PCB與機殼結構多道次組裝模擬 (HyperWorks的極致發揮)

       本文以一個PCB與機殼結構多道次組裝模擬案例，說明HyperWorks的相關功能應用，整個分析進程將分成A、B、C三大階段，考慮PCB製程後的降溫到完成組裝的完整過程，最後再進行工作狀態時的結構熱應力分析。
 
 

PCB與機殼結構多道次組裝模擬

PCB與機殼結構多道次組裝 – 各階段組裝

【 階段A: 考慮膠合的PCB降溫過程 】

    本階段考慮PCB製程後的降溫行為，模型中PCB與晶片之間建立膠合模型，並檢視在此過程中，是否會有脫膠風險。
技術重點:

• OptiStrcut支援完整的膠合模型，提供Element Base與Contact Base兩種建模方式。
• 膠合模型的損傷指標由”損傷初始準則”與”損傷發展準則”來計算。
• 本模型以Element Base的膠合建模方式建立，可以與結構大變形與接觸大滑動一起搭配計算。

 膠合元素破壞準則

膠合元素破壞指標

【 階段B: 考慮各組件預應力的組裝過程 】

       本階段模擬各組件的組裝過程，包含PCB板組合件與支架組裝、支架與外殼組裝以及PCB板與散熱鰭片組裝，此階段除了關心各螺栓區域因預力造成的局部應力，也觀察組裝過程對於PCB的膠合，是否會有不良影響。


技術重點:

• OptiStruct的model change功能，可模擬多步驟分析所需要的元素生死設定，達到隨分析推進，移除或是加入組件的效果。
• OptiStrcut支援多道次的螺栓鎖固，將上一步的螺栓預應力帶入下一步作為初始條件，搭配上述元素生死設定，做到複雜的不同組件的順序鎖固。

螺栓預緊設定(1)

螺栓預緊設定(2)

螺栓預緊設定(3)

散熱鰭片鎖固到PCB之位移

散熱鰭片之應力分布

散熱鰭片與PCB之膠合破壞判斷 (1)

 

【 階段C: 考慮工作狀態溫度分布的熱應力分析 】

       本階段考慮前述組裝所累積的結構狀態，進行工作狀態的結構熱應力分析。此階段需經由CFD計算穩態溫度分布後，將溫度映射結構模型執行熱應力分析。主要關心在考慮前述過程後的工作狀態下，PCB是否會有脫膠風險。


技術重點:

• 以功能強大的SimLab前處理，能快速地完成複雜模型的CFD網格，並直接在SimLab平台完成分析條件，以AcuSolve執行CFD分析。
• HyperMesh具備從CFD映射結果的功能，且映射準確度高，能快速且精確地將CFD溫度場映射到結構模型。

PCB與機格之CFD模型

CFD空氣域速度分布

映射CFD分析溫度結果

PCB哭臉效應與應力降低

散熱鰭片與PCB之膠合破壞判斷 (2)

【 結語 】

       OptiStruct具有強大的非線性分析功能，能同時考慮非線性接觸、膠合強度、生死元素、熱應力分析、多步驟分析與大變形分析，透過本分析同時應用上述功能，說明軟體功能強大計算能力穩健。
       HyperWorks除了有專業的前處理器HyperMesh與SimLab，對於此題的應用，需要功能完整的結構求解器OptiStruct以及CFD求解器AcuSolve，互相搭配以完成如本主題複雜的CAE模擬工作需求。