熱(re)疲勞(lao)
金屬(shu)材料由于(yu)溫度梯度循環(huan)引起的(de)(de)熱應(ying)力(li)循環(huan)（或熱應(ying)變循環(huan)），而產生的(de)(de)疲(pi)勞破壞現象，稱(cheng)為熱疲(pi)勞。金屬零件在高溫條件下工(gong)作時，其(qi)環境(jing)溫度并不恒定(ding)，而(er)有(you)時是(shi)急劇(ju)反(fan)復(fu)變化(hua)的。由(you)此造成(cheng)的膨脹(zhang)和收縮若受(shou)到約束(shu)時，在零件內部(bu)就會(hui)產生熱應(ying)(ying)力（又稱溫差應(ying)(ying)力）。溫度反(fan)復(fu)變化(hua)，熱應(ying)(ying)力也隨著反(fan)復(fu)變化(hua)，從(cong)而(er)使材(cai)料受(shou)到疲勞損(sun)傷。塑性材(cai)料(liao)抗(kang)熱(re)應(ying)變(bian)的能力較強，故不易發生熱(re)疲勞。相反，脆性材(cai)料(liao)抗(kang)熱(re)應(ying)變(bian)的能力差，熱(re)應(ying)力容(rong)易達到材(cai)料(liao)的斷裂應(ying)力故易受熱(re)沖擊而破壞。（1）典型的(de)表面疲勞裂(lie)紋呈龜裂(lie)狀。（2）裂(lie)(lie)紋走向可以是沿(yan)晶型(xing)的(de)，也可以是穿晶型(xing)的(de)；一般裂(lie)(lie)紋端部較尖銳，裂(lie)(lie)紋內有或充滿氧化物。（3）宏觀斷口呈灰色，并為(wei)氧(yang)化物(wu)覆蓋。（4）裂紋源于表面，裂紋擴展(zhan)深度與應力、時間及溫差變化(hua)相對應。（1）環(huan)境的溫(wen)度梯度及變化頻率越(yue)大越(yue)易產生(sheng)熱(re)疲勞。（2）熱膨脹系數不同(tong)的材料組合時，易出(chu)現熱疲(pi)勞。（3）晶粒粗大且(qie)不均勻，易出現(xian)熱(re)疲勞。（4）晶(jing)界分布的第二(er)相質點對熱疲勞(lao)的產生(sheng)，具有(you)促進作用。（5）材料的(de)塑(su)性差，易出現熱(re)疲(pi)勞。（6）零件的幾何結(jie)構對金屬(shu)的膨脹(zhang)和收縮的約束作(zuo)用大，易(yi)出現熱疲(pi)勞。
熱(re)分析(xi)，又(you)稱熱(re)模擬，是利用數學手(shou)段(duan)，在電子產(chan)品的(de)設(she)(she)計(ji)階段(duan)獲得溫度分布的(de)方法，它可以使電子產(chan)品設(she)(she)計(ji)人(ren)員和(he)可靠性(xing)設(she)(she)計(ji)人(ren)員在設(she)(she)計(ji)初(chu)期就能發現(xian)產(chan)品的(de)熱(re)缺陷，從而(er)改(gai)進其設(she)(she)計(ji)，為(wei)提高產(chan)品設(she)(she)計(ji)的(de)合(he)理性(xing)及可靠性(xing)提供有力保障。
熱(re)分(fen)析需建立電子產品溫(wen)度場(chang)和流場(chang)的(de)數(shu)學模型(xing)，并對(dui)其求(qiu)解(jie)，由于求(qiu)解(jie)的(de)復(fu)雜性(xing)，熱(re)分(fen)析大(da)都(dou)采用(yong)軟件(jian)來完成。國(guo)外有很多公司已經(jing)開發(fa)了電產品熱(re)分(fen)析軟件(jian)，并且大(da)多數(shu)已經(jing)商品化。應用(yong)軟件(jian)進行(xing)熱(re)分(fen)析的(de)基本(ben)步驟(zou)為：
（a）根據或設計要求建立熱分析模型，確(que)定邊界條(tiao)件；（b）劃分網格，進行(xing)計算(suan)，迭代直到收斂為止；（c）后處理，以(yi)報表、圖形(xing)或動(dong)畫的形(xing)式(shi)觀察溫(wen)度場。熱分(fen)析(xi)軟件雖能(neng)較準(zhun)確的(de)(de)獲得溫度(du)場的(de)(de)分(fen)布，但(dan)在應用過程(cheng)中(zhong)可能(neng)存在建模不(bu)合理，輸入參(can)數的(de)(de)不(bu)準(zhun)確等原因而(er)導(dao)致熱分(fen)析(xi)誤(wu)差較大(da)，不(bu)能(neng)滿足工程(cheng)要(yao)求。
熱(re)分(fen)析(xi)模(mo)型(xing)建立的(de)(de)不(bu)準(zhun)確(que)，會(hui)導致(zhi)較大(da)的(de)(de)熱(re)分(fen)析(xi)誤(wu)差，不(bu)能滿足(zu)工程要求。對于準(zhun)確(que)的(de)(de)模(mo)型(xing)，如(ru)果(guo)過于復雜，又會(hui)占用大(da)量的(de)(de)計(ji)算(suan)(suan)機資源和計(ji)算(suan)(suan)時間；如(ru)果(guo)過于簡單，則計(ji)算(suan)(suan)結果(guo)可能會(hui)忽略(lve)大(da)量的(de)(de)細節，而達不(bu)到分(fen)析(xi)的(de)(de)目的(de)(de)。建(jian)模(mo)的(de)策(ce)略(lve)是(shi)由重(zhong)要(yao)到次(ci)要(yao)，由簡單到復雜。即從最重(zhong)要(yao)的(de)入手，比如(ru)確定(ding)整體布(bu)局，對壁、外(wai)殼(ke)、開孔、功耗、電路板等進(jin)行建(jian)模(mo)；在這基礎上，再加(jia)入其它較重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響因(yin)(yin)素，比如(ru)器(qi)件(jian)的(de)布(bu)局與(yu)建(jian)模(mo)，外(wai)殼(ke)與(yu)外(wai)界的(de)熱(re)交換(huan)等等；對重(zhong)點分析部位進(jin)行詳細建(jian)模(mo)（例如(ru)對關鍵發(fa)熱(re)元器(qi)件(jian)進(jin)行三維詳細建(jian)模(mo)）；對于次(ci)要(yao)因(yin)(yin)素，進(jin)行粗略(lve)建(jian)模(mo)，甚至忽(hu)略(lve)掉(diao)（例如(ru)對于發(fa)熱(re)很(hen)小或不發(fa)熱(re)的(de)元器(qi)件(jian)）。
輸入參(can)數的準確與否，極(ji)大地影(ying)響著熱分析結果(guo)。輸入參(can)數主要包括材料(liao)的熱傳(chuan)(chuan)導(dao)率(lv)、元器件的熱功耗、初(chu)始(shi)條件等(deng)等(deng)，其中傳(chuan)(chuan)導(dao)率(lv)等(deng)可通(tong)過查(cha)工程熱設計手(shou)冊、實驗(yan)或反復(fu)修正來得到，初(chu)始(shi)條件可通(tong)過測量得到，熱功耗可以通(tong)過查(cha)產品手(shou)冊或電路仿真的方法得到。
劃分網格(ge)(ge)(ge)的(de)多少在一定(ding)程度(du)上(shang)影響(xiang)著熱分析的(de)結果，通常網格(ge)(ge)(ge)劃分的(de)越多，則計(ji)算(suan)精度(du)越高，但網格(ge)(ge)(ge)過(guo)多計(ji)算(suan)時間將過(guo)長，而精度(du)得不到明顯的(de)提高。因此應靈活運用網格(ge)(ge)(ge)劃分技術，在重要(yao)部(bu)位(wei)（如溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)高的(de)位(wei)置，芯片位(wei)置等）進行局部(bu)加密(mi)，在不規(gui)則形狀(zhuang)處采用非結構化網格(ge)(ge)(ge)。作為一(yi)個(ge)示例，采用某熱分析(xi)軟(ruan)件對一(yi)個(ge)板級電路(lu)進行熱分析(xi)。 建立(li)的熱分(fen)析模型如圖(tu)1所示。
圖(tu)1 某印刷電(dian)路板的熱分析模(mo)型(xing)
（2）設(she)置(zhi)電路(lu)板的屬性 在電路板的屬性菜單設置電路板的幾何尺寸、層的厚度和電路板中金屬部分的傳導率（例如銅的傳導率為388W/m.K）等參數。 如是(shi)穩態熱(re)分析(xi)，初始(shi)條(tiao)件可(ke)設為0，如不是(shi)穩態分析(xi)，可(ke)設置(zhi)(zhi)(zhi)開始(shi)時刻的溫度值；設置(zhi)(zhi)(zhi)每個器(qi)件的功耗；器(qi)件的熱(re)傳(chuan)導率，對于詳細建模的器(qi)件還應分別(bie)輸入其(qi)金(jin)屬部分的熱(re)傳(chuan)導率和非金(jin)屬部分的熱(re)傳(chuan)導率；電(dian)路(lu)板(ban)的工作(zuo)環境條(tiao)件，包括電(dian)路(lu)板(ban)在機(ji)箱中的位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)、空氣流動情況、鄰(lin)近電(dian)路(lu)板(ban)或機(ji)箱壁(bi)的熱(re)效應等。 進入(ru)網(wang)(wang)格(ge)劃分(fen)(fen)菜(cai)單(dan)，選擇相鄰網(wang)(wang)格(ge)間的寬度和高度，計算機自動劃分(fen)(fen)網(wang)(wang)格(ge)。 進入后(hou)處(chu)理(li)菜(cai)單，可選擇多種查(cha)看結(jie)果的(de)(de)方法。例如溫(wen)度(du)分(fen)布(bu)圖(tu)，溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)分(fen)布(bu)圖(tu)，等溫(wen)圖(tu)等，圖(tu)2為該電路板的(de)(de)溫(wen)度(du)分(fen)布(bu)圖(tu)，以不同的(de)(de)顏色(se)代表(biao)不同的(de)(de)溫(wen)度(du)值(zhi)。
圖(tu)(tu)2 某(mou)印(yin)刷電路板的溫度分布圖(tu)(tu)
91質量(liang)網開發(fa)了專業的分布式多學科(ke)協同可靠性仿真軟件（了(le)解更多內容，請本公眾號回復“分(fen)布式仿(fang)真”），在熱疲勞可(ke)靠性仿真(zhen)分(fen)析方面，已在核(he)工(gong)業、航空、風(feng)電(dian)、兵器等(deng)領域得到廣(guang)泛(fan)應用。
熱(re)疲勞可(ke)靠(kao)性分(fen)(fen)析(xi)是熱(re)疲勞分(fen)(fen)析(xi)與可(ke)靠(kao)性分(fen)(fen)析(xi)的(de)一體化，在分(fen)(fen)析(xi)時，很多情況(kuang)(kuang)下(xia)難以直接建(jian)立應(ying)力、應(ying)變(bian)(bian)、位(wei)移等(deng)與載(zai)荷、材料、結構尺寸的(de)關系，往(wang)(wang)往(wang)(wang)需要借(jie)助熱(re)分(fen)(fen)析(xi)CAE工具(ju)進行分(fen)(fen)析(xi)，這(zhe)種情況(kuang)(kuang)下(xia)反(fan)映為功(gong)能(neng)函數與基本隨機(ji)變(bian)(bian)量的(de)關系是隱式的(de)。
從可靠(kao)度計算(suan)的角度分(fen)析(xi)，模(mo)擬法和響應面法一般(ban)只需要獲(huo)得功能函數在給定樣本點的值，這些(xie)值可以借助熱(re)分(fen)析(xi)CAE工具分(fen)析(xi)獲(huo)得，再對結果(guo)進(jin)行(xing)統計來(lai)計算(suan)可靠(kao)度；一次可靠度(du)法不僅需要計算(suan)功(gong)能函(han)數(shu)的(de)值(zhi)，還需要獲得功(gong)能函(han)數(shu)關于(yu)隨機向量的(de)梯(ti)度(du)。
利用熱(re)分(fen)析CAE工(gong)具進行可靠性仿真計算，必須(xu)解決以(yi)下(xia)2個問題(ti)：
（1）可靠度計(ji)算程序對熱分析CAE軟件的封裝和調用，以實現(xian)功能函(han)數值的計(ji)算；
（2）梯度的計算(suan)，這(zhe)可(ke)以在獲得功能函數值的基礎上采(cai)用(yong)有限差(cha)分法計算(suan)。
因此(ci)關鍵是實現利用熱分析CAE工具實現功能函數值的計算。
有(you)兩種實現(xian)可靠(kao)性(xing)仿真計算的(de)思路：抽樣(yang)仿(fang)真(zhen)和迭代仿(fang)真(zhen)，如圖(tu)3所示。
圖3 可靠性仿(fang)真的(de)流(liu)程
