哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 声一振动传感器系统隔震封装设计 摘要 声振动传感器在国防等领域有重要的应用前景，封装材料与结构在系 统封装中起着关键作用。本文利用隔震原理，设计声振动传感器系统中声 传感器的多种隔震封装结构模型。采用A n s y s 软件对各种模型进行模态分 析，研究模型结构和几何尺寸对其隔震性能的影响，确定最优隔震封装结 构；对模型的几何尺寸及橡胶隔震材料力学参数进行优化，得到使声传感器 封装体固有频率最低的优化模型，并对优化模型的隔震性能进行评估。 本文设计七种隔震封装模型，其中六种传统隔震封装模型的固有频率范 围为1 0 2 1 0 3 H z ，在传感器探测信号频率范围内( 1 0 2 1 0 4 H z ) ，容易产生 共振。在材料参数相同的条件下，新颖双J 形隔震封装模型的固有频率 ( 1 0 1 0 2H z ) 远低于传统的隔震封装模型的固有频率。本文采用双“J ” 形隔震封装结构模型，并对几何尺寸进行优化，确定固有频率最低的几何尺 寸参数为R = I 6 m m ，r = 1 2 m m ，H = 8 m m 。 利用A n s y s 软件对双“J ”形隔震封装模型模拟，优化橡胶隔震材料力 学参数，确定使模型固有频率最低的橡胶材料力学参数为：杨氏模量 Y = 1 0 0 N m ，泊松比斗= O 4 9 ，密度p = 1 2 1 0 堙m 一。 对经过几何尺寸和材料力学参数优化后的模型进行模态分析、静态分析 和瞬态分析。模态分析得出模型的前三阶固有频率的值及其对应的振动模 式：f 1 = 2 0 1 0 9 H z ，左右振动：f 2 = 6 9 6 1 4 H z ，前后振动；f 3 = 8 2 7 0 5 ，上下振 动。静态分析表明，受到集中载荷作用后，优化模型不会受到损坏，对静力 具有十分有效的隔震作用；瞬态分析表明，优化模型对瞬时冲击力具有有效 的隔震作用。本文的研究结果对声振动传感器系统的封装有重要的理论参 考价值。 关键词声振动传感器隔震封装模态分析优化模型 堕尘鎏型三奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 A n t i S h o c kP a c k a g i n gM o d e l D e s i g nf o rt h e A c o u s t i c V i b r a t i o nS e n s o r sS y s t e m A b s t r a c t T h es e n s o r v i b r a t i o ns e n s o r ss y s t e mh a sab r i g h ta n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h em i l i t a r yf i e l d ，a n di t sp a c k a g em a t e r i a la n ds t r u c t u r ep l a yk e yp a r t si nt h e s y s t e mp a c k a g i n g I nt h i sp a p e rm a n yd i f f e r e n tk i n d so fa n t i s h o c kp a c k a g i n g m o d e l sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ef o rt h ea c o u s t i cs e n s o ri nt h es y s t e mh a v eb e e n b u i l tb yu s i n go fa n t i s h o c kp r i c i n p l e T 他m o d a la n a l y s e sh a v eb e e nm a d et o s t u d yo nt h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o ne f f e c t so nt h ea n t i - s h o c kp e r f o r m a n c eo ft h e m o d e lS Oa st os e l e c tt h eo p t i m u mp a c k a g i n gs t r u c t u r e ，a n dt h eo p t i m u m p a c k a g i n gm o d e lw i t h t h el o w e s tn a t u r a lf r e q u e n c i e sh a sb e e ng a i n e d b y o p t i m i z i n gt h ed i m e n s i o no ft h em o d e la n dm a t e r i a lp a r a m e t e r so ft h er u b b e r I n t h ee n d ，t h ea n t i s h o c kp e r f o r m a n c eo f t h eo p t i m u mm o d e lh a sb e e ne v a l u a t e d S e v e na n t i s h o c km o d e l sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ef o rt h ea c o u s t i cs e n s o r h a v e b e e nd e s i g n e d ，a n ds i xo ft h e ma r et r a d i t i n a lm o d e l s ，w h o s en a t u r a l f r e q u e n c i e sa r e 10 2 10 3H z ，w h i c hi si nt h er a n g eo fv i b r a t i o ns i g n a ls c o p e l i m i t a t i o n l 0 2 1 0 4H z a n dc a ne a s i l yl c a dt or e s o n a n c ev i b r a t i o n T h en a t u r a l f r e q u e n c i e so ft h ei n n o v a t i v ed o u b l eJ - l i k ea n t i - s h o c kp a c k a g i n gm o d e lf1O 1 0 2 H z ) i Sf a rl e s st h a nt h et r a d i t i o n a lm o d e l sw i t ht h es a m em a t e r i a lp a r a m e t e r s T h ed o u b l eJ - l i k es t r u c t u r eo fa n t i s h o c kp a c k a g i n gm o d e lh a sb e e ns e l e c t e d ，a n d t h ed i m e n s i o nh a sb e e no p t i m i z e d R = 1 6 m m ，r = 1 2 m m ，H = 8 m m B ym o d a la n a l y s e so ft h ed o u b l eJ - l i k ea n t i - s h o c kp a c k a g i n gm o d e lw i t h d i f f e r e n tr u b b e rp a r a m e t e r s ，t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sh a v eb e e ng a i n e dy o u n g S m o d u l u s Y = 1 0 6 N m ，p o i s s o n Sr a t i o n ；O 4 9 ，d e n s i t y p = 1 2 1 0 3 堙聊 M o d a l ，s t a t i ca n dt r a n s i e n ta n a l y s e sh a v eb e e nm a d eo nt h eo p t i m i z e dm o d e l T h e t o pt h r e en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dt h e i rr e l a t i v eo s c i l l a t i n gm o d e sh a v eb e e n w o r k e do u tb ym o d a la n a l y s e s L e f t - r i g h tm o d e ，f l = 2 0 1 0 9 H z ；b a c k - f o r w a r d ， f 2 = 6 9 6 1 4 H z ：u p d o w nm o d e ，f 3 = 8 2 7 0 5 T h er e s u l t so fs a t i ca n a l y s e ss h o w e d t h a tu n d e rt h ec o n c e n t r a t e dl o a dt h ea n t i - s h o c ks t r u c t u r ec o u l dn o tb ec r a c k e d ， I I ! ! 堡鋈矍三当兰三兰堡圭兰堡兰兰 a n dc a na n t i s h o c kq u i t ee f f e c t i v e l y T h er e s u l t so ft r a n s i e n ta n a l y s e ss h o w e dt h a t t h em o d e lc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h ei m p u l s ef o r c ee f f e c t so nt h ec h i p T h e c o n c l u s i o no ft h i s p a p e rp r o v i d e sa l li m p o r t a n tt h e o r e t i cg u i d a n c ef o rt h e p a c k a g i n go f t h es y s t e m K e y w o r d sa c o u s t i c - v i b r a t i o n s e n s o r s s y s t e m ；a n t i - - s h o c kp a c k a g i n g ；m o d a l a n a l y s i s ；o p t i m i z e dm o d e l 。m 竺查堡矍三盔兰三兰些兰耋堡篁兰 l - 1 引言 第1 章绪论 微电子机械系统( M i c r o e l e c t r o m e e h a n i e a lS y s t e m s ，M E M S ) 是微电子学与微 机械学相互融合的产物，它将集成电路制造工艺中的硅微细加工技术和机械工 业中的微机械加工技术结合起来，制造出机、电一体甚至光、机、电一体的新 器件【1 。M E M S 技术是近年来各国十分重视的熟点技术之一，经过十多年的发 展，已取得很大的进展。各种研究表明微系统的销售收入将从2 0 0 2 年的3 5 0 亿美金增长到2 0 0 5 年的6 8 0 亿美金 2 - 5 。M E M S 器件主要是各种传感器，可用 于压力、声音、质量、运动、加速度、旋转、流速、化学反应、振动和温度等 测量，部分产品已实现批量生产1 6 1 。但还有很多M E M S 芯片却没有作为产品得 到实际应用，主要原因是没有解决封装问题。M E M S 封装技术涉及器件常具有 活动部件、尺寸小、技术要求高、难度大、费用高，因而常被忽略【7 】【”，发展 相对滞后，己成为制约M E M S 高速发展的瓶颈，因此研究M E M S 器件的封装 技术具有重要的理论意义和实际价值。 1 2 封装的作用 封装致力于将构成系统所需要的各种机械和电子器件集成化，从而达到减 小系统尺寸、降低花费、减少系统重量以及降低系统复杂程度的目的。封装提 供了器件和整个系统之间连接的界面M E M S 封装的主要作用。 1 ) 机械支撑 M E M S 本质上属于机械类，因此，在部件闲置存放和运行过程中，支持和 保护器件免受热冲击、震动、高加速运行、微粒损害以及其他物质的破坏是至 关重要的。封装承受的机械力要根据系统的应用或所要完成的任务而定。比 如，在地面发射一颗宇宙飞船要比发射一颗通信卫星产生的机械冲击力大。用 于太空的器件和用于地面的器件承受的机械力也不同。如果材料不匹配或者硅 片上产生张应力时，热冲击或热循环能导致芯片断裂和脱落分层。因此，封装 体的热胀系数应该等于或略大于硅的热胀系数以满足器件稳定性的要求。其他 重要的参数还有：封装载体的热阻，材料的电气特性，化学特性，防腐能力。 哈尔浞理工人学工学硕士学位论文 只有器件支撑在载体上，引线键合和电气互连才能进行，组装时一定要保 护器件，防止器件遭擦伤，微粒和其他物质的破坏。 2 ) 保护器件防止周围环境影响 许多M E M S 器件设计用于直接测量周围环境参数。这些器件涉及的范围 很广，从生物嗅探鼻到测量某种液体浓度的化学M E M S 都是这样。传统的用 于保护微电子器件的密封想法可能不适宜于M E M S 器件，微电子器件可直接 安放到P C B 板或混合陶瓷衬底上，并在上面设计一个“房间”，防止器件受到 诸如下落或者操作者的拇指接触之类的有害因素带来的机械破坏。环境中许多 元素能够导致封装体中M E M S 器件的金属丝或其他器件的腐蚀和实体破坏。 尽管太空中无湿气，但用于太空的M E M S 器件须考虑湿气对器件的破坏，因 为器件在制造和封装过程中有可能引入湿气，M E M s 器件对潮湿破坏的敏感性 取决于制造过程中采用的材料。如果把铝线和金线都放在潮湿的环境罩，铝会 很快腐蚀，而金腐蚀较慢。还有，不同金属连接的接点处在潮气中易腐蚀。在 M E M S 制造和芯片粘贴过程中或在封装体内使用的一些材料能吸潮。这种吸收 会导致膨胀、应力和分层。为了尽可能的减小这些失效机制，高可靠性应用所 要求的M E M S 封装可能需要用能够很好阻挡液体或气体的材料制成的基底， 器壁和盖子密封。 3 ) 对系统其他元件的电气连接 由于封装体是系统和M E M S 之间的基本界面，封装要求能传输直流电或 者有些设计要求传送射频信号。而且，封装要求把直流和射频电流分配到封装 体内的其他元件中去。通过把更多的M E M S 和其他元件集成在单一封装体内 以降低成本和减小系统尺寸的驱使使得封装体内的互连线增加了，从而也增加 了电力分配的问题。当设计要求高频的射频信号时，信号要求能够沿着穿过封 装金属壁的金属线连接，或者能够通过封装壁的孑L 电磁耦合到封装体内。在理 想情况下，系统和M E M S 之间的射频耦合没有任何能量损耗，但实际上，由 于不存在完美的绝缘体和导体，这是不可能的。而且，辐射以及由于阻抗不匹 配的器件和传输线的不连续性带来的反射也损耗了能量。通常系统与直流和高 频线的最后连接是通过引线键合实现的，然而，倒装芯片粘贴和采用薄绝缘材 料的多层互连也是可用的。 4 1 散热功能 对于小规模的信号电路。在使用过程中器件连接接点处的温度不会很剧烈 的增加，来自M E M S 的热耗散不是问题。但是如果把M E M S 和放大器等相对 大的功耗器件集成在单一封装体内，器件连接处的温度可能会上升很多，从而 竺查堡矍三奎兰三兰堡圭兰堡鎏耋 使电路运行在一个不安全的区域内。因此对于要求散热的功率放大器，其他大 规模的信号电路以及高集成的封装给封装设计带来了严重的设计***。通常要 求封装基底，芯片粘贴材料，封装载体的热阻较小，必要时还要安装散热片， 以利于传热。 1 3 封装基本工艺步骤 典型封装工艺主要步骤包括芯片粘贴或键合、互连、密封或底部填料、注 塑成型和测试p “”。在贴片之前，一般要进行圆片的切割和芯片的拾取与安放 操作。然而，在半导体业中使用的传统的割片技术不能够满足种类多样的 M E M S 器件【I “。目前还没有满足M E M S 所有切割特征的划片技术，但满足特 定需要的专用的切片技术已经开发出来。一旦芯片从圆片上切割之后，它必定 会粘贴到选择的基底材料上去，这一步的操作在引线互连之前，例如在引线键 合之前。通常这一步包括在芯片放入衬底前将粘合剂粘结层淀积在衬底材料 上，芯片安放后，进行固化，热处理和烘烤以确保粘结可靠。M E M S 器件的力 敏特性要求在芯片粘贴以及选择贴片位置有特殊的考虑。用于微电子的电气互 连主要包括引线键合，倒装芯片或焊球粘结，载带自动焊技术。引线键合是将 芯片与封装体实现电气连接的通用的方法。引线键合有两种：热压( 利用热和 压力) 和热声( 利用热和超声震动) 。这两种方法能够提供引线和垫之间形成 键合的能量。然而，由于M E M S 结构的原因，在键合过程中使用超声能可能 增加结构失效的风险。倒装焊球是将芯片顶面朝下粘贴到封装衬底上，电气连 接是通过芯片上的垫和衬底材料上的金属垫之间的凸点实现的。凸点材料可能 是金属，例如焊剂，铝以及盒或导电粘合剂。由于倒装焊球与基板直接相连， 实现了封装的小型化、轻便化，它已经成为M E M S 封装业很有吸引力的技 术，发展潜力巨大。紧跟着互连的是注塑成型或密封或底部填料。由于聚合物 材料的塑性和耐高温的特性，这类材料在M E M S 封装上用的更多。然而，聚 合物材料的热胀系数成为人们担心封装可靠性的一个原因，因为热胀系数的失 配将会导致应力的产生。在密封将互连与外部恶劣环境隔开的同时，下面添加 的胶能够用来分配芯片之间的应力以提高封装的可靠性。密封胶材料的有效选 配是将芯片级器件集成在P C B 上的关键。封装的最后一步工艺是测试。组装 完成后，要进行电气测试，机械测试和环境测试。 篁堑鋈矍三查兰三兰塑圭兰堡篁兰 1 4 封装材料及分类 M E M S 封装用的材料主要是金属，陶瓷，塑料，薄膜。按照封装所用材料 的不同将封装分成四类：完全金属封装，陶瓷封装，塑料封装和薄膜多层封 装。 金属封装常用于微波多芯片模块和混合电路，因为它有很强的热耗散能力 和杰出的电磁***能力。封装时常使用一个集成的基底和带盖的壁或者基底、 壁和盖分离。在封装体内，常要求使用陶瓷基底或芯片载体以实现相关连接。 陶瓷封装的几个特征使它既适合微电子封装又适合M E M S 封装。它具有 重量轻、块状制作容易、价格低廉的特点它能够用于密封，能够容易地集成信 号分向线和连接通道。它能够通过机械加工实现不同的功用通过将互连线和多 层陶瓷结合能够按要求改变封装的电气性能以满足设计要求，这类封装通常被 称为共烧多层陶瓷封装。 塑料封装的成本低廉，它己广泛的应用到电子封装业多年。但对于要求高 可靠性的应用除外，因为塑料封装会产生严重的可靠性问题。塑料封装密封性 不好，对于高可靠性用途来说，通常要使用密封胶。在安装到母板的表面封装 的温度循环过程中，封装对处于潮湿环境中的裂缝极为敏感。随着时间的推 移，用于太空的塑料封装可能会被人们接受。 薄膜多层封装所用的层状体是聚酰亚胺，而所采用的聚酰亚胺的相对电容 率为2 。8 3 2 。由于电容率较小，制作的层较薄，采用较少的线线耦合就可制 成相同的特征阻抗线，因此布线时采用更紧密的线间距是可能的。除此之外。 较小的电容率也使得线电容较小，从而为得到较高速电路创造了条件。 1 5M E M S 封装技术 目前主要M E M S 封装技术有倒装芯片封装( f l i pc h i p ) ，球栅阵列封装 ( b a l l g r i d a r r a y ) 和多芯片封装( m u l t i e h i pp a c k a g i n g ) ”“。 倒装芯片封装就是将芯片正面向下，通过在芯片上制作凸焊点，直接与基 板连接的技术。它已经广泛的应用到各种M E M S 封装中。其主要优点：封装 尺寸变小了，重量变轻了；适用于现有的芯片设计；提高了i o 互连密度；增 强了产品的性能。目前很多研究机构在从事倒装芯片封装的研究I 1 4 - | 6 。 球栅阵列封装是由倒装焊发展起来的一种新技术，是利用球状焊盘作为连 接点进行表面安装的芯片封装技术。其主要特点是结构紧凑，多引脚和低的感 篁查堡矍三查兰三兰堡圭兰竺篁圣 应参数，这就允许使用较低的电源电压。主要有陶瓷球栅阵列封装，塑料球栅 阵列封装和微球栅阵列封装三种。微球栅阵列封装是真正的芯片级封装，它采 用薄的柔性电路体作为它的衬底，低应力的弹性体作为模片并且固定，安装时 模片面朝下并且电路的焊盘与衬底相连接进行键合，键合后引线用环氧材料密 封迸行保护，焊锡球附着在衬底上的焊盘上形成矩形阵列，模片背面***利于 散热【1 7 】【。 在M C M M E M S 封装中最常用的两种方法是高密度互连( H D I ) 和微芯片模 块D 型( M C M D ) 封装技术。高密度互连封装的特点是把芯片埋进衬底的空 驻内，在芯片上部作出薄膜互连结构。而微模块系统M C M - D 封装是比较传统 的封装形式，它的芯片位于衬底的顶部，芯片和衬底间的互连是通过引线线键 合实现。H D I 工艺对M E M S 封装来说有很大的优越性。由于相对于引线键合来说 使用了直接金属化，芯片互连仅产生很低的寄生电容和电感，工作频率可达 1 0 H z 以上【17 1 。 1 6M E M S 封装的模拟分析 由于M E M S 器件的特殊性，有必要在此之前首先运用数学模型对各个封装 步骤和影响因素进行模拟，选择出最佳的封装材料、技术和工艺条件，这势必 会大大缩短M E M S 封装设计的周期，最大限度的节约封装的成本【。7 1 。因此， M E M S 设计常采用计算机辅助设计1 19 】。目前封装模拟分析中常用的有限元软件 有A n s y s ，A l g o r ，A b a q u s ，F e m b ，M a r c ，N a s t r a n 等。其中A n s y s 程序是由美国 A n s y s 公司开发的功能强大的有限元工程设计分析及优化软件包，是最早通过 I S 0 9 0 0 1 质量认证的分析设计类软件。该软件是美国机械工程师协会 ( A S M E ) 、美国核安全局( N Q A ) 及近二十种专业技术协会认证的标准软 件。它可进行结构分析、热分析、高度非线性结构动力分析、流体动力学分 析、电磁场分析、声学分析、多场耦合分析等。在M E M S 封装模拟分析中， A n s y s 使用的最多。如上海徽系统所的罗乐研究员等利用A n s y s 有限元软件对高 g 值加速度计的封装进行了研究f 2 0 】【2 1 】。有研究人员利用该软件对封装器件的 锡须生成进行了非线性应力分析1 2 2 1 。还有用其他软件进行的一些分析【2 3 】【2 4 】。 1 7 声传感器及封装 目前的声音传感器主要有三种：电容式声传感器，铁电式声音传感科2 5 1 和 窒堡堡呈三奎兰三兰堡圭兰堡丝兰 驻极体麦克风。研究人员采用深沟道技术研制出高灵敏的微电容式声音传感 器，并进行理论和有限元分析【2 6 J 。早在1 9 9 4 年，美国S A N D E R 公司就在研制 战场用声音传感器予系统，该子系统将由L O C K H E E DM A R T I N 公司安装到 猎潜艇上【2 ”。美国S I N G L ES Y S T E M S 公司在开展声音传感器主动噪声控制方 面的研究。但声音传感器一般要和其他传感器或后续转换电路组合才能发挥作 用。这方面的研究和应用也较多。哈尔滨工程大学水声所对小尺度声传感器的 指向性锐化技术进行了研究，并采用了声传感器和振速传感器的组合器件实现 了低频区恒定束宽窄指向性【2 ”。重庆大学研制的集成硅微声传感器将光纤和硅 微结构集成在一起，实验表明这种集成化微结构具有高的Q 值，高的信噪比及 很强的抗干扰能力。该声传感器还在研制前将设计和封装统考虑【2 ”，值得 声传感器研制人员效仿。美国洛杉矶N o h r o pG r u m m a n 公司研制的反装甲 军事装备( B A T ) 采用了声传感器和***传感器的组合系统。声音传感器用来 探测行进中的坦克和其他移动军事装备。一旦发现目标，系统立即启动***传 感器，***传感器将引导军事装备向目标发起攻击1 3 。美国R D 仪器公司也 在研制自动水下装置( A U V ) ，该装置将声传感器和其他传感器结合起来构成 一系统，能对水下多个参数进行测量。和其他传感器一样，声传感器的封装是 器件制造过程中的一个难点。声音传感器的封装主要从保护器件免受环境破坏 和器件更好的发挥效能方面来考虑。芬兰V r r 公司研制的电容式麦克风采用 了倒装焊封装【3 1 1 。水下声音传感器系统，在恶劣的海底里工作，其封装材料 应具有绝缘和防水性能【3 2 】。美国S A N D I A 国家实验室研制的探测有***化学气 体的声波传感器，其封装要求允许气体在传感器上方流动，还要求提供电气连 接。为了满足该封装要求，他们在封装体上装了一个盖子，并在衬底和盖子之 间制作一通气管道。其电气连接采用传统的集成电路电气连接方法I j ”。 1 8 本文主要研究内容和意义 声一振动传感器是采用M C M 技术封装的多功能M E M S 器件。该系统主要 由声传感器和振动传感器组成。分离的声传感器和振动传感器的研制己取得很 大的进展【3 4 - ”】，但随着器件集成化、微型化的发展，需要将声传感器和振动传 感器及其转换电路设计在一个封装体内。振动传感器用来检测振动信号，而声 传感器需避免振动的干扰以检测声音信号，封装时应尽可能降低振动对声传感 器的干扰，使声传感器检测到的声音信号不失真。因此，封装技术是该系统实 用化的关键，封装的关键在于对声传感器进行隔震，目前该方面研究还无人涉 哈尔滨理工大学工学顿士学位论文 猎，因此本课题研究具有重要意义。 本文主要研究如下内容 1 利用隔震原理，设计声一振动传感器系统中桌形、中空形、双J 形等结 构声传感器隔震封装模型，研究封装结构对系统隔震性能的重要指标固有频的 影响。 2 利用A n s y s 软件研究隔震封装模型尺寸与隔震模型固有频率的关系， 选择最优隔震封装模型并确定该模型的最佳尺寸。 3 研究橡胶隔震材料密度、杨氏模量和泊松比等主要力学参数 对几何尺寸优化的隔震模型固有频率的影响，为隔震材料的选择提 供理论依据。 4 建立结构尺寸和隔震材料力学参数优化后的模型，分别对模型进行 模态分析、静态分析和瞬态分析，初步评估模型的隔震性能。 第2 章防振橡胶与隔震原理以及A n s y s 软件 2 1 隔震材料选择 防振橡胶是利用橡胶弹性的一种“弹簧”。但我们把仅有自E h 度( 即具有 很好的稳定性) 而不是要求复原力( 即弹性作用) 的橡胶叫做橡胶座，以示与 防振橡胶相区别。防振橡胶是一种非金属弹簧，和广泛应用的金属弹簧相比， 有以下特征： ( 1 ) 三向弹簧常数 适当选择防振橡胶的形状尺寸，可以使3 个方向( 铅垂、横向、纵向) 的 弹簧常数达到所希望的数值。通常金属弹簧只能利用1 个方向的弹性作用。利 用三方向弹性作用是防振橡胶的一大特点。其原因为橡胶和有金属( 粘结板) 能够容易实现牢固的粘结，并在拉伸、压缩、剪切各个方向都能变形( 实际上 很少利用拉伸变形) 。 ( 2 ) 减振( 内摩擦) 硫化橡胶的内摩擦比金属弹簧大1 0 0 0 倍以上。为了降低谐振时的振幅， 并使由冲击产生的***衰减振动尽快停止，弹簧需要具备衰减作用。利用金属 弹簧也采取一些改进措施，如使用叠板弹簧或螺旋弹簧与液压减振器相连等， 但这些只对低频振动有效。而橡胶是通过内摩擦起作用的，即橡胶的内摩擦是 由橡胶分子和分子之间以及橡胶分子和填充剂之间的相互作用产生的，特别适 用于高频振动。 ( 3 ) 价廉 防振橡胶是用金属模制成的模制品，成批生产时单价低廉。 以上所述都是防振橡胶的优点。但是，也有下列缺点。这些缺点通过橡胶 聚合物的选样，可在一定程度上得以避免。 ( 1 ) 耐高温、耐低温性能 通常用天然橡胶制成的防振橡胶，不能在7 0 摄氏度以上的高温下使用， 但也有某些种类的橡胶聚合物能够耐受较高的温度，但要求有机化合物的橡胶 都具备和金属相同的耐高温性能，毕竟是办不到的。在高温使用的条件下，不 仅需要对橡胶材料本身，而且对粘结剂的耐高温性能都必须进行充分研究在汽 车发动机的的排气系统中倾向于安装新热源( 补偿器、催化反应器等) 的办法 塑堑鎏墨三尘兰三兰堡圭兰竺鎏：兰： 作为排气措施时，就存在上述问题。为此，制造厂家对用于发动机室和派气管 的防振橡胶的耐热问题进行了各种研究。 耐低温性能也有因玻璃化作用而***橡胶硬化，有时普通橡胶也能在5 5 摄氏度的低温下使用。 ( 2 ) 耐油性 硫化橡胶有油侵入时，会有不同程度的溶胀软化现象。但使用耐油橡胶 ( ***橡胶、氨基甲酸乙脂橡胶) 时，在矿物油中也能适应 3 8 】。 2 2 防振橡胶泊松比测量 防振橡胶材料主要力学参数有泊松比、杨氏模量、密度等。密度和杨氏模 量的测量较简单，而且有现成的测量方法，但防振橡胶的泊松比u 还没有直接 测量的实验方法，因此，需要设计泊松比p 的测试方案。本文采用W D W - I O 微机控 制电子万能试验机与游标卡尺相结合的测试方法，实现了对防振橡胶泊松比 的测量。测试橡胶样品按国家标准制作，如图2 一l 所示。 图2 - 1 橡胶样品制作图 F i g 2 一lS c h e m a t i cd i a g r a mf o rt h es a m p l er u b b e r 电子力能实验机在对橡胶进行拉伸时直接测出橡胶材料的纵向应变缈，y 值，同时利用游标卡尺测出其横向应变缸x 值，根据公式：鱼华，即可 A y Y 得出橡胶材料的泊松比“值。 2 3 震动隔离原理 2 3 1 振动外力与传递率 图2 2 a ) 为正弦波激振力作用的一维振动情形( 主动用法) 。此时通用的运 动方程式如下： 堕丝堡型三查兰三兰堡圭兰竺丝兰 m x + c x + k x = 只C O S 国t ( 2 1 ) 式中；m 一质量；c 一阻尼系数；k 一弹簧常数；x 一对平衡位置的位移。 式中右侧表示激振力。求( 2 一1 ) 式的通解 曲b ) 图2 2 单***振动系示意图 a ) 止旋波激振力作用b ) 已有正弦波位移作用 F i g 2 - 1S c h e m a t i cd i a g r a mf o rs i n g l ed e g r e e - o f - f r e e e d o mv i b r a t i n gs y s t e m a ) A p p l i c a t i o no f s i n u s o i de x c i t i n gf o r c eb ) A p p l i c a t i o no f s i n u s o i dd i s p l a c e m e n t 则得 舻衫肛可砸可 浯z a ， t a n = ( 2 专- 嚣) 0 一圳 ( 2 2 b ) 式中。= i 7 磊一固有角频率；c 。= 2 ；万= 2 m 国。一临界阻尼系数。 假如传递给的基础力是弹簧力和粘滞阻力，两者相位差为9 0 。，则合成后 的传递力振幅为：j F 丽 传涕力与激振力的振幅比称为力的传递率。 力的传递率2 鼎 ( 2 3 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 2 受迫位移与传递率 在图2 - 2 b ) 所示的一维振动系中，当基础有正弦位移波善= 磊c o s ( a t 时， m 羔+ c 王+ k x = c f + | i f ( 2 4 ) 氏= k ，再正可 x 一，网| F 蓊砸习 Q 书 如将质量与基础的位移振幅比称为位移的传递率，则位移的传递率和力的 传递率都可用( 2 - 3 ) 式表示，速度、加速度的振幅比也同样。因此，力与位 力的传递率。磊 - 。， 图2 - 3 为力的传递率在不同阻尼系数下与叫的关系图，振动隔离时的 传递率至少也应小于1 ，而且要尽量小。所以从图2 - 3 看出，选择国。时，应使 ， 托。 2 3 3 防振橡胶与传递率 以上是如螺旋弹簧那样的线性和液压减振器的线性粘滞阻力的传递率。在 。 j 的范围内c c 。值小时所得结果有利( 传递率小) 。但对于防振橡 胶，机械振动频率比频率特性过渡区低得多的低频范围内，J i 与振动频率无 詈： 堕釜堡型三奎兰三兰堡圭兰堡鎏耋 关， 而且伽可近似地视为常数。此时， 令k ，：k ， k ：= 雠，= t a n d = k 2 k 。= 叫t 即得2 三旦：! 兰：，传递率可用式( 2 6 ) 表示： 雠棼燕 6 ) 图2 - 4 为不同损耗系数下传递率与/ o o / 。的关系。在这种情况下可以看 出，在州。 4 5 的范围内，值大时并不象线性粘滞阻力的情况那样不利 ( 传递率大) 。相位角庐是位移x 对激振力P 的滞后角，损耗角万是防振橡胶起 作用时传递力F 与位移x 的相位滞后角，P 与F 之间相差一个惯性力m x 。 0 2 ( o 。 1 时庐万 2 3 4 振动隔离 根据( 2 - 6 ) 式或图2 4 ，可确定两种使。值小的方法。一是选择k 。值 小：另一种是增加基础质量，使m 值变大。机械在起动和停止是要通过谐振 点，所以适当加大损耗系数是有利的( 通常停止时容易谐振) 。 k 值选择过小时，谐振振幅会过大( 主动用法) ，防振橡胶的静态变形也 过大，往往有不稳定的情况存在。实际上如令腼。= 3 ，则得传递率z 0 1 3 ， 这一般情况下可大致达到振动隔离目的。 此外，当激振力P ( f ) ( 或受迫位移) 存在周期性时，虽不是F 弦波，也可 按傅立叶级数把它展开。 ，o P o ) = 2 + E ( a 。c o s n c o t + b 。s i n n o t ) ( 2 7 ) 哈匀 滨理工大学工学硕士学位论文 此时，着眼于最低的频率1 7 lc o s r o t + 6 ls i n r o t 按正弦波振动选定r o 。；若 q “0 ，b l 0 则着眼于第2 项a 2c o s 2 c o t + 6 2s i n 2 r o t 。 己c O ；0 9 露l ，材 ，矗， 势 勿 盐 图2 - 3 传递率和阻尼系数 F i g 2 - 2t r a n s m i s s i b i l i t ya n dd a m p i n gf a c t o r 2 3 5 固有振动频率 巾叼 一 m f I M 一0 j L 、 闰2 - 4 传递率与损耗系数 F i g 2 - 3t r a n s m i s s i b i l i t ya n dl o s sm o d u l u s 振动隔离的要点是适当选择固有频率( 赫) 。但只有上下动的固有频率 才可根据机械自重所引起的弹簧( 防振橡胶) 静挠度瓦( 厘米) 求出。 K ：巫， ：罂( 赫) ( 2 8 ) 2 蓄万5 两懈 叫 这里需要注意的是，推导( 2 8 ) 式时假定静态和动态弹簧常数相同，这 一假定对于防振橡胶来说是不正确的，从而( 2 8 ) 式只作为估算公式口8 1 。 瞽瘸霉糕辙 瞽瘸霉糕辙 竺竺堡矍三查兰三兰堡圭兰堡墼兰 2 4A N S Y S 有限元分析软件 2 4 1A N S Y S 软件概述 A N S Y S 公司由J o h nS w a n s o n 博士创立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾夕法 尼皿州的匹兹堡，A N S Y S 有限元程序是该公司主要产品。 A N S Y S 软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元 分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、 能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地 矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 A N S Y S 程序功能强大，应用范围很广，其友好的图形用户界面( G U I ) 及优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于M o t i f 标准的G U l l 可方 便地访问A N S Y S 的多种控制功能和选项。通过G U l 可以方便地交互访问程 序的各种功能、命令、用户手册和参考资料。同时该软件提供了完整的在线说 明和状态途径的超文本帮助系统，以协助有经验的用户进行高级应用。 2 4 2 有限元法简介 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方 法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连 接。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求 得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程 式，然后将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条 件后即可对方程组求解。 “有限元法”这一名称是1 9 6 0 年美国的C l o u g hRW 在一篇名为“平面 应力分析的有限元法”论文中首先使用的。4 0 年来，有限元法的应用已由弹 性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问 题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性 和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。由于计 算机的飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。 兰玺鎏翌三奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 2 4 。3A N S Y S 软件环境 A N S Y S 有两种模式：一种是交互模式( I n t e r a c t i v eM o d e ) ，另一个是非交 互模式( B a t c hM o d e ) 。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建 模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若 分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用 它的非交互模式进行分析。 运行该程序一般采用I n t e r a c t i v e 进入，这样可以定义工作名称，并且存 放到指定的工作目录中。若使用R u nI n t e r a c t i v eN o w 进入还需使用命令定义 工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的 分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用I n t e r a c t i v e 进入交互模式。 进入系统后会有6 个窗口，提供使用者与软件之间的交流，凭借这6 个窗 口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与 打印。整个窗口系统称为G U I ( G r a p h i c a l U s e r I n t e r f a c e ) ，如图2 - 4 所示。 各窗口的功能如下： 1 应用命令菜单( U t i l i t yM e n u ) ：包含各种应用命令，如文件控制 ( F i l e ) 、对象选择( S e l e c t ) 、资料列式( L i s t ) 、图形显示( P l o t ) 、图形控制 ( P l o t C t r l s ) 、工作界面设定( W o r k P l a n e ) 、参数化设计( P a r a m e e r s ) 、宏命令 ( M a c r o ) 、窗口控制( M e n u C t r l s ) 及辅助说明( H e l p ) 等。 2 主菜单( M a i nM e n u ) ：包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负 载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。 3 工具栏( T o o l b a r ) ：执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。 4 命令输入窗口( I n p u tW i n d o w ) ：该窗1 3 是输入命令的地方，同时可监视 命令的历程。 5 图形窗口( G r a p h i cW i n d o w ) ：显示使用者所建立的模块及查看结果分 析。 6 输出窗口( O u t p m W i n d o w ) ：该窗1 3 叙述了输入命令执行的结果。 2 4 4A N S Y S 功能简介 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 幽2 4A N S Y S 窗口系统G U I 示意图 f i g 2 - 4A N S Y Sw i n d o w ss y s t e mG U ls h e m a t i cd i a g r a m 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理 场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析 能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒 子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方 式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 2 4 4 1 前处理模块P R E P 7 双击实用菜单中的 P r e p r o c e s s o r ，进入A N S Y S 的前处理模块。这个模块 主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模 A N S Y S 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。 自顶向下进行实体建模时。用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱 柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图 元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及
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