造成额外损伤.YING D等人[11]研究了CCGA(Ceramic Column Grid Array)焊点在依次经历正弦振动、随机振动、温度循环载荷试验后的可靠性,得出机械振动是导致焊点裂纹产生的主要原因,通过加固PCB板可以提高焊点的可靠性.张波等人[12]研究了热周期与跌落冲击顺序载荷下的板级无铅焊点的可靠性,即首先进行温度循环试验,然后进行跌落冲击试验,结果表明少量的温度循环试验后焊点的跌落寿命反而延长了,而过量的温度循环载荷会使焊点寿命缩短.文献[10～12]的顺序试验法是基于不同载荷之间不存在序列效应为前提的,在实际服役环境中,焊点失效是温度与振动同时作用的结果,焊点在耦合作用下的失效机理与模式和先后经历热周期与机械载荷的失效机理与模式可能会有较大不同.QI H和OSTERMAN M等人[13]的利用平均应力叠加的方法研究了温度循环与随机振动复合加载情况下的焊点可靠性问题,结果表明与单纯振动或者热循环载荷相比,焊点在振动和热循环复合加载情况下更以出现损伤,使用寿命更短.ZHANG H W等人[14]研究了不同温度条件下的焊点振动可靠性问题,结果显示与单纯振动载荷相比,焊点的振动寿命会随着温度的提高而延长.文献[13]和文献[14]的结论又是相矛盾的.由此可见,目前温度与振动耦合条件下的焊点失效机理尚不明确,对于温度和振动的耦合作用对焊点疲劳寿命产生的影响认识不足.因此本文基于正交试验的方法设计了不同温度与振动耦合条件下的焊点加速寿命试验,分析振动和振动两种外部载荷因素对焊点可靠性带来的影响,揭示焊点在在不同温度与振动耦合作用下的失效模式,并基于多项式拟合建立了焊点疲劳寿命模型,用以评估焊点寿命.2.1 BGA焊点加速寿命试验试验选用的是在电子设备中常见的球栅阵列(Ball Grid Array,BGA)式封装器件,试验电路板如图1所示.封装中焊点所用钎料为Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305),印刷电路板为镀Ni/Au层的FR-4基板,焊盘选用常见的Au/Ni/Cu结构镀层焊盘.器件尺寸参数如表1所示.与单一载荷加速寿命试验相比,复合加载条件下的加速寿命试验对试验环境和信号采集等条件要求比较高.分别通过振动台和温箱搭建振动环境和温度环境,设计过渡轴和软膜联接实现振动台和温箱的组装配合,从而完成振动、温度环境的协同复合加载,如图2所示.试验中,将BGA封装形成的菊花链,通过订制MI-7016型16通道数据采集仪构建菊花链监测系统,实现对PCB板的动态应变信号与焊点的电压信号的同步实时监测.当菊花链电阻值增大10倍以上,且持续时间大于1s,则判断封装完全失效.2.2 正交试验方案设计正交试验设计是利用正交表科学研究多因素多水平的一种设计方法,基于一定的规则设计正交表,确保以最小数目的实验获得全因子实验中影响性能参数的全部信息[15].采用正交实试验设计的方案实施温度与振动耦合条件下的BGA焊点可靠性试验,可在获取影响焊点可靠性因素的同时,减少试验次数和成本.在实际服役环境下,焊点所承受的外部载荷会因电子设备所处的工作环境严酷程度不同而有所差异.根据美国ML-STD-883标准,焊点工作环境的温度范围大多在-40℃～125℃区间,可以按温度值(T)的不同将温度载荷划分为三个梯度：低温(<0℃)、室温(0～65℃)和高温载荷(>65℃)；而振动载荷则主要由振动频率(V)和加速度功率谱密度(PSD)来表征,按照频率与功率谱密度的不同也可分为低、中、高三种量级.焊点的工作环境通常是不同的温度梯度与不同的振动量级同时存在,两者相互作用形成了耦合载荷.例如,高温与低频、低PSD值耦合的载荷,室温与中频、低PSD值耦合的载荷等.因此,试验选取能够表征温度载荷与振动载荷严酷程度的温度值(T)、加速度功率谱密度(PSD)与频率(V)为因素设计正交试验,表征各温度梯度与各振动量级的因素水平如表2所示.根据确定的因素及水平,选用L9(34)混合水平正交表,如表3所示.而如果做完备的耦合试验,至少需要3×3×3=27组试验,显然大大减少了试验次数.根据试验方案的组合数目,试验所需的测试样件至少为9件.在本试验中,考虑重复性试验样本,每种组合载荷条件下A测试样件为5件,因此,测试样件总数为45件.3.1 试验结果及极差分析正交试验的极差分析法又称为直观分析法,通过分析极差的大小评价各因素对试验指标的影响程度.极差越大,表示这个因素的数值在试验范围内变化时,导致试验结果的变化越大,所以极差最大的那个因素是主要因素.经过各种应力水平组合条件下的加速寿命试验,BGA测试样件的疲劳寿命结果如表4所示,其中的空列为考虑误差分析而设.Ki表示任一列中水平为i所对应的试验结果之和,ki为Ki的算术均值,即ki=Ki/ni,ni为任一列中i水平出现的次数.极差R=max(ki)-min(ki).通过极差分析结果可以看出,温度因素的极差值最大,表明温度对焊点可靠性的影响最大,加速度功率谱密度次之,频率最小.由试验的计算结果可以进一步得出焊点疲劳寿命随试验因素的变化趋势图,如图3所示.当温度下降时,焊点的可靠性在低温条件下的疲劳寿命会显著下降,这表明低温是影响焊点可靠性的关键因素；在加速度功率谱密度增大时,焊点的寿命也会明显下降,这表明当振动能量增加时,焊点的可靠性降低；此外,可以发现当频率为200Hz时焊点的寿命值较短,通过对测试组件进行模态分析发现,其一阶频率为234Hz,靠近一阶频率的振动容易引起PCB板的共振,电子组件基板和PCB板都会产生较大的弯曲变形,焊点承受的交变应力增大,从而导致寿命值缩短.3.2 方差分析正交试验的方差分析是将试验数据的总离差平方和分解为各因素的离差平方和与试验误差平方和之和,基于各因素的离差平方和与试验误差平方和构造检验统计量,作F检验来判断各因素对试验结果的作用是否显著.根据有重复试验的正交试验数据方差分析理论,计算各因素的离差平方和Qi及对应的自由度fi：式中：n为试验组数；t为每组试验的重复次数； mi为表中第i列所安排因素的水平重复次数；zi为第i列所安排因素的水平数；Yij为在第i个因素的第j个水平下所做的试验结果之和,即mi·t组试验结果之和；yvu(v∈[1,n],u∈[1,t])为每次试验结果.试验误差平方和QE及对应的自由度fE：式中为空白列的离差平方和,按照式(1)计算.为空白列离差平方和对应的自由度,按照式(2)计算.各因素的方差估计值及试验误差的方差估计值定义各因素对应的检验统计量Fi：根据F分布检验原理,当F0.05(fi,fE)≤Fi<F0.01(fi,fE)时,判断i因素为显著性因素(置信度p=95%),记为“**”；当Fi>F0.01(fi,fE)时,判断i因素为高度显著性因素(置信度p=99%),记为“***”；当Fi<F0.1(fi,fE)时,判断i因素为非显著性因素(置信度p=90%).根据上述公式,各因素的方差分析结果如表5所示.由表4可知,FT>F0.01(2,2),说明温度对焊点可靠性的影响高度显著(置信度p=99%)； F0.05(2,2)<FPSD<F0.01(2,2),F0.05(2,2)<FV<F0.01(2,2),说明加速度PSD值与频率对焊点可靠性影响显著(p=95%).各因素对焊点可靠性影响显著性排序为T>PSD>V,这与极差分析的结果是一致的.3.3 BGA 失效模式分析焊点的疲劳寿命与其失效模式是紧密相关的,不同的失效模式必然导致疲劳寿命的差异.根据3.1节与3.2节分析,温度是影响焊点可靠性最为显著的因素,焊点的失效模式也应与温度载荷密切相关,因此,本文基于温度T因素,将所做的试验件按照温度载荷(-40℃,25℃,125℃)的不同划为三类,对不同温度条件下的焊点进行金相分析,观察裂纹的扩展方式,并统计各种失效模式所占比例,以确定在该温度条件下的焊点主要失效模式.根据金相分析的结果,焊点的失效模式主要有3种,如图4所示.对不同温度条件下焊点失效模式所占比例进行统计分析,如图5所示.在低温条件下,焊点的主要失效模式为图4(a),即裂纹沿近封装侧的IMC层萌生与扩展；在室温条件下,焊点的主要失效模式也为图4(a),但值得注意的是,失效模式图4(b)所占的比例大幅上升,即裂纹在IMC层萌生并开始逐渐向钎体扩展,这属于一种混合式裂纹；在高温条件下,焊点的主要失效模式为图4(c),即焊点的裂纹出现在近封装侧的钎体内.通过试验结果分析,焊点处于低温环境时,应力主要集中在近封装侧的IMC层,这与前期有限元分析的结果是一致的,如图6所示.此时焊点的脆性较大,因此表现为IMC 层的脆性断裂.当环境温度升高时,焊点的屈服应力与弹性模量降低,导致焊点的塑性有所提高,近封装侧的IMC界面应力有一部分被钎体吸收,因此裂纹在IMC层萌生,逐渐开始向钎体扩展,表现为脆性断裂与韧性断裂的混合模式.当周围环境温度很高时,焊点主要表现为塑性,因此裂纹开始出现在钎体内,表现为韧性断裂.同时,值得注意的是,振动载荷对焊点失效进程的影响也是不可忽视的.与单一的温度时效试验结果相比,振动载荷的存在会加速焊点的失效进程,尤其在低温条件下,接近固有频率的高PSD值振动载荷会使焊点很快出现裂纹,并且脆性断裂所占失效模式的比例明显提高.究其原因,在往复振动载荷下,电子芯片基板和PCB板都会产生挠曲变形,从而在焊点中形成交变应力,这种应力形式表现为拉力或压力.而在低温的情况下,焊点主要表现为脆性,因此当振动量级较高时,在焊点中产生的较大拉/压力会加速裂纹萌生进程,并且表现为直接贯穿IMC层的脆性断裂.通过第3节中的分析可知,当焊点在低温、高PSD值、振动频率接近PCB板的固有频率时,其疲劳寿命明显降低,特别是当三者叠加时,焊点疲劳寿命值降至最低点.这说明温度与振动之间存在耦合作用,且这种作用会加速焊点疲劳失效.在前期的研究中[16],已经发现PCB板背侧的应变信息包含了封装中的潜在故障信息,以试验2、5、7为例,图7给出了在三种不同试验条件下焊点寿命的对数值随PCB板背侧应变范围的变化曲线,如3.3节所述,在低温条件下焊点呈现出硬化特性,随温度升高焊点的塑性逐渐提高,可以看出其寿命对数值-应变范围曲线接近于二次多项式,因此基于数据驱动的思想,采用多项式拟合的方法对板级封装应变与焊点寿命的关系进行拟合,建立焊点的疲劳寿命模型.4.1 寿命模型的建立由于焊点寿命的对数值与应变范围接近于二次多项式,因此采用式(8)进行拟合,拟合参数如表6所示.Δε=f(lgN) =A(lgN)2+BlgN+C式中,Δε为应变范围,lgN为焊点寿命的对数值,A、B、C代表为二次多项式的系数. 焊点在三种试验条件下的寿命方程为对式(8)做进一步变换可得焊点的寿命模型.式中,lgNcentre=-,Δεmax=.(lgNcentre,Δεmax)代表寿命曲线方程中的中心点,Δεmax为焊点能达到的最大应变范围,而lgNf为焊点的疲劳寿命对数值,此时的应变范围Δεfinal较最高点有所下降,如图8所示,在实际服役环境中,可以根据实时监测的PCB板的应变数据,基于式(11)拟合出焊点的寿命模型,并依据历史数据量对寿命方程中的参数进行适时修正,即可实现对焊点寿命的评估与预测.4.2 寿命预测结果分析将第7组试验的另外4组试验数据作为输入,对焊点的寿命方程进行检验.图9为不同时刻的寿命预测结果.可以看出除了个别点外,大部分寿命预测点都处于±10%误差带中.另外,通过低温和高温的寿命曲线对比,发现在温度较高时,焊点在失效前的应变范围会有所下降,这应与焊点的塑性有关.当外界温度增高时,焊点的塑性随之提高,随着时间的积累,焊点的蠕变损伤逐渐演变成焊点失效的主因,并且焊点在失效前出现了应力松弛,而在低温条件下则没有这一现象.基于正交试验法研究了不同温度与振动耦合条件下的焊点失效模式,分析了温度与振动因素对焊点可靠性的影响程度.基于多项式拟合的方法建立了焊点疲劳寿命模型.通过试验分析与验证,得到以下结论：(1)温度与振动之间存在耦合作用,且这种作用会加速焊点疲劳失效.温度(T)、振动加速度功率谱密度值(PSD)与振动频率(V)对焊点可靠性影响程度排序为T>PSD>V.(2)随着温度的升高,焊点的塑性提高,焊点的裂纹逐渐从近封装侧的IMC层向钎体内部扩展,导致焊点的失效模式从脆性断裂向韧性断裂演化.(3)焊点的疲劳寿命对数值与PCB板背侧最大应变范围存在关联关系,基于多项式拟合的方法可以实现对两者关系的度量,在实际服役环境中,可以根据实时监测的PCB 板的应变数据,实现对焊点寿命的评估与预测.汤巍男,1987年出生,河北保定人,空军工程大学航空航天工程学院控制科学与工程专业博士研究生,主要研究方向为故障诊断、预测与健康管理.E-mail：**************景博女,1965年出生,河北邯郸人,空军工程大学教授、博士生导师.主要研究方向为故障诊断与容错控制、测试性设计与验证、信息物理融合系统.【相关文献】[1]WU K C,LIN S Y,HUNG T Y,et 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WU Song,HUANG Chun-yue,LIANG Ying,et al.Effects of solder shape parameters on optical interconnection alignment offset under thermal cycling load[J].Acta Electronica Sinca,2015,43(6)：1179-1184.(in Chinese)[4]余慧,吴昊,等.一种堆叠式3D IC的最小边界热分析方法[J].电子学报,2012,40(5)：865-869. YU Hui,WU Hao,et al.A minimal boundary thermal analysis method for stacked 3D IC[J].Acta Electronica Sinica,2012,40(5)：865-869.(in Chinese)[5]DA Y,ABDULLAH A Y,TUNG T.High-cycle fatigue life prediction for Pb-free BGA under random vibration loading[J].Microelectronics Reliability,2011,51(3)：649-656.[6]CHANGWOON H,BONGTAE H.Board level reliability analysis of chip resistor assemblies under thermal cycling：a comparison study between SnPb and SnAgCu[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2014,28(3)：879-886.[7]ZENG Z,LI X B,LI M,et al.Analysis of power consumption on laser solder joints of electric connector[J].Chinese Journal of Electronics,2014,23(4)：666-668.[8]UPADHYAYULA K,DASGUPTA A.An incremental damage superposition approach for reliability of electronic interconnects under combined accelerated stresses[A].ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition Conference[C].Dallas,Texas：ASME,1997.32-35.[9]王欢,杨平,谢方伟,等.复合加载下焊点寿命的数值模拟[J].焊接学报,2012,32(12)：65-68. WANG Huan,YANG Ping,XIE Fangwei,et al.Study on life-prediction of solder joint under combined loading[J].Transactions of the China Welding Institution,2012,32(12)：65-68.(in Chinese) [10]KIM Y K,HWANG D S.PBGA packaging reliability assessments under random vibrations for space applications[J].Microelectronics Reliability,2015,55(1)：172-179.[11]DING Y,TIAN R,WANG X,et al.Coupling effects of mechanical vibrations and thermal cycling on reliability of CCGA solder joints[J].Microelectronics Reliability,2015,55(11)：2396-2402.[12]ZHANG B,DING H,SHENG X J.Reliability study of board-level lead-free interconnection under sequential thermal cycling and drop test[J].Microelectronics Reliability,2009,49(5)：530-536.[13]QI H,OSTERMAN M,PECHT M.A rapid life-prediction approach for PBGA solder joints under combined thermal cycling and vibration loading conditions[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,2009,32(2)：283-292.[14]ZHANG H W,LIU Y,WANG J,et al.Effect of elevated temperature on PCB responses and solder interconnect reliability under vibration loading[J].MicroelectronicsReliability,2015,55(11)：2391-2395.[15]何少华,文竹青,娄涛.试验设计与数据处理[M].长沙：国防科技大学出版社,2002.22-35. 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振动疲劳试验寿命确定方法研究_杨万均

振动疲劳试验寿命确定方法研究_杨万均DOI:10.13952/ki.jofmdr.2019.02.022第28卷第2期2019年4月机械设计与研究MachineDesignandResearchVol．28No．2Apr．，20192343（2019）02-071-02文章编号：1006-振动疲劳试验寿命确定方法研究杨万均，施荣明（沈阳飞机设计研究所，E-mail：yangwanjun2019@sohu．com）沈阳110035，摘要：提出了一种确定振动疲劳试验寿命的方法，首先基于有限元分析获得2A12铝合金简支梁试件的裂纹长度与试件固有频率的关系曲线，借助断裂力学失效准则，计算试件在试验载荷下疲劳失效时的临界裂纹长度，根据临界裂纹长度对应的固有频率能够确定试件疲劳失效时固有频率下降的幅度，从而根据振动疲劳试停机时所经历的循环数即为振动疲劳的试验寿命。

该方法结合理论验固有频率跟踪控制技术确定停机标准，与实际，为振动疲劳试验寿命的确定提供了理论依据，统一了试验标准，并且在实际操作试验过程中容易操作，所得的结果安全可靠。

关键词：振动疲劳；裂纹扩展动应力强度因子；试验寿命中图分类号：V215．5文献标识码：AResearchontheConfirmationMethodofVibrationFatigueExperimentLifeYANGWan-jun，SHIRong-ming（ShenyangAircraftDesignandResearchInstitute，Shenyang110035，China）Abstract：Anovelmethodofdeterminingthevibrationfatigueexperimentlifewasproposedinthispap er．Firsttherelationshipbetweenthecracklengthandthemodalfrequencyofthealuminiu malloy2A12modelwasacquiredbyfiniteelementanalysis．Accordingtothefracturefailu rerule，thecriticalcracklengththespecimencanbecomputedatexperimentloadspectrum，thedecreasesoftheinherentfrequencywhenthespecimenfailuredcanbedetermined．Then thestoppingcriterionofvibrationfatigueexperimentscanbeconfirmedbytheinherentfrequencytrackingandcontrol-lingtechnology，andthetimeorcirclesexperiencedwhenstoppingisrightthevibrationfatigueexperiment life．Themethodprovidedtheoreticalcriterionfordetermingthevibrationfatigueexpe rimentlifebycombiningthetheoriesandapplications，andthecriterionofthevibrationfatigueexperimentwasunified．Itisalsoeasytooperat eandtheresultswasreliable．Keywords：vibrationfatigue；crackpropagation；dynamicstressintensityfactor；experimentlife9］提出以结构固有频率下降人员带来很大的困难。