振动仿真软件已经过优化，专门处理印刷电路板。
克雷格Armenti，Mentor Graphics是西门子的一家公司
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为了了解振动问题对产品设计的影响，美国空军估计，20%的航空电子设备机械故障是由冲击和振动引起的。这种程度的故障对任何一种产品来说都是一个问题，但对于昂贵的设备来说，拥有较长的使用寿命尤其具有挑战性。例如，军用航空电子设备预计将持续使用10到30年。
无论其使用寿命的长度如何，可靠性对大多数产品变得重要。虽然手机只有18至36个月的预计寿命，但它们仍然必须在那段时间内可靠地工作。幸运的是，工程师知道电子设备中的冲击和振动故障的原因。它们主要由破碎的部件引线，破裂的焊点，元件裂缝的开裂，镀孔开裂，断路痕迹，板分层和电气短路。
振动仿真后的设计视图。特殊算法预测特定组件由于经过测试的振动水平而导致的特定组件的概率，并以红色（顶部）突出显示它们。在后处理器模拟输出（中间和底部）中呼出最坏情况的变形。
数学关系已经发展到将各种元件的疲劳寿命与它们所在的PCB的动态位移联系起来。其中一些关系非常简单，可以发展成经验法则。例如，设计师长期以来一直遵循所谓的八度法则，即底盘的自然共振频率应该至少是PCB的自然频率的一个八度。
然而，数学的经验法则只能到此为止。大多数设计团队依靠物理测试来揭示这些问题。物理振动和加速度测试，即高加速生命周期测试(HALT)，提供了一种确保产品可靠性和识别由环境因素引起的潜在故障的方法。它发生在批量生产之前，需要专业的技术人员。HALT测试涉及到应用比实际产品要高得多的疲劳，因此在产品经过严格测试时，会出现故障并识别出弱点。然而，这个过程是昂贵的和破坏性的，可能需要长达4个月的时间，而每个设计平均需要3万美元(美元)或更多。
对于军事装备，HALT在资格测试之前进行。军用产品(以及运输和机械)是为高可靠性而制造的，它们必须在最恶劣的环境中发挥作用。因此，他们的HALT工作往往是严峻的，在一系列的环境条件下进行。
值得注意的是，对于特定类型的产品没有一组停止规范。暂停程序根据压力定义，特定产品将看到，有多少样品可用，在预期应力期间的电路是哪些电路，等等。HALT计划通常包含增量温度胁迫水平，快速热转变，增量振动应力以及这些条件的组合。
然而，也存在一些复杂的因素:根据测试箱的不同，结果可能会有所不同，这可能掩盖了可能导致现场故障的问题。此外，由于费用问题，通常只有少数样品需要通过HALT。
通过模拟改进验证
因此，难怪，那么，有一个举动可以开发模拟器，能够预测PCB和电子器件如何在振动和加速度中表现。该软件不会消除对停止的需求。但它可以突出布局的潜在问题，因此设计团队可以减少停止费用，让可靠性专家有更多的时间来专注于更严格的问题。桥接电气和机械设计学科，振动和加速度模拟可以缩短设计周期，并有助于提高产品可靠性。
在振动和加速度模拟过程中，该软件通常在各个方向施加加速度载荷。为了提高效率，分析与组件的放置同时进行。通过自动读取物理堆叠和板材料以及组件重量和边界条件，软件简化了模拟设置。用户只需要定义扫描频率和约束条件或边界条件使用的模拟。最后，模拟让用户直接看到谐波频率和施加在所有可能导致故障的组件上的应力。
作为一种最好的情况，在布局域内有两种快速设计模拟的选择:首先，振动模式计算相对应力和变形值，以查明元件引线和引脚接触区域的薄弱环节。这些结果可以稍后转化为潜在组件失效的概率。第二，恒定加速度模式提供线性静态分析，将恒定加速度应用于设计。这种分析可以找到von-Mises应力、变形和安全系数，所有这些都可以稍后转换为组件的合格/失败值。
一旦识别出故障的部件，动画电路板型号的后处理器接口可以帮助确定导致零件故障的确切变量和因素。简化后处理器视图可以突出显示有问题的零件，因此设计人员可以注意到并纠正潜在的组件故障。该设施允许工程师或设计师没有产品可靠性专业知识，以轻松破译疲劳和振动问题。
高级视图模式可以让产品开发团队确定失败的直接原因。除了让设计人员自定义虚拟原型的可视化之外，后处理实用程序提供了一种配置关键区域的变形强度的方法，因此设计人员可以直接查看电路板的变形。板的变形可以是动画的，所以设计人员可以看到振动分析期间板的弯曲和移动。
典型案例
一些例子显示了模拟可以消除或减少的物理测试类型。在一个案例中，一家公司通过将样品运往世界各地的多个目的地，然后再返回来测试其产品的运输压力。没有问题的退货被认为是可以接受的。如果出现问题，就修改设计，重复物理测试的过程。
为了测试使用过程中的问题，另一家公司将其产品固定在仓库地板上，并进行物理振动分析。当然，这个过程是昂贵的，耗时的，并且具有潜在的破坏性。
设计包含大连接器的板的第三家公司将在没有连接器的情况下运行物理测试，以便为所需的测试夹具腾出空间。不准确的测试环境产生了假阳性结果。
虚拟振动和加速度仿真比物理试验结果更可靠。现代模拟器包含了一种故障预测算法，以及快速和准确的全自动有限元分析。
实质上，模拟器在PCB布局阶段期间运行虚拟停止序列。该模拟有助于可视化和识别有问题的部件，检测在物理测试期间错过的故障阈值的组件，并分析PIN级Von-Mises应力和变形以确定故障概率和安全因素。此外，设计人员可以模拟所有设计，而不是那些高风险的设计。
总而言之，在布局域中的每个板上运行虚拟模拟的能力让工程师和设计人员在董事会进入制造商之前早期检测到产品开发过程中的问题。
Xpedition模拟HALT测试的几张截图。在模拟之后，程序列出了失败的组件(上)。高级视图模式将变形强度和应力强度绘制到导联水平(中间)。在变形视图模式下，板可以通过动画来查看预定义频率范围内的六轴振动行为(下)。
虽然振动模拟已经存在很长时间了，但直到最近这些模拟器的版本才被专门优化用于PCB设计。在这方面，西门子的Mentor公司提供了Xpedition Design for Reliability (DFR)，这是第一个针对PCB设计的振动和加速度仿真包。它是专门为PCB布局设计优化。它的组件建模库包括超过4000个3D实体模型，用于创建高度定义的模拟部件。3D库允许用户轻松地将几何图形匹配到他们的2D单元数据库。设计师可以在板上组装零件模型，并自动啮合它们进行性能分析，包括任何所需的加强筋和机械部件。
专利后处理器技术可以让设计师快速查看高失效概率的组件，并分析边界条件、材料特性和环境概况。为了模拟应力，Xpedition对每个分量施加一个力矢量。这些信息用于确定施加在特定组件上的应力，并了解是否存在潜在的故障。目前，这是寻找组件故障的早期分析。设计师可以看到整个板的应力强度和变形，以及任何由于放置而导致的失败。
当出现问题时，该程序可以让设计人员轻松地移动组件。尽管这可能是人工智能的时代，但仍是人类操作员必须看到结果并确定解决方案。Xpedition (DFR)提供分层的结果，使过程更容易，并提供可视化动画。
最后，值得注意的是，Xpedition (DFR)采用的网格尺寸是大多数普通力学分析软件的4到8倍。这有利于精确建模，通常在包含32 GB RAM的系统上工作得最好。
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