UG有限元分析第13章

1、第13章 結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析實例精講電路板熱應(yīng)力分析本章內(nèi)容簡介 本實例利用UG NX高級仿真結(jié)構(gòu)熱分析中的【SOL 153 Steady State Nonlinear Heat Transfer】的解算方案，首先介紹了電路板的熱傳遞分析的操作流程及操作要點，然后利用高級仿真結(jié)構(gòu)靜力分析中的【SOL 101 Linear Statics - Global Constraints】解算方案，根據(jù)前面得到的分析結(jié)果作為靜力分析的載荷，進行熱應(yīng)力分析。 本章節(jié)主要內(nèi)容:基礎(chǔ)知識問題描述問題分析操作步驟本節(jié)小結(jié)13.1 基礎(chǔ)知識在12章中介紹了熱傳遞分析的一些基本知識，在本章實例中將使用12章中使用的發(fā)

2、熱率、對流和輻射，除此之外，本章還將在熱載荷中使用熱通量，在熱約束中將使用溫度作為約束條件： （1） 熱通量簡介 （2） 熱約束簡介許多實際工程問題中，由于溫度的作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，因而產(chǎn)生破壞性效果，如電子芯片的傳熱與熱應(yīng)力失效問題，陶瓷和薄膜中的熱應(yīng)力，鋼結(jié)構(gòu)制造工藝中的焊接殘余應(yīng)力問題等等，因此研究由溫度引起的熱應(yīng)力分析有著重要的實際工程及學(xué)術(shù)意義。13.2問題描述如圖所示為電路板的三維模型，在很多電子產(chǎn)品中都可以見到，因為PCB板上布滿了發(fā)熱元件與導(dǎo)線，簡化掉導(dǎo)線后對大功率的電路板進行熱分析后，考慮熱傳遞及重力對電路板結(jié)構(gòu)的綜合作用。工況條件板的材料為PCB，其它元件為SiC，

3、材料性能參數(shù)如表所示，傳熱分析的載荷與約束條件如圖所示所示，電路板對外界的對流系數(shù)（膜系數(shù)）為1e-005 W/mm2-C，空氣環(huán)境溫度為40，先研究電路板的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況；電路板的8個螺釘孔在結(jié)構(gòu)靜力分析中是固定的，需要考慮重力與溫度的耦合作用，需要解算電路板的應(yīng)力分布狀態(tài)。電路板的三維模型及熱約束載荷電路板的結(jié)構(gòu)約束與重力載荷13.3 問題分析首先要做一個電路板的穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析，約束與載荷如圖所示，溫度熱約束與發(fā)熱載荷施加在元件體上，熱通量（熱流）約束施加在體的上表面；對流條件施加在整個電路板與空氣接觸的部位，不考慮輻射的影響；將熱分析得到的溫度結(jié)果作為子工況解算的溫度預(yù)載，同時考慮重力

4、的影響，約束電路板的8個螺釘孔，進行結(jié)構(gòu)靜力分析，得到電路板的應(yīng)力及變形情況。因為NX中的材料庫提供的材料比較有限，需要自己創(chuàng)建所需要的材料，并賦予相應(yīng)的幾何部件，材料具體信息詳見表所示。13.4 操作步驟創(chuàng)建有限元模型 模型檢查和修改參數(shù) 創(chuàng)建仿真模型 定義仿真對象的接觸關(guān)系施加載荷和約束計算求解結(jié)果分析結(jié)構(gòu)靜力分析，求解熱應(yīng)力及重力的耦合應(yīng)力場進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的求解靜力分析結(jié)果后處理 13.5 操作步驟 打開隨書光盤part源文件所在的文件夾：Book_CDPartPart_CAE_UnfinishCh13_Thermal StressBoard.prt，調(diào)出如圖所示的主模型。 （1）創(chuàng)建有

5、限元模型 1）依次左鍵單擊【開始】和【高級仿真】命令，在【仿真導(dǎo)航器】窗口的分級樹中單擊【Board.prt】節(jié)點，右鍵彈出菜單并單擊出現(xiàn)的【新建FEM】選項，并進行相關(guān)操作，如圖所示，單擊【確定】按鈕即可進入了創(chuàng)建有限元模型的環(huán)境； 編輯FEM對話框分析類型選擇為熱單擊確定2）新建PCB與SiC材料;a) 創(chuàng)建PCB材料： 單擊工具欄中的【材料屬性】圖標右側(cè)黑色的倒三角，彈出【指派材料】對話框；在圖形窗口的【選擇體】中選中電路板的板實體模型，在【材料列表】中選擇【本地材料】圖標，單擊【新建材料】，【類型】中選擇【各向同性】，單擊【創(chuàng)建】圖標； 定義PCB材料的力學(xué)性能定義PCB材料的熱學(xué)性能

6、b) 創(chuàng)建SiC材料材料 按照上述方法，在【選擇體】中選中電路板上15個發(fā)熱元件實體模型，在【材料列表】中選擇【本地材料】圖標，單擊【新建材料】，如圖所示； 定義SiC材料的力學(xué)性能定義SiC材料的熱學(xué)性能3）創(chuàng)建物理屬性單擊工具欄中的【物理屬性】圖標，彈出【物理屬性表管理器】對話框，如圖所示，依次定義PCB材料、SiC材料的物理屬性定義PCB材料的物理屬性定義SiC材料的物理屬性4）創(chuàng)建網(wǎng)格收集器單擊工具欄中的【網(wǎng)格捕集器】圖標，彈出【網(wǎng)格捕集器】對話框；如圖所示，依次定義PCB材料、SiC材料的網(wǎng)格屬性定義PCB材料的網(wǎng)格收集器定義SiC材料的網(wǎng)格收集器 5）網(wǎng)格劃分；a) PCB材料網(wǎng)格

7、劃分單擊工具欄中的【3D四面體網(wǎng)格】圖標右側(cè)的黑色倒三角，在下拉菜單中單擊【3D掃掠網(wǎng)格】的圖標，出現(xiàn)如圖所示的對話框；單擊該命令源面設(shè)置相關(guān)參數(shù)選擇高亮顯示部分作為源面 b)SiC材料網(wǎng)格劃分按照上述方法進行相同操作；在【要進行網(wǎng)格劃分的對象】的窗口中選擇電路板15個元件的上表面作為【選擇源面】；設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊確定選擇高亮顯示部分作為源面 c)網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖電路板的FEM模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果單擊工具欄中的【單元】圖標，彈出【模型檢查】對話框，如圖所示;（2）模型檢查和修改參數(shù)單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹的【Board_fem 1.fem】節(jié)點，右鍵彈出快捷菜單，單擊

8、【新建仿真】并進行相關(guān)操作；彈出【創(chuàng)建解算方案】對話框，在【名稱】中默認名稱為【Solution 1】，【分析類型】選取【熱】，【解算方案類型】選取為【SOL 153 Steady State Nonlinear Heat Transfer】，單擊【確定】按鈕，同時注意到【仿真導(dǎo)航器】窗口的分級樹中，新出現(xiàn)了相關(guān)的節(jié)點，如圖所示。 （3）創(chuàng)建仿真模型仿真導(dǎo)航器新增節(jié)點a) 單擊窗口上【仿真對象類型】圖標，彈出如圖所示的【Face Gluing(面對面粘合)】對話框，創(chuàng)建曲面接觸的仿真對象；在【源區(qū)域】中點擊【創(chuàng)建區(qū)域】的圖標，出現(xiàn)如圖所示的對話框；（4）定義仿真對象的接觸關(guān)系單擊該命令單擊確定

9、選取對象同樣，在【目標區(qū)域】中點擊【創(chuàng)建區(qū)域】的圖標，出現(xiàn)如圖所示的【Regtion2】對話框；b) 定義仿真對象的【目標區(qū)域】單擊該命令單擊確定選取對象 C）定義好的仿真對象接觸關(guān)系示意圖1）單擊工具欄中的【約束類型】圖標，單擊彈出的【熱約束】命令，進行元件的溫度定義操作，彈出【熱約束】對話框，如圖所示；（5）施加載荷和約束：1）施加80溫度熱約束單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)熱約束-溫度80效果圖 單擊工具欄中的【約束類型】圖標，單擊彈出的【熱約束】命令，進行元件的溫度定義操作，彈出【熱約束】對話框，如圖所示；2）施加50溫度熱約束單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)熱約束-溫度80效果圖 可以在【仿真導(dǎo)航器】

10、窗口分級樹中單擊【Temp（1）】和【Temp（2）】節(jié)點，右鍵單擊彈出的【編輯顯示】命令，彈出【邊界條件顯示】對話框，將【顏色】選項切換為【紅色】，單擊【確定】按鈕，這樣便于區(qū)分該溫度約束符號和后續(xù)對流約束符號； 3）修改溫度熱約束顯示顏色在【約束類型】窗口單擊【對流】圖標，彈出【對流】對話框，如圖所示；4）施加對流熱約束單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)電路板對流約束設(shè)置效果圖 單擊【載荷類型】圖表右側(cè)黑色的倒三角，選擇【熱通量】圖標，彈出【熱通量】設(shè)置對話框，如圖所示；5）施加熱通量載荷單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)電路板熱通量載荷設(shè)置效果圖 單擊【載荷類型】圖表右側(cè)黑色的倒三角，選擇【發(fā)熱率】圖標，彈出【

11、發(fā)熱率】設(shè)置對話框，如圖所示；6）施加發(fā)熱率載荷單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)電路板熱通量載荷設(shè)置效果圖 在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中單擊【Solution 1】節(jié)點，右鍵單擊【求解】命令，彈出【求解】對話框，單擊【確定】按鈕，等待【模型檢查】完成，等待【分析作業(yè)監(jiān)視器】出現(xiàn)【Completed】的提示信息，在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中出現(xiàn)【結(jié)果】節(jié)點后，關(guān)閉所有信息窗口，就完成了對電路板施加溫度和對流約束熱分析的解算；（6）計算求解1）在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中單擊【Solution 1】節(jié)點，右鍵單擊【求解】命令，彈出【求解】對話框，等待【模型檢查】完成，等待【分析作業(yè)監(jiān)視器】出現(xiàn)【完成】的提示

12、信息，如圖所示，在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中出現(xiàn)【結(jié)果】節(jié)點后，關(guān)閉所有信息窗口，進入計算結(jié)果后處理模式的環(huán)境；（7）結(jié)果分析仿真導(dǎo)航器新增節(jié)點2）溫度云圖結(jié)果產(chǎn)看單擊【溫度-節(jié)點的】節(jié)點，打開后雙擊【標量】，出現(xiàn)如圖所示電路板節(jié)點的溫度云圖，單擊【云圖繪圖】中的【Post View 1】勾選【注釋】，將出現(xiàn)【Maximum】與【Minimum】兩個注釋，也可以單擊工具欄上的【新建注釋】命令，創(chuàng)建【N個最小結(jié)果值】或【N個最大結(jié)果值】，通過單擊【拖動注釋】圖標，允許重定位最小值和最大值結(jié)果顯示值的位置；溫度云圖3） 退出后處理導(dǎo)航器如果要進一步了解和查看電路板的溫度梯度、熱通量等傳熱情況，可以

13、參照12章所述的內(nèi)容和方法進行查看，本例中不多做論述。得到了電路板的溫度分布結(jié)果，可以建立結(jié)構(gòu)靜力分析解算方案，進行熱應(yīng)力的計算。單擊工具欄中的【返回仿真】命令，退出【后處理】顯示模式，完成此次計算任務(wù)的操作。 （8）結(jié)構(gòu)靜力分析，求解熱應(yīng)力及重力的耦合應(yīng)力場1）新建解算方案；建立用于解決熱應(yīng)力和重力載荷耦合的結(jié)構(gòu)靜力算法，在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中，單擊【Board_sim 1.sim】節(jié)點，右鍵單擊彈出的【新建解算方案】命令，并進行相關(guān)操作，在【解算方案類型】中選擇【SOL 101 Linear Statics - Global Constraints】，在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中新增

14、的相應(yīng)節(jié)點如圖所示； 設(shè)置相關(guān)參數(shù)導(dǎo)航器新增節(jié)點2）序號定義結(jié)構(gòu)約束條件單擊工具欄中【約束類型】中的【固定約束】命令，彈出【固定約束】對話框，如圖所示。 固定約束施加對話框施加固定約束效果圖單擊工具欄中【載荷類型】的小三角圖標，選擇【重力】命令，彈出【重力】對話框；重力載荷定義 3）施加重力載荷重力載荷施加效果將熱分析中創(chuàng)建好的【仿真對象容器】中的【Face Gluing(1)】拖拽到【Solution 2】中的【仿真對象】里，如圖所示，完成仿真對象部件接觸關(guān)系的定義。仿真對象 4)創(chuàng)建仿真模型部件間的接觸關(guān)系（9）進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的求解1）溫度預(yù)載的添加單擊【仿真導(dǎo)航器】窗口分級樹中的【Sol

15、ution 2】節(jié)點，右鍵單擊【Subcase - Static Loads 1】進行子工況設(shè)置，如圖所示；設(shè)置相關(guān)參數(shù)2022/7/252）序號解算右鍵單擊【求解】命令，彈出【求解】對話框，稍等完成作業(yè)后關(guān)閉各個信息窗口。雙擊【結(jié)果】后進入【仿真后處理導(dǎo)航器】窗口，在【后處理導(dǎo)航器】中出現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點，如圖所示，進行計算結(jié)果的查看。導(dǎo)航器新增節(jié)點2022/7/25（10）靜力分析結(jié)果后處理在【后處理導(dǎo)航器】列表窗口的分級樹中，依次展開【Solution 2】和其子節(jié)點【位移-節(jié)點的】，可以通過【PostView 4】的【3D單元】勾選所要顯示的部件，來查看所關(guān)心部件的變形及應(yīng)力大小及其分布

16、情況，如圖所示。相應(yīng)的節(jié)點2022/7/251）查看電路板整體的變形情況雙擊【位移-節(jié)點的】中【幅值】節(jié)點，在圖形窗口可以看到電路板整體的變形位移云圖，如圖所示，可以觀察到最大變形和最小變形所在的部位；未調(diào)整變形比例前的電路板總體變形云圖2022/7/252）整變形比例后電路板徑向位移云圖查看從上面云圖看，顯示和實際視覺效果相差太大，因為系統(tǒng)默認的變形比例為模型的10%，故顯示的變形結(jié)果有些夸張，單擊對應(yīng)的【Post View】節(jié)點，右鍵單擊彈出的【設(shè)置變形】圖標，彈出【設(shè)置變形】對話框，進行設(shè)置，圖形窗口出現(xiàn)的模型整體的位移云圖如圖所示；修改參數(shù) 調(diào)整變形比例后電路板徑向位移云圖2022/7

17、/253）查看電路板Z向的變形情況按照上述的操作，雙擊【Z】節(jié)點，在圖形窗口出現(xiàn)了電路板沿著Z向的變形位移云圖，如圖所示；電路板Z向變形位移云圖2022/7/25按上述的方法，將PCB板單獨顯示，雙擊【位移-節(jié)點的】的子節(jié)點【幅值】，查看PCB板的變形情況，如圖所示，以此方法可以查看任意元件的變形情況。PCB板整體變形位移云圖4）查看PCB板整體的變形情況2022/7/25展開【應(yīng)力-單元的】節(jié)點，雙擊出現(xiàn)的【Von-Mises】子節(jié)點，可以查看電路板的馮氏應(yīng)力分布情況，如圖所示；5)查看電路板整體的馮氏應(yīng)力情況電路板整體的Von Mises應(yīng)力分布情況2022/7/25將PCB板單獨顯示，展

18、開【應(yīng)變-基本的】節(jié)點，雙擊出現(xiàn)的【Von-Mises】子節(jié)點，可以查看PCB板的應(yīng)力分布狀況，如圖所示。6）查看PCB板的馮氏應(yīng)力情況PCB板Von Mises應(yīng)力分布云圖2022/7/257）退出后處理導(dǎo)航器單擊工具欄中的【返回到模型】命令，退出【后處理】顯示模式，完成此次熱-固耦合計算任務(wù)的操作。上述實例模型源文件和相應(yīng)輸出結(jié)果請參考隨書光盤Book_CDPart Part_CAE_FinishCh13_Thermal Stress文件夾中相關(guān)文件，操作過程的演示請參考影像文件Book_CDAVI Ch13_Board _AVI。 2022/7/2513.6 本章小結(jié)（1）解算的步驟通常是先進行熱傳遞分析，無論是使用NX Nastran的熱或是NX熱/流，基本的思路