“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應用大賽優秀作品展示

本屆仿真應用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創新實踐，充分展現了仿真技術的無限潛能。我們將陸續為大家分享獲獎佳作，帶您一同領略仿真賦能創新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。

作品名稱：基于多物理場仿真技術的高速動車用功率器件主端子連接結構設計與評價

作者： 曾祥浩 | 中車株洲電力機車研究所有限公司 仿真高級工程師

關鍵詞：高速動車 ，IGBT，多物理場仿真，Ansys

作者說

Ansys人機交互友好，界面簡潔，使用邏輯符合仿真一般流程。同時，Ansys包含多個功能模塊，能夠支持機電熱磁多物理場仿真，功能強大，是仿真融入正向研發，指導故障分析的重要幫手。

為了提高高速動車服役環境下功率器件主端子連接結構的服役可靠性，本文通過有限元分析對IGBT器件主端子結構焊層的疲勞可靠性進行研究，并且運用不同的理論預測焊層疲勞壽命并通過功率循環試驗進行了驗證。結果表明，隨著主端子焊層孔洞率的增加，循環周次會降低，但影響并不明顯。隨著主端子焊層厚度逐漸增加，循環周次呈現出先增加后減少的變化規律。在功率循環過程中，主端子結構焊層的退化表現為灰色含Sn相的粗化，采用基于能量的Darveaux模型進行分析更加符合功率器件主端子結構焊層的退化過程。故在主端子結構中，影響其服役壽命的主要因素為焊層厚度。

挑戰/需求

IGBT廣泛應用于軌道交通等高可靠性領域，其封裝熱應力引發的失效多發生在連接部位。本文針對高速動車IGBT真實工況，基于Ansys工具，采用多物理場仿真研究主端子連接結構可靠性，重點分析連接層孔洞與厚度的影響，并通過功率循環試驗驗證結果。

使用工具：Ansys Workbench, Ansys Mechanical

最終成果

基于Ansys 軟件，采用子模型與生死單元技術，對IGBT器件在功率循環工況下進行多物理場仿真，并通過相關理論評價關鍵結構可靠性。結果表明，基于能量的Darveaux模型進行分析更加符合功率器件主端子結構焊層的退化過程。

主端子結構焊層可靠性主要受焊層厚度影響而孔洞率影響不大，故在器件結構設計與制造中優先控制好焊層厚度，同時可以允許一定的孔洞率，本仿真工作有效指導了器件的設計與制造。

參賽作品一覽

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