為什么要做抗振設計

一旦產品過了質保期，基本就進入了“偶然失效期”，這個階段產品發生故障的概率進入比較低的階段。那么這個階段，產品一般在穩定使用，也不會出現搬運，高低溫（室內設備）的考驗。通過下圖，可以看出，電子設備的故障由于環境應力的因素比重。

隨機振動,我們可以看到其在失效原因中排在非常靠前的位置。

電子設備在運輸使用過程中，會受到各種機械力的干擾，有周期性的振動，也有非周期性干擾，還有做非直線運動時受到的加速度和無規則運動對設備產生的隨機振動干擾。這些惡劣的機械環境都可能造成傷害，其中最大的傷害就是振動和沖擊。

由于電子設備內部電子元器件的種類和數量都比較多，許多元器件承受的機械環境的能力都較弱，因此機械作用力而引起設備損壞和故障率也很高。故在進行電子設備的結構設計時，因根據使用場合，了解環境條件對設備的影響。采用針對性的措施，以低成本的方式解決傷害問題。

結構抗振設計

1、結構設計時應該提高結構剛性：

a）框架結構應盡量采用三角形穩定結構；

b）避免在大面積的支撐結構上連續開孔

c）竟可能采用焊接、鑄造結構，在使用螺栓連接的場合，應具備足夠的緊固力并有防松脫措施。

d）設備內部的各個組件的剛度應該與整體保持一致，薄弱環節需要做加固處理。

2、避免共振

a）當振動源的激勵頻率很低的時候，應增強設備結構的剛性，提高設備及元器件的固有頻率和振動源激勵頻率的比值，使得隔振系數接近于1，以防止發生共振。

隔振系數：

根據激振源的不同，隔振可分為兩類。對于本身是振源的設備，為了減少它對周圍機器、儀器和建筑物的影響，將它與支承隔離開，以便減小傳給支承上的不平衡慣性力，稱為積極隔振，又稱主動隔振。水泵、發動機、鍛錘機械等的隔振就屬此類。積極隔振系數ηz表示積極隔振效果；它等于隔振后傳到地基上的力除以未隔振時傳到支承上去的力。對于振源來自支承振動的情況，為了減少外界振動傳到系統中來，把系統安裝在一個隔振的臺座上，使之與地基隔離，這種措施稱為消極隔振，又稱被動隔振。車輛的乘座、精密儀器的安裝、環境運輸的包裝、艦艇上導彈發射架的隔振等都屬此類。消極隔振系數ηb表示消極隔振效果，它等于隔振后機器設備的振幅除以支承運動的振幅。隔振系數小表示隔振效果好。兩類隔振系數的計算公式是相同的。

對于單自由度隔振系統，

式中η為隔振系數；ωj為激勵頻率，ωn為隔振系統固有頻率；c為粘性阻尼系數，cc為臨界阻尼系數。

隔振系數公式可用圖1中的曲線表示。從圖上可以看出：

①只有當頻率比λ> 時，才有隔振效果，且隨著λ增加，隔振效果也逐漸增大，實用中取λ=2.5?5；

②增大阻尼可以減小機器在起動和停車過程中經過共振區（見線性振動）的振幅，但在時，阻尼的增加反而減小隔振效果；

③常用的隔振器材由于阻尼系數不大，在λ=2.5?5范圍內計算隔振系數時，可按無阻尼情況考慮。

隔振系數公式依據下列假設：機器或設備是剛體，地基是無限大的剛體；隔振器由無質量的線性彈簧和無質量的粘性阻尼器組成。實際情況和假設有出入，故隔振系數的實際公式也同理論公式有出入。近代研究發現隔振器在用于低頻激振時很有效，但用在高頻時效果不夠理想。當激振力頻率增大時，隔振系數的曲線中出現了一系列峰值（圖2）。主要原因是高頻振動在結構中以彈性波形式傳播，激起了結構介質的波動效應。為了改善高頻時的隔振效果，除采用波動效應小的橡膠彈簧代替金屬彈簧外，目前還發展了雙質量隔振系統，并已用于艦船等設備中。

圖2考慮波動效應后的隔振系數曲線

有時被隔振的機械或儀器可能受到幾個方面的激勵（見振動），此時隔振設計應按多自由度系統進行，即應考慮被隔振物體的直線振動、扭轉振動以及它們之間的耦合振動。

b）隔振設計要點

隔振設計的要點是：首先要對環境振源進行調査，包括振源類別、量級、方向和頻率范圍等項目；其次根據隔振體本身的重量和隔振要求，按頻率比λ≥2.5?5進行計算，選擇減振器型式、裝配方式和參量（阻尼系數、剛度）；最后用儀器測試校核隔振效果，驗算隔振系數。

常用的隔振器材有天然或人造橡膠制品、金屬彈簧制品、不銹鋼絲網制品以及近十年出現的多種高分子化合物的粘彈性材料制品。這些器材既可用來隔振，又能起抗沖、降噪作用。

把機械安裝在合適的彈性裝置上以隔離機械振動傳播的措施。依振源的不同有兩種性質不同的隔振措施(圖1)。如果機械本身是振源，應使它與支承隔離，以減少對周圍的影響，這稱為主動隔振。如振源來自支承的運動，為減少外界振動對機械的影響，須使支承與機械隔離，這稱為被動隔振。

隔振系數η表示隔振的效果。主動隔振系數ηz與ηb概念不同，但計算公式相同。其值越小隔振的效果越好。對于單自由度隔振系統式中λ=ωj/ωn為頻率比,即激勵頻率ωj與隔振系統固有頻率ωn之比，ζ為阻尼比。根據隔振系數曲線（圖2）：①無論阻尼大小,只有當頻率比時才有隔振效果，而后隨λ的增加隔振效果逐漸增加,實用中取λ=2.5～5已經足夠；②增大阻尼可減小機械在起動和停車過程中經過共振區時的振幅，但在后，增大阻尼反而減小隔振效果；③由于一般隔振材料阻尼系數不大,在λ=2.5～5范圍內計算隔振系數時,可按無阻尼情況考慮。具體的隔振措施有設置彈性支撐物和防振溝等。對于隔振效果要求很高的精密儀器，一般采用多層隔板；對于多向激勵、多種響應的復雜隔振系統，則要考慮直線振動、扭轉振動和它們之間的耦合，隔振系數須按多自由度模型進行計算。當頻率比λ變化較大時，如寬頻帶激勵和重量變化大的機械，采用非線性隔振系統可以收到較好的隔振效果。在隔振設計中，根據振源振動量的大小、方向和頻率,以及被隔振機械的尺寸、重量和隔振要求，確定隔振裝置的參數和結構型式。

隔振材料選用

隔離振動所用的材料一般有軟木、毛氈、泡沫乳膠、橡膠、金屬彈簧和空氣彈簧等。相應地也形成了海綿隔振墊、橡膠隔振器、金屬彈簧隔振器、空氣彈簧隔振器等。空氣彈簧隔振器固有頻率接近1Hz，是一種比較理想的高效能隔振器，但輔助系統太復雜，僅用在有特殊要求的精密儀器上。目前在電子設備中廣泛使用的是橡膠隔振器和金屬隔振器。

橡膠隔振器是以金屬作為支撐骨架，并與橡膠在壓模內硫化而成的。它具有較大阻尼（對高頻振動的能量吸收有特效）、造價低、且制造比較簡單方便，所以應用比較廣泛，在早期的艦艇上應用非常普遍。但橡膠本身的性質受溫度、光照、油性環境等影響比較大，容易老化，現在已經逐漸被金屬隔振器所取代。采用三維庫侖阻尼和粘性復合阻尼的新型橡膠隔振器改變了結構，能在低頻有效地抑制共振，當振動頻率高于12-15Hz時具有良好的隔離效果，對沖擊衰減也很明顯，已經在聲吶、雷達、車載電臺上廣泛采用，但由于要給橡膠件以變形空間，所以尺寸較大。

金屬隔振器對環境條件反應不敏感，不易老化、性能穩定，設計和計算比橡膠的容易，但它的阻尼過小，容易傳遞高頻振動，在經過共振區時，設備會產生過大的振幅，有時需要另加阻尼器或在隔振器中附加零件作為摩擦元件形成阻尼。電子設備中經常采用的GS型全金屬鋼絲繩隔振器，如圖2所示，它是利用多股鋼絲繩之間相對滑移而產生的非線性干摩擦滯后，來大量吸收和耗散系統運動能量，以改善系統運行的動態平穩性，保護設備安全工作的。這種隔振器尺寸較小，在比較狹小的場合內比較合適，例如航空、航天領域的電子設備中，在艦艇上也大量應用。

在電子設備中另一種常用的金屬隔振器是GWF型無諧振峰隔振器，其典型結構如圖3。它采用剛度擬合技術和干摩擦阻尼技術來實現低固有頻率、無共振放大、并可兼顧緩沖的結構設計，調節螺旋簧可以調節隔振器的載荷，調節阻尼簧可以調節阻尼特性，因而可實現在三個座標軸方向全頻帶（例如0～5000Hz）內無諧振峰。

橡膠隔振器：承載能力低，阻尼大（阻尼系數0.15~0.3）有蠕變效應，可做成各種形狀。

空氣彈簧隔振器：剛度由壓縮空氣的內能決定。阻尼系數0.15~0.3

金屬彈簧隔振器：承載能力高，變形量大，剛度小（阻尼系數0.01），水平剛度較豎直剛度小，易晃動。

泡沫橡膠和泡沫塑料：彈性強，剛度小，阻尼系數為0.1~0.15，固有頻率可設計的很低，承載能力低，性能不穩定，易老化

c）盡量提高設備的固有振動頻率，電子設備機柜的固有頻率應為最高強迫頻率的兩倍，電子組件因為機柜的兩倍。如艦船和潛水艇的振動頻率一般的振動頻率為12~33Hz，機柜固有振動頻率應該不低于60Hz，電子元器件的固有頻率應該高于120Hz。

電路抗振設計

1、選擇剝離強度高的基板材料

PCB基板剝離強度測試：

2、PCB采用大面積的焊盤和導電圖形。

3、對元器件采用局部或者整體加固。

4、必要時PCB加金屬框架

5、電阻器安裝應該考慮由于溫升導致的膨脹，電阻器好固定電容器的重量大于15g時，不得用引線作為支撐，引出線的元器件的端部到焊點的距離不得超過25mm。

6、凡是依靠自身引線支撐的元器件，軸向引線元器件每根引線承載重量不得大于7g，徑向引線元器件每根引線承載重量大于3.5g時，需要加固；單體重量大于31g時，需要加固。并且注明加固方法：粘固、綁扎。

7、沖擊振動環境惡劣的情況下，PCB設計面積尺寸不宜過大。否則，采用結構加固措施。

8、加固材料

a）加固材料一般采用單組分硅橡膠，特殊要求元器件采用透明環氧樹脂加固。

透明環氧樹脂是雙組份的膠凝材料，按體積比：A組比B組=2.5ML比1ML即A組25克，B組10克；按質量A組比B組=3g比1g。使用時兩組混合后一定要順同一個方向攪拌均勻到位。一般透明樹脂都自帶消泡劑，如氣溫過低或滴加后產品有氣泡需抽真空，進行排氣。抽真空時最好加防護罩，避免污染，全生產過程注意不要弄臟產品。偏大的產品會有明顯的體積收縮。一般25攝氏度60-80分鐘固化。

b）加固材料的相容性控制：硅橡膠加固時，不能選用聚氨酯類圖層，硅橡膠與這類圖層附著力差，容易剝落；應選用郵寄硅類圖層。

c）加固時，產品黏附部分呈水平狀態，防止平穩；加固材料低于引線與PCB連接處，或者元器件與PCB之間的位置。固化，形成支撐物24h后，以60度烘烤半小時，出去揮發性副產物，實現氣體排出，結構結實。