印刷電路板的熱結構分析

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前言

印刷電路板的熱結構分析的圖1

印刷電路板通常由 多層層壓材料起加強結構強度的樹脂材料粘合而成,類似于層合板結構, 層間鋪設金屬線路,以及有垂直穿過這些層的 金屬通孔,作為電路板外接口。
這樣一個印刷 電路板熱結構分析問題,傳統(tǒng)的方法是對這些層合板(實體單元)、導電線路(殼單元)、外接金屬通孔(殼單元)進行 一 一建模,這其中涉及到復雜的耦合和接觸問題,而且電路板中包含大量 導電線路、 外接 ,如下圖示,這樣的建模分析方法費力耗時。

印刷電路板的熱結構分析的圖2

印刷電路板的熱結構分析的圖3

本文基于 獨立網(wǎng)格增強單元技術( Mesh-independent reinforcing element technology),并通過使用mesh200單元無縫的創(chuàng)建了印刷電路板中的鋪設線路&導電通孔,這其中不涉及復雜的接觸和耦合的復雜性。因此 ,獨立網(wǎng)格增強單元技術為含這種內(nèi)嵌入的結構的模型建立和網(wǎng)格劃分提供了一個很好的選擇。

在芷行說公眾號中汽車充氣輪胎的路面滾動模擬》一文中也利用了增強單元技術來建立輪胎內(nèi)部的起結構加強的鋼絲。

為了讀者更容易理解獨立網(wǎng)格增強單元技術,芷行會在下期文章中進行詳細的講解和案例分析,敬請期待。

這樣的一個印刷電路板的熱結構分析包含:1.由電子器件產(chǎn)熱流在結構中傳遞;2.由于熱不均勻性導致的電路板結構變形。因此主要分析有:

  • 求解由熱邊界條件引起的熱分析

  • 解決溫度負載引起的結構分析

關鍵仿真模擬技術特征:
  • 獨立網(wǎng)格增強單元技術

  • 含嵌入式增強單元模型的建立(如電路板中的銅線結構、輪胎中的鋼絲結構)

計算結果

印刷電路板的熱結構分析的圖4

計算結果最重要的是溫度分布結果,如下。

印刷電路板的熱結構分析的圖5

模型建立

印刷電路板的熱結構分析的圖6

完整有限元模型建立的思路是:
1.建立基礎層合板網(wǎng)格和電路以及導電孔面網(wǎng)格;
2.層合板網(wǎng)格使用的SOLID70單元類型修改為支持 增強單元技術的SOLID278單元;
3.建立MESH200單元,定義MESH200截面類型為增強單元類型、基于網(wǎng)格定義截面信息;
4.將電路&導電孔網(wǎng)格單元類型修改為3中定義的MESH200
5.選擇2中定義的SOLID278單元和3中定義的MESH200單元, 在solid278網(wǎng)格和mesh200單元相貼附處生成增強單元,此時,可以理解為電路&通孔網(wǎng)格已經(jīng)貼附在層合板基本網(wǎng)格模型上了。
具體如下:
1、基本網(wǎng)格模型建立
這里采用外部網(wǎng)格文件將基本網(wǎng)格導入,包含層合板網(wǎng)格(SOLID70)和層合板間嵌入的鋪設電路&導電孔網(wǎng)格(SHELL131和LINK33)。

印刷電路板的熱結構分析的圖7

2、層合板基本網(wǎng)格修改為SOLID278單元

! Change all SOLID70 to SOLID278
et,2001,278
esel,s,ename,,70
emod,all,type,2001
alls

3、建立MESH200單元定義截面類型截面信息

et,3001,200,6    ! MESH200 4 node quad for reinforcement
sect,3001,reinf,smear  ! 截面類型為增強單元型
secd,1,0.042,,,,mesh   ! 增強單元截面信息(材料, 厚度,纖維方向等)
secc,,1,1    

4、電路&導電孔網(wǎng)格單元修改為3中定義的MESH200

esel,s,enam,,131
emod,all,type,3001
emod,all,secnum,3001

5、生成增強單元(EREINF命令)

esel,s,ename,,278        ! select solids
esel,a,ename,,200        ! also selection MESH200
egid,3001
ereinf            ! generate reinforcement elements

本文中電路和導電孔采用不同的截面信息,定義方法同上一致。

材料參數(shù)

印刷電路板的熱結構分析的圖8

銅材料(金屬導線&通孔)

印刷電路板的熱結構分析的圖9

層壓板材料

印刷電路板的熱結構分析的圖10

樹脂材料

印刷電路板的熱結構分析的圖11


邊界&載荷條件

印刷電路板的熱結構分析的圖12

穩(wěn)態(tài)熱分析中將熱載荷施加在模型中某個代表嵌入式銅走線單元上。

印刷電路板的熱結構分析的圖13

對流邊界條件(Convection boundary conditions)應用于印刷電路板的頂面和底面。

印刷電路板的熱結構分析的圖14

印刷電路板的熱結構分析的圖15

穩(wěn)態(tài)熱分析后的下游結構分析中電路板兩端自由端固支,并取消熱對流邊界。

印刷電路板的熱結構分析的圖16

求解設置

印刷電路板的熱結構分析的圖17

這樣的一個印刷電路板的熱結構分析包含兩部分內(nèi)容:

  • 求解由熱邊界條件引起的熱分析

  • 解決溫度負載引起的結構分析

1.熱分析求解設置(常規(guī)設置)

! Other solution settings
autots,onnsub,1,10,1
time,1.
outres,all,all
esel,s,type,,1859
cm,_elmisc,elem
esel,all
outres,misc,all,_elmisc
cnvtol,heat,,.001,,1.e-003    ! 熱流收斂控制
fini

2.結構分析求解設置

進行結構分析需要將熱分析中的熱單元重新定義回結構單元,使其具有結構自由,讀取熱分析后的溫度文件。

! Read in temperatures from thermal analysisldread,temp,,,,,,rth !讀取溫度分布文件并作為載荷。
nlgeom,on
cnvtol,u
cnvtol,heat,-1
nsub,5,100,5
resc,define,all,1
outres,all,all
esel,u,ename,,152
SOLVE
fini

全文結束,感謝閱讀。

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印刷電路板的熱結構分析的圖18

印刷電路板的熱結構分析的圖19


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