耦合负载分析与空间及其他电路可靠性

耦合载荷分析用于评估航空航天中的结构可靠性，其结果应用于检查PCB设计选择。

航天器的结构可靠性就是分析静态和动态载荷。确定性静态和准静态载荷，如起飞时的加速度和飞行器本体上的气动压力，易于预测和分析。只要这些载荷确实是确定的和静态的，飞行器的响应就可以很容易地预测和设计来承受这些载荷。

随机或周期性加载不容易检查。由于结构中设备之间的机械耦合，结构的不同部分之间可能会发生反馈，这可能会激发复杂的共振。其结果是在系统的特定部分产生强烈的意外振动，包括在电子元件中。

在极端情况下，长时间的振动会引起疲劳或拉伸破裂。如果你从机械系统的耦合负载分析中得到一些结果，那么你就可以确定电子设备可能经历的负载振幅和频率。如果你能设计你的电子设备来承受这些负载，你就能确保你的电路板在飞行中不会故障。

什么是耦合荷载分析?

耦合载荷分析是一种用于动态加载模拟的有限元模拟技术。目标是确定系统上的外部随机和周期性负载如何转化为系统组件上的负载和应变。这种形式可靠性仿真用于航天器的运载火箭，因为这些系统在飞行过程中经常经历随机和周期性加载。耦合载荷分析是一种瞬态(即谐波)分析，涉及航天器、发射装置和内部部件的合并有限元模型。

这里的术语“耦合”是指系统内的线性和非线性机械反馈，可以产生复杂的振动响应。随机加载可以进行频谱分解，随机加载中的任何频率分量都可以由于机械互连在系统其他地方引起共振振动。同样的思想也适用于周期性(即正弦)加载，其中谐波强迫函数使系统的一部分产生共振．各部件的强烈振动响应可引起疲劳破坏或极端情况下的拉伸断裂。

由于实际结构的非线性力学响应，随机和周期加载可以激发次谐波共振，其中高频载荷产生低频振动。计算出的响应和计算出的最小和最大水平可用于系统组件的机械设计选择，包括航天器中的pcb。振动测试结果和耦合载荷分析结果对于识别可能需要重新设计的系统部分都很重要。

航天飞机的每个部分都与所有其他部分机械相连。耦合负载分析向您展示了一个部分中的负载如何影响所有其他部分(包括pcb)中的负载。

耦合负载分析在PCB设计中的应用

耦合载荷分析并不直接用于PCB设计，因为它是一种结构技术。相反，耦合负载分析和振动测试的结果可用于确定哪种类型的组件可能最适合您的下一个航空航天PCB，以及焊料类型您应该进行选择。您的目标是设计电路板，使设计负载满足某些规格，这些规格与测试负载和合格负载有关。换句话说，你的机械要求你的板应该提供一定的安全边际防止故障。

哨兵3号卫星计划中使用的设计载荷的机械安全余量被设置为1.32，尽管可能需要一个更保守的值。合格荷载是由耦合荷载分析得到的预期荷载，而试验荷载是在振动试验中对结构所施加的实测荷载。最初的哨兵3号计划定义了三个颜色编码的区域，与这三种类型的负载相关。这种颜色编码仍然很有用，因为它允许您识别系统的哪些部分需要加强或重新设计。

后振动测试并得到耦合负荷分析结果，对系统需要重新设计的部分进行分类。由于复杂的机械耦合，系统某一部分的重新设计可能会改变系统另一部分的测试和鉴定负载。在PCB中，重新设计可能需要发生在组件级或基板级。

级资格

通孔组件通常用于航天器，因为通过衬底封装，焊点的机械强度更高。您可能会发现，在重新设计期间，从表面安装组件到通孔组件的简单交换提供了足够的安全边际以防止故障。

基板为通孔组件提供了一些额外的机械支撑。

基材材料鉴定

虽然在航天器PCB设计中通常考虑焊点强度和失效，但在强随机载荷下，电路板本身也会振动或变形。板本身甚至可以包括在耦合载荷分析。结果会告诉你哪种类型的材料是PCB的最佳基板选择。较大的振动幅度可能会促使使用具有更强抗疲劳性的材料，因为您不希望发生疲劳失效。然后，您可以根据基底材料的塑性变形强度和极限拉伸强度来确定结果。

一旦您确定了您的新板的机械要求使用耦合负载分析，您将需要全套的PCB设计和分析软件创建你的板子。Allegro PCB DesignerCadence提供行业标准的PCB设计工具分析工具套件．您将有机会获得所需的设计功能，以创建强大，持久的电子产品。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．