應用應變量測以實驗模態分析建構具多電子元件之印刷電路板的模態振型技術開發

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研究生：	李竑毅 Hong-Yi Lee
論文名稱：	應用應變量測以實驗模態分析建構具多電子元件之印刷電路板的模態振型技術開發 Development of Mode Shapes of Printed Circuit Board with Muti Electronic Components by Experimental Modal Analysis in Strain Measurement
指導教授：	趙振綱 Ching-Kong Chao 黃育熙 Yu-Hsi Huang
口試委員:	趙振綱 Ching-Kong Chao 黃育熙 Yu-Hsi Huang 徐慶琪 Ching-Chi Hsu 張瑞慶 Rwei-Ching Chang
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 機械工程系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2023
畢業學年度：	111
語文別：	中文
論文頁數：	188
中文關鍵詞：	實驗模態分析、快速傅立葉轉換、自然頻率、模態振型、顆粒勁、電子光斑干涉術、印刷電路板、有限元素法、抑振
外文關鍵詞：	Experiment modal analysis, mode shapes, finite element analysis
相關次數：	點閱：157 下載：9
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實驗模態分析方法廣泛應用在工程需進行模態動態特性識別的領域，在本論文主要目的為利用量測到的實驗數據進行訊號處理後，根據結構的自然頻率以及模態振型等結果，找到結構模型相對應需要進行振動抑制的地方。本研究主要與康舒科技股份有限公司產學合作，對電源供應器印刷電路板之振動，探討電源供應器在運轉下其底板需要進行振動抑制的位置，避免電路板的訊號接腳因振動加速度過大而造成系統效能受到影響。研究中使用有限元素軟體(Abaqus)進行振動模擬分析，建立電路板與其元件模型並利用自然頻率分析方法，進行印刷電路板的模態分析，也為了減少電源供應器模型的零件於接觸條件設定以及模擬所需時間，本研究也將板上零件簡化為質量點設定方法，最終應用實際的邊界條件輸出結果，並且與實驗量測進行相關性比較研究。
本研究所採用的實驗方法主要利用應變規黏貼在印刷電路板，藉由動態應變量測建立應變實驗模態分析模型，主要擷取應變規量測的數據進行時頻分析，經由快速傅立葉轉換( Fast Fourier Transform，FFT )找到電路板模型的自然頻率，同時結合顆粒勁(Kriging)之數據統計處理方法，將單個節點數據轉成完整平面顏色輪廓圖，獲得自然頻率下的模態振型；此外，在未含電子零件的電路裸板的模態振型，於本研究當中也使用全域式電子斑點干涉術( Electric Speckle Pattern Interferometry，ESPI )進行即時觀測不同頻率下的振形量測，記錄平板振動的共振頻率與模態振型，比較模擬結果進一步確認實驗模態分析的準確性。本研究最後鎖固電源供應器之外殼，尋求實際邊界條件與電子元件的動態耦合條件，藉由應變規量測電路板上的共振頻率並比較有限元素分析模擬結果，期望啟動風扇造成振動的實際應用條件下，可找出結構較佳的抑振點。

The experiment modal analysis method is widely used in engineering studies. The main purpose is to utilize measured experimental data and signal processing to identify the mode shape of the corresponding frequency in a structure. This study tends to solve the industrial problem of AcBel Polytech Inc., focusing on the vibration of the printed circuit board (PCB) in a power supply of computers. The goal is to identify locations on the PCB that require vibration suppression to prevent lower efficiency during operation because the protection starts up from the detection of enormous acceleration on the edge connector. The finite element method software (ABAQUS) is used to calculate the vibration analysis, and the modal analysis of the PCB is conducted using the natural frequency in ABAQUS. To reduce the complexity of contact conditions and simulation time, the electronic components on the PCB are simplified as mass points with dynamic coupling boundary conditions. The results from the finite element method are compared with experimental results. In this thesis, the experimental method is mainly attaching strain gauges on the PCB to identify the experimental modal analysis. The measured data from strain gauges is processed using Fast Fourier Transform (FFT) to obtain natural frequencies and correspondent mode shapes of the board. The Kriging method is used to transform rare nodal data as the full-field contour showing in the color band. Furthermore, Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) is used for real-time measurement, recording of the mode shapes, and resonant frequencies. The experimental results are further validated with the results in the simulation. Finally, the natural frequency obtained from finite element analysis is compared with experimental measurement on the board when the fan operates with an aluminum case assembly. The effectiveness of vibration suppression is evaluated by an operating power supply and determined from the results of LDV measurement.

中文摘要    I
ABSTRACT    III
誌謝    V
目錄    VI
圖目錄    IX
表目錄    XV
第一章 緒論    1
1 研究動機與目的    1
2 文獻回顧    2
3 論文內容簡介    6
第二章 有限元素軟體簡介與理論公式推導    8
1 ABAQUS軟體簡介    8
2 自然頻率分析基礎理論    8
3 推導樑理論自然頻率公式    13
4 快速傅立葉轉換分析理論    15
第三章 懸臂樑實驗模態分析與模擬結果    17
1 實驗原理    17
2 實驗架設    21
3 實驗結果與討論    24
4 有限元素懸臂樑之分析    29
4.1 分析模型設定    29
4.2 材料參數與網格設定    30
4.3 模擬分析結果與討論    31
5 理論分析方法    34
5.1 理論分析方法與結果    34
6 結果比較    34
6.1 自然頻率結果比較    35
6.2 模態振型結果比較    37
第四章 印刷電路板模態分析    39
1 前言    39
2 實驗模態分析原理    39
3 實驗架設    40
4 實驗結果    47
4.1 模態振型結果    52
5 結合顆粒勁以及卡爾曼濾波方法之結果    55
6 ESPI電子斑點干涉術    60
6.1 實驗原理    60
6.2 實驗架設    61
6.3 實驗結果    64
7 有限元素印刷電路板之分析    68
7.1 分析模型設定    68
7.2 材料參數與網格設定    69
7.3 模擬分析結果與討論    72
8 結果比較    75
8.1 自然頻率結果比較    76
8.2 模態振型結果比較    78
9 討論    81
第五章 印刷電路板加入零件模態分析    82
1 實驗原理與架設方式    82
2 實驗結果    87
2.1 自然頻率結果    88
2.2 模態振型結果    91
3 有限元素分析方法之設定    94
3.1 加入零件之模型設定(質量點、耦合約束)    94
4 模擬結果與討論    100
5 結果比較    106
5.1 自然頻率結果比較    106
5.2 模態振形結果比較    107
6 討論    109
第六章 電源供應器模型模態分析    112
1 前言    112
2 實驗模態分析原理與架設    112
3 實驗結果    117
3.1 自然頻率結果    118
4 LDV雷射都卜勒實驗原理與架設    121
5 實驗結果    124
6 有限元素分析之設定    128
6.1 加入外殼之邊界條件設定    131
7 模擬結果與討論    133
8 結果比較    136
8.1 自然頻率結果比較    136
9 討論    138
第七章 結果討論與未來工作    139
1 結果討論    139
2 未來工作與發展    140
參考文獻    141
附錄一    144
附錄二    186
A.應變規(Strain Gage)規格    186
B.雷射都卜勒振動儀規格    187

                                

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