熱疲勞
金屬材料由于溫度梯度循環(huán)引起的熱應(yīng)力循環(huán)(或熱應(yīng)變循環(huán)),而產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象,稱為熱疲勞。金屬零件在高溫條件下工作時,其環(huán)境溫度并不恒定,而有時是急劇反復(fù)變化的。由此造成的膨脹和收縮若受到約束時,在零件內(nèi)部就會產(chǎn)生熱應(yīng)力(又稱溫差應(yīng)力)。溫度反復(fù)變化,熱應(yīng)力也隨著反復(fù)變化,從而使材料受到疲勞損傷。塑性材料抗熱應(yīng)變的能力較強,故不易發(fā)生熱疲勞。相反,脆性材料抗熱應(yīng)變的能力差,熱應(yīng)力容易達到材料的斷裂應(yīng)力故易受熱沖擊而破壞。(2)裂紋走向可以是沿晶型的,也可以是穿晶型的;一般裂紋端部較尖銳,裂紋內(nèi)有或充滿氧化物。(4)裂紋源于表面,裂紋擴展深度與應(yīng)力、時間及溫差變化相對應(yīng)。(1)環(huán)境的溫度梯度及變化頻率越大越易產(chǎn)生熱疲勞。(2)熱膨脹系數(shù)不同的材料組合時,易出現(xiàn)熱疲勞。(3)晶粒粗大且不均勻,易出現(xiàn)熱疲勞。(4)晶界分布的第二相質(zhì)點對熱疲勞的產(chǎn)生,具有促進作用。(6)零件的幾何結(jié)構(gòu)對金屬的膨脹和收縮的約束作用大,易出現(xiàn)熱疲勞。
熱分析,又稱熱模擬,是利用數(shù)學(xué)手段,在電子產(chǎn)品的設(shè)計階段獲得溫度分布的方法,它可以使電子產(chǎn)品設(shè)計人員和可靠性設(shè)計人員在設(shè)計初期就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷,從而改進其設(shè)計,為提高產(chǎn)品設(shè)計的合理性及可靠性提供有力保障。
熱分析需建立電子產(chǎn)品溫度場和流場的數(shù)學(xué)模型,并對其求解,由于求解的復(fù)雜性,熱分析大都采用軟件來完成。國外有很多公司已經(jīng)開發(fā)了電產(chǎn)品熱分析軟件,并且大多數(shù)已經(jīng)商品化。應(yīng)用軟件進行熱分析的基本步驟為:
(a)根據(jù)或設(shè)計要求建立熱分析模型,確定邊界條件;(b)劃分網(wǎng)格,進行計算,迭代直到收斂為止;(c)后處理,以報表、圖形或動畫的形式觀察溫度場。熱分析軟件雖能較準(zhǔn)確的獲得溫度場的分布,但在應(yīng)用過程中可能存在建模不合理,輸入?yún)?shù)的不準(zhǔn)確等原因而導(dǎo)致熱分析誤差較大,不能滿足工程要求。
熱分析模型建立的不準(zhǔn)確,會導(dǎo)致較大的熱分析誤差,不能滿足工程要求。對于準(zhǔn)確的模型,如果過于復(fù)雜,又會占用大量的計算機資源和計算時間;如果過于簡單,則計算結(jié)果可能會忽略大量的細節(jié),而達不到分析的目的。建模的策略是由重要到次要,由簡單到復(fù)雜。即從最重要的入手,比如確定整體布局,對壁、外殼、開孔、功耗、電路板等進行建模;在這基礎(chǔ)上,再加入其它較重要的影響因素,比如器件的布局與建模,外殼與外界的熱交換等等;對重點分析部位進行詳細建模(例如對關(guān)鍵發(fā)熱元器件進行三維詳細建模);對于次要因素,進行粗略建模,甚至忽略掉(例如對于發(fā)熱很小或不發(fā)熱的元器件)。
輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確與否,極大地影響著熱分析結(jié)果。輸入?yún)?shù)主要包括材料的熱傳導(dǎo)率、元器件的熱功耗、初始條件等等,其中傳導(dǎo)率等可通過查工程熱設(shè)計手冊、實驗或反復(fù)修正來得到,初始條件可通過測量得到,熱功耗可以通過查產(chǎn)品手冊或電路仿真的方法得到。
劃分網(wǎng)格的多少在一定程度上影響著熱分析的結(jié)果,通常網(wǎng)格劃分的越多,則計算精度越高,但網(wǎng)格過多計算時間將過長,而精度得不到明顯的提高。因此應(yīng)靈活運用網(wǎng)格劃分技術(shù),在重要部位(如溫度梯度高的位置,芯片位置等)進行局部加密,在不規(guī)則形狀處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。作為一個示例,采用某熱分析軟件對一個板級電路進行熱分析。
圖1 某印刷電路板的熱分析模型
在電路板的屬性菜單設(shè)置電路板的幾何尺寸、層的厚度和電路板中金屬部分的傳導(dǎo)率(例如銅的傳導(dǎo)率為388W/m.K)等參數(shù)。 如是穩(wěn)態(tài)熱分析,初始條件可設(shè)為0,如不是穩(wěn)態(tài)分析,可設(shè)置開始時刻的溫度值;設(shè)置每個器件的功耗;器件的熱傳導(dǎo)率,對于詳細建模的器件還應(yīng)分別輸入其金屬部分的熱傳導(dǎo)率和非金屬部分的熱傳導(dǎo)率;電路板的工作環(huán)境條件,包括電路板在機箱中的位置、空氣流動情況、鄰近電路板或機箱壁的熱效應(yīng)等。 進入網(wǎng)格劃分菜單,選擇相鄰網(wǎng)格間的寬度和高度,計算機自動劃分網(wǎng)格。 進入后處理菜單,可選擇多種查看結(jié)果的方法。例如溫度分布圖,溫度梯度分布圖,等溫圖等,圖2為該電路板的溫度分布圖,以不同的顏色代表不同的溫度值。
圖2 某印刷電路板的溫度分布圖
91質(zhì)量網(wǎng)開發(fā)了專業(yè)的分布式多學(xué)科協(xié)同可靠性仿真軟件(了解更多內(nèi)容,請本公眾號回復(fù)“分布式仿真”),在熱疲勞可靠性仿真分析方面,已在核工業(yè)、航空、風(fēng)電、兵器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
熱疲勞可靠性分析是熱疲勞分析與可靠性分析的一體化,在分析時,很多情況下難以直接建立應(yīng)力、應(yīng)變、位移等與載荷、材料、結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系,往往需要借助熱分析CAE工具進行分析,這種情況下反映為功能函數(shù)與基本隨機變量的關(guān)系是隱式的。
從可靠度計算的角度分析,模擬法和響應(yīng)面法一般只需要獲得功能函數(shù)在給定樣本點的值,這些值可以借助熱分析CAE工具分析獲得,再對結(jié)果進行統(tǒng)計來計算可靠度;一次可靠度法不僅需要計算功能函數(shù)的值,還需要獲得功能函數(shù)關(guān)于隨機向量的梯度。
利用熱分析CAE工具進行可靠性仿真計算,必須解決以下2個問題:
(1)可靠度計算程序?qū)岱治鯟AE軟件的封裝和調(diào)用,以實現(xiàn)功能函數(shù)值的計算;
(2)梯度的計算,這可以在獲得功能函數(shù)值的基礎(chǔ)上采用有限差分法計算。
因此關(guān)鍵是實現(xiàn)利用熱分析CAE工具實現(xiàn)功能函數(shù)值的計算。
有兩種實現(xiàn)可靠性仿真計算的思路:抽樣仿真和迭代仿真,如圖3所示。
圖3 可靠性仿真的流程