焊點失效
關注創建者：CAE追夢者 創建時間：2019-11-03
焊點失效的實例教程
焊點作為連接鈑金件的重要組成，碰撞中隨著鈑金件的變形，焊點受到的并不是單一載荷的作用，而是一種復合載荷，包括拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩，如圖1 所示。這些載荷的綜合作用會導致焊點連接功能或承載功能的失效。
圖1 焊點受力示意圖
根據焊點的實際受力情況，將復合載荷的作用分解為多個單向載荷的組合作用，構建基于力的焊點失效準則:
根據對失效準則中參數的分析，基于力的焊點失效判據將單個焊點的復合受力模式分解為拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩。不同的載荷類型選用對應試驗方式，通過十字拉伸試驗獲得焊點的軸向最大失效力，一字剪切試驗獲得焊點的切向最大失效力，折邊剝離試驗獲得最大剝離彎矩，扭轉試驗獲得最大平面扭矩，各試驗方式如圖2 所示。本文中選取1. 6mm 厚的U1500 熱成型鋼板與1. 0mm 厚的B250P1 的搭接組合作為失效判據有效性的研究對象，根據不同的工況對該搭接組合進行力學性能試驗，所獲得的焊點失效參數如表1所示。
圖2 焊點力學性能試驗
通過在CAE 模型中對焊點添加失效判據，解決了汽車碰撞有限元模擬中難以準確預測焊點失效的問題。基于焊點力學性能試驗獲取的焊點失效參數建立焊點失效判據; 通過多焊點部件的仿真與試驗對比，驗證了焊點失效判據的有效性。結果表明，添加焊點失效判據能反映真實的焊點受力和失效情況。
展開 幾個關鍵點：如何定義彈塑性材料MAT24（材料曲線）、剛性體材料MAT20，如何定義壓頭與箱體的接觸，如何定義箱體與剛性墻的自接觸，如何定義壓頭的約束及加載尤其是創建壓頭的位移加載，如何創建CRB連接（螺栓連接中常用的連接方式），如何創建MAT100焊點（焊點失效）。
擠壓模擬（有焊點失效）
擠壓模擬（有焊點失效）
頂部右側焊點3701（有焊點失效）軸向力、剪切力
擠壓模擬（無焊點失效）
擠壓模擬（無焊點失效）
頂部右側焊點3701（無焊點失效）軸向力、剪切力
本案例僅提供模型文件結果文件及相關指導，凡購買的朋友針對本案例仿真實現上有什么疑問可以私信。更多知識點、注意點、對比分析見收費部分。
展開 對焊點的數量進行優化， 增加了 5 個焊點后， 如圖 8( 右) ，仿真結果顯示碰撞后結構保持完整， 能夠滿足碰撞安全要求。焊點失效參數數據庫建設到一定規模后， 即可在整車范圍的焊點模型使用經過試驗標定的失效參數，在開發過程中不斷優化存在碰撞失效風險的焊點，模型的精確性能夠得到保證。
本論文研究了在轎車有限元碰撞仿真中準確模擬焊點失效的方法。對點焊樣件進行拉伸和剪切力學實驗，建立了試驗的一維焊點有限元模型和相應的失效模型，使用數值優化等方法，對焊點失效模型的參數進行了校核標定，使仿真中焊點的受力和失效后吸收的能量與試驗的偏差最小。應用此方法在仿真中再現并解決了某次碰撞試驗中出現的焊點開裂問題。提出了建立車身焊點失效參數數據庫的設想。
[1]連志斌,劉雍.基于試驗標定的轎車碰撞焊點失效模擬方法研究[J].上海汽車,2015(06):50-53.
大家好，為了更好地提升自己，幫助自己對最新研究進行整理和復盤，本人在學習相關文獻時會進行相關總結和分享，希望對大家有所幫助和啟發，有問題請及時反饋和聯系，謝謝！
展開 幾個關鍵點：如何定義彈塑性材料MAT24（材料曲線）、剛性體材料MAT20，如何定義壓頭與箱體的接觸，如何定義箱體與剛性墻的自接觸，如何定義壓頭的約束及加載尤其是創建壓頭的位移加載，如何創建CRB連接（螺栓連接中常用的連接方式），如何創建MAT100焊點（焊點失效）。
擠壓模擬（有焊點失效）
軸向力與剪切力（有焊點失效）
本案例僅提供模型文件結果文件及相關指導，凡購買的朋友針對本案例仿真實現上有什么疑問可以私信。更多知識點、注意點見收費部分。與11月3日發的案例《基于hyperworks＋lsdyna電池包擠壓之焊點失效模擬》的不同之處在于，本案例并不是根據軸向力或剪切力來定義失效。
展開 △圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點失效的四種模式：
4.1 熱交變應力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學反應腐蝕
? 粘結強度等機械性能降低
4.4 動態機械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動
? 開裂、脆裂等損傷
研究內容
△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內容
1、基本力學參數的獲取
? 調研焊點、焊腳的材料屬性
? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構關系
2、疲勞數據庫的建立
? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個焊點的有限元分析模型
? 加載循環載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證
△圖4：不同封裝結構下無鉛SAC305焊點的S-N曲線
3、整機仿真模型
一般而言，在有限元模態分析中，系統的固有頻率會隨著網格密度的增加而降低至一個穩定的收斂值，為了找到合適的網格劃分密度，需要對其進行網格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點有限元建模
3.2 組件中各層材料參數設置
考慮到振動過程中焊點發生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
展開 
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從事汽車零部件振動疲勞、耐久性能開發的技術人員
希望系統掌握 ANSYS & nCode 疲勞仿真流程、提升工程問題解決能力的研發人員
負責車燈結構設計、優化，需要通過仿真提前規避疲勞失效的產品工程師
研討會大綱:
輸入數據
分析方法
分析結果
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現場將通過焊點疲勞等典型失效機制的案例演示，生動展現Sherlock如何結合Mechanical結構分析與Icepak熱分析工具，構建高保真的多物理場仿真模型，在虛擬環境中提前暴露設計弱點，從而優化方案、節省開發成本與時間。
本次研討會旨在為工程師提供一套完整、前瞻性的可靠性設計方法論與工具鏈，助力實現高可靠電子產品的“零缺陷”目標。
過高的溫度或頻繁的溫度波動會引發材料老化、信號失真，并因材料間熱膨脹系數不匹配而產生熱應力，最終導致焊點開裂、器件失效等故障。因此，評估 PCB 可靠性必須進行瞬態熱力耦合分析，即先分析動態溫度場，再計算由此產生的熱應力。
目標
通過高保真建模仿真，系統觀察并量化印刷電路板（PCB）上關鍵元器件在瞬態熱載荷作用下的力學響應與應力表現。
它用于確定電路板的固有頻率和振型，從而預測其在動態載荷下是否會發生共振，導致焊點失效、元件開裂或信號異常。本次將使用一塊電路板的模型來演示電路板的自然頻率/模態的提取過程，通過這一標準流程，可以明確識別出板上的脆弱區域，并為優化布局、增加剛度或規避外部激勵頻率提供定量的工程依據。
一期一會 | 什么是失效分析？6個月前
在評估焊點疲勞失效時，需要考慮的一個最關鍵屬性是熱膨脹系數（CTE）。
焊料通常用于在電子封裝內部將電子組件連接到印刷電路板上，它連接的材料通常具有截然不同的CTE。由于操作環境的變化或組件功率耗散，PCBA和組件會經歷熱循環，從而導致材料以不同的速率膨脹和收縮。這種不均勻膨脹被焊料以蠕變的形式吸收，而焊料中累積的蠕變應變會導致開裂，最終導致焊球完全斷裂。
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●基于Hyperworks和Ls-dyna的電池包擠壓之焊點失效模擬仿真分析（含模型文件、對比分析及相關指導）
●汽車電池熱管理冷卻技術分析（含視頻詳細講解）
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●基于Ansys Workbench Ls-dyna模擬蹦床上球體的彈跳過程案例講解（含模型文件）
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