基于有限元分析的电子部件热应力仿真方法
基于有限元的车载电路板多场热应力分析
２ ０ １ ７年 １ ２月
武
汉
Байду номын сангаас
纺
织
大
学
学
报
Ｖｌ ０ ｌ － ３ ０ ＮＯ ． ６ Ｄｅ ｃ． ２０１ ７
Ｊ ０ ＵＲＮ Ａ Ｌ ０Ｆ Ｗ Ｕ Ｈ ＡＮ ＴＥＸ ＴＩ ＬＥ ＵＮ Ｉ ＶＥＲ ＳＩ ＴＹ
基 于有 限元 的车载 电路板 多场 热应力分 析
１ 研 究对象与有 限元模型
本 文中有限元模型实体来源于某品牌轿车发动机模块 中的一部分 ，位于发动机和驾驶室之间。如图 １ 所示 ， 印制电路板长 １ ７ ３ ａ ｒ ｍ， 宽１ １ ２ ｍ ｍ， 厚度 ２ ｍ ｍ， 电路板上主要有两个边长分别为 １ ５ ｍ ｍ和 ２ ２ ａ ｒ ｍ的正 方形芯片 ， 和若 干长方形小芯片。具体 电路板组件模型和芯片的编号如图 ２ 所示 。该 电路板由印制电路板 基板 、 硅芯片 、 电容和电线能元件构成。 其 中主要的发热和受热影响的是芯片 ， 电容和电线因其功耗较小 ， 故忽略不计。 为了提高分析计算的效率 ， 在有限元建模 时将电路板 中功率较大 ， 发热较高的芯片保 留下来 。
关键词 ：车载 电路板 ；热载荷 ；芯片；热应力
中图分类号 ：Ｔ Ｎ３ ０ ６ 文献标识 码 ：Ａ 文章编号 ：２ ０ ９ ５ —４ １ ４ Ｘ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６ —０ ０ ７ ６— ０ ５
Ｏ 引 言
车 载 电子 与机载 电子在 服役 过程 中 ，不可 避免 地会 遭 受高 温 、振 动 、潮湿 等 恶劣 环境 的影 响 。根 据美 国Ａ ｉ ｒ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ａ ｖ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ｉ ｔ ｙ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ 的统计 数据 所 列举 出的影 响 电子设 备可 靠性 的主要 环境 因素 中 ，温度
红外焦平面探测器热应力的有限元仿真方法分析
第50卷第4期2020年4月激光与红外LASER&INFRAREDVol.50,No.4April,2020文章编号：1001-5078(2020)04-0429-06-红外技术及应用•红外焦平面探测器热应力的有限元仿真方法分析李雪梨，张磊,付志凯(华北光电技术研究所，北京100015)摘要：以64x64红外焦平面探测器为例，构建了包含探测器芯片、铟柱、填充胶和读出电路的全尺寸有限元仿真模型，与探测器芯片、填充层和读出电路的简化模型进行对比。
研究表明，两种模型在芯片热应力的变化趋势上保持一致。
由于铟材料与碲镉汞材料之间的热膨胀系数相差较大，随着芯片尺寸的增大，铟柱的影响逐渐增加，填充层简化模型计算得到的芯片热应力与全尺寸模型的热应力的差距会越来越大。
关键词：焦平面探测器;热应力；有限元分析中图分类号:TN215文献标识码:A DOI：10.3969/j.issn.1001-5078.2020.04.008Analysisonfinie%%lm%nem%ehodofeh%rmalser%sfor infrared focal plane detectorLI Xue-li,ZHANG Lei,FU Zhi-kai(North China Research Ins/tute of Electro-Optics, Beijing100015,China)Abstraci:A full-scale simulation model of64x64infrared focal plane detector was established in this paper,which includes chij,indium bumps,underfill and readout circuit,to compare with a simplified simulation model including chip,mixed underfill layer and r eadout circuit.Results show that the two models are consistent in the trend of chip thermal stress within a certain range.As the thermal expansion coefficients of indium and HgCdTe are quite ddferent, the effect of indium bumps increases with the increase of chij size,and the gap of chip thermal stress between the simplified model and full-scale model will alse be laraer and laraer.Keywords:focal plane detector；thermal stress；finite element analysis1引言红外焦平面探测器自20世纪90年代发展起来后，由于其灵敏度高、环境适应性好、抗干扰能力强等优点，被广泛地应用于国防安全、环境监测、工农业生产等各个方面。
毕业设计(论文)换热器热应力耦合及有限元ansys分析
摘要换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。
化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。
在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。
为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。
因此，对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。
传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。
随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。
结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。
ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。
关键词：换热器；有限元；ANSYS；散热片Heat exchanger coupled thermal stress analysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction and convection heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation. Therefore, thermal stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of computer technology, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the heat sink conditions, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：Heat control；Finite element；ANSYS；Heatsink目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论............................ .. (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机仿真技术的发展 (1)1.3 热分析方法的选择 (2)第二章课题相关知识介绍 (4)2.1散热片知识 (4)2.1.1散热片的材质比较 (4)散热片结构的设计 (4)2.2有限元分析理论与ANSYS (6)有限元分析理论 (6)有限元常用术语 (7)架构及命令 (7)分析典型过程与功能 (8)2.2.5 国内外发展状况 (9)有限元热分析原理 (9)第三章ANSYS三维模拟计算过程 (13)3.1 散热片模型及几何尺寸 (13)3.2 ANSYS有限元分析进程 (14)环境简介 (14)的建模过程 (15)操作条件的确定 (15)边界条件的确定 (15)计算结果与分析 (16)第四章结论 (21)谢辞 (22)参考文献 (23)附录：散热片模型建模程序 (24)第一章绪论1.1 引言热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。
基于MATLAB平台有限单元法的铸造热应力数值模拟
节点自由度向量。
单元几何关系：
占＝兄Ⅱ
（２）
式中：占为单元应变，￡为单元几何微分算子。
单元本构关系：
ｏ＝／ｒ（８一ｓｏ）
（３）
式中：ｏｒ为单元应力，伊为单元弹性矩阵，ｓ。为等效初
应变（本构关系在考虑温度变化的情况下，温度产生
和数组运算以及面向对象编程的能力，而且拥有效率 高、易学易用、使用方便、可扩充性强、移植性好等 优点。用有限元法求解热应力场，求解的关键在于大 型刚度矩阵的组装和大型线性方程组的求解。 ＭＡＴＬＡＢ强大的矩阵和数组计算能力，对于处理有限 元中刚度矩阵的集成以及大型线性方程组的求解，有 着其他编程语言难以比拟的优势——简洁、准确而且 高效。因此，通过ＭＡＴＬＡＢ内置的强大的矩阵计算和 大型线性方程组求解的能力，可以迅速地开发出基于 有限元法的热应力场计算模型。同时，作为一种数学 编程语言ＭＡＴＬＡＢ直观易学，其代码非常符合人们的 思维习惯，被称为“演算纸式”编程语言，因此以 ＭＡＴＬＡＢ开发程序，具有掌握快、开发迅速、调试简 便等一系列优点。故使用ＭＡＴＬＡＢ作为有限元热应力 模拟程序开发语言，对于探索正确的开发思路，提高 开发效率，缩短开发周期，有着重要的意义。 １．２研究技术路线
本文基于热弹塑性力学模型进行铸件热应力场分 析。首先生成铸件模型的ＳＴＬ文件，并将其导人华铸 ＣＡＥ，进行铸件温度场模拟，得出铸件温度场文件。 同时，将三维造型的ＳＴＬ文件导人自主开发的有限元 前处理程序，进行有限元网格剖分，得到包含有限元 网格几何信息的几何文件。然后，将由华铸ＣＡＥ得到 的铸件温度场文件作为温度载荷，联合铸件有限元网 格几何文件、铸件高温力学参数文件、铸件力学边界 条件一同导人基于ＭＡＴＬＡＢ平台开发的有限元法热应 力场计算核心程序，经计算得到包含每个节点三个主 应力和等效应力的铸件应力场文件。最后，通过自主 开发的后处理程序，以三维图像色标的形式，将铸件 整体变形和铸件上各点的等效应力显示出来，从而得 到了铸件的形变和热应力场。所采用的技术路线如图１ 所示。
基于有限元法的MEMS加速度计热应力分析
ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｕｇ ｅ ｔｏ ｏ ｈ ｒ ｃ ｓ ｒ ｕ ｏ ｗａ ｄ， ｉ ｈ ｃ ｎ ｐ ｏ ｉ ｅｅ ｅ ｃ ｒｔ ｅ ｐ ｒｅ ｔｏ ｆｔ ｅａ ｃ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｎｔｓ ｇ ｓｉｎｓｆｒｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓａ ｅ ｐ ｔｆｒ ｒ ｗｈ ｃ ａ ｒ ｖｄｅｒ ｆ ｒ ｎ ｅ ｆ ｈ ｅ ｆ ｃｉｎ ｏ ｈ ｃ ｅ — ｏ ｅ ｏ ｔ ｒｔ ｍｐ ｒ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ｎｄ ｒ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ａ ｅ ｌ ｒ ｍｅｅ ． ｒ ｍｅｅ ｅ ｅ ａｕｒ ｏ ｅ ｓ ｔｏ ｄ ｌａ ｅ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ｅ ｅｅ ｏ ｔ ｒ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ＥＭ Ｓ； ＥＭ ； ｃ ｅｅ ｏ ｔｒ ｔ ｅ ｍ ａ ｔｅ ｓ ｙｗ ｒ Ｍ Ｆ ａ ｃ ｌ ｒ ｍｅ ｅ ；ｈ ｒ ｌｓｒ ｓ
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基 于 有 限 元 法 的 ＭＥ ＭＳ加 速 度 计 热 应 力 分 析 术
游 侠 飞 吴 昌聚 ， 阳 明 金 仲 和 ， 郑 ，
ｔ ｅ ｍａ ｔｅ ｓ ｈ ｖ ｅ ｎ ｓｍｕ ａｅ ｎ ｎａｙ ｅ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ． ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈａ ｈ ｒ ｌｓｒ ｓ ａ ｅ ｂ ｅ ｉ ｌｔ ｄ ａ ｄ ａ ｌ ｚ ｄ． ｎ ｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌｓ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ｔ ｈ
基于有限元分析的电力设备热仿真模型研究
基于有限元分析的电力设备热仿真模型研究1. 引言电力设备的热仿真模型研究对设备的可靠性和性能优化具有重要意义。
本文将基于有限元分析方法，探讨电力设备热仿真模型的研究，以及其在实际工程应用中的价值。
2. 有限元分析方法2.1 有限元分析原理有限元分析是一种以有限单元法为基础的数值计算方法，通过将复杂结构分解为多个简单的有限单元，以近似的方式来模拟实际的物理过程。
2.2 有限元分析在电力设备热仿真中的应用有限元分析在电力设备热仿真中被广泛应用，可以用于模拟电力设备内部的温度分布、热传导以及热辐射等过程，从而帮助工程师优化设备的散热设计和材料选择。
3. 电力设备热仿真模型的建立3.1 设备几何模型的建立在建立电力设备的热仿真模型时，首先需要将设备的几何形状进行建模。
可以使用CAD软件进行三维建模，或者根据设备的尺寸和形状进行简化建模。
3.2 材料参数的设定热仿真模型的准确性与材料参数的设定密切相关。
材料参数包括热导率、比热容、密度等，可以通过实验测试或者文献调研来获取。
3.3 边界条件的设定边界条件是指在热仿真模型中设定的温度边界和热流边界。
通过合理设定边界条件，可以模拟实际工况下的热传递过程。
4. 电力设备热仿真模型的求解4.1 传热方程的建立电力设备的热仿真可以根据传热方程来描述。
常见的传热方程包括热传导方程、热对流方程和热辐射方程等。
4.2 有限元离散化将传热方程进行离散化得到一组代数方程，然后通过求解这组代数方程得到设备内部的温度分布。
4.3 仿真结果分析利用有限元分析软件进行仿真计算后，可以对仿真结果进行分析，如温度分布图、热流分布图等，以评估设备的散热性能。
5. 电力设备热仿真模型的应用电力设备的热仿真模型广泛应用于实际工程中，具体包括设备散热设计优化、设备性能预测、故障诊断等方面。
5.1 设备散热设计优化基于热仿真模型的计算结果，可以评估现有的散热设计方案，并通过优化设计来提高设备的散热能力，降低温度升高对设备性能的影响。
换热器热应力耦合分析有限元分析
第一章 课题相关知识介绍2.1散热片知识散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。
一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。
2.1.1散热片的材质比较就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。
不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。
虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。
目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。
铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。
而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。
有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。
对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。
北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。
散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为：)(1)(0mH th m h m h mH th m A H Hλλθλ++=Φ （2—1）式中：Φ ——散热量，W ；λ ——肋片导热率，W/（m.K ）；A ——肋片的横截面积，2m ；0θ——肋基过余温度，C 0；m —— 肋片组合参数，Azm λα=H h ——肋端处的对流换热系数，W/（2m ·K ）；H ——肋高，m 。
基于有限元仿真的冰箱门体热应力分析
技术·创新/Technology and Innovation基于有限元仿真的冰箱门体热应力分析张卫卫 张魁仓 鲍 敏（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）摘要：冰箱门体的结构多是依靠经验进行设计，在门体发泡、高低温试验中经常会出现门体饰条开裂、变形等现象，需要经过多次设计与试验验证，造成设计成本高、周期长等问题。
通过有限元仿真的方法，在冰箱门体设计过程中进行热应力分析，模拟门体发泡、高低温试验温度场，可以有效减少门体设计过程中的缺陷，降低设计成本、缩减设计周期。
关键词：冰箱门体；热应力；有限元；分析Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｄｏｏｒ ｉｓ ｍｏｓｔｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ． Ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｆｏａｍｉｎｇ， ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔ， ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｔｒｉｍ ｓｔｒｉｐ ｏｆｔｅｎ ｏｃｃｕｒ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｃｙｃｌｅ． Ｌｏｎｇ ｗａｉｔ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｄｏｏｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｆｏａｍｉｎｇ ａｎｄ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｙｃｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｄｏｏｒ；ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ； ａｎａｌｙｓｉｓＴｈｅｒｍａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ Ｄｏｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ引言冰箱门体是通过多个零部件拼接并填充发泡剂进行发泡制造而成，是冰箱的重要组成部分，其外观直接影响冰箱质量的优劣。
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刘 维 维 张 亚 李 波 何 荣 华 苏 步鹏 ， ， ， ，
（． １ 中北 大 学机 电工程 学院 ， 山西 太原 ０ ０ ５ ；． ６ ４ ３ ０ １２ ６ ４ ０部 队 ， 河北 石 家庄 ０ ０８ ） ５ ０ １
失效的原因及其失效过程的不足， 提
出基于 Ｃ Ｍ０ ｗ０Ｒ ＯＳ Ｓ ＫＳ有 限元 分析软件 的引信 电子部件热应力 仿真方法 。该方法是 热结构 的耦 合运算 ， 包 括热分析和热应力分析 。首先根据温度循 环试 验剖面图定义参数 ， 包括分 析类型 和选项 、 材料属性 、 施加 载荷 和约束 ， 划分 网格 ， 然后 应用软件的热分析功能求解 在一 定边界条件下 的温度场 ， 将温 度场 的计 算结果作 为热 载荷再进行热应力仿真 ， 求解热应力应变分布 。快速温变循环强 化试验表 明 ： 真结果符合 实际 ， 仿 通过热应 力
仿真能够直观快速地发现引信电子部件的失效原 因 ， 了解失效过程 ， 解决引信可靠性承受快速温变能力差 的问
题， 为分析引信 电子部件 的热失效机制 、 优化其结构 、 提高引信可靠性 提供 了理论依据 。
关键 词 ： 引信； 电子部件； 热应力仿真； 可靠性
中图分类 号 ：Ｊ３ 文献标 志码 ： 文章编 号 ：０８１９ （０１０－ ４－ Ｔ４ Ａ １０—１４２１ ）２ ０５ ６ ０ ０
Ｔｈ ｒ ａ ｔｅ ｓＳ ｍ ｕ ａ ｉｎ ｏ ｚ ｅ ｔｏ ｉ ｍ ｐ ｎ ｎｔ ｅ ｍ ｌＳ ｒ ｓ ｉ ｌ ｔｏ ｆＦｕ ｅ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｃｏ ｏ ｅ ｓ
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第３ ３卷 第 ２期 ２ １ 年 ４月 ０１
探 测 与 控 制 学 报
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ＶｏＩ ３ ． ． ３ ＮＯ ２
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基 于 有 限 元 分 析 的 电 子 部 件 热 应 力 仿 真 方 法