电子电器行业有限元分析实践应用

  电子电器产品的组成一般都比较复杂，要达成一些特定的研发目标就需要解决大量的工程问题。随着现代CAE仿真技术的日趋成熟，企业完全可以将这种先进的研发手段与传统的试验和设计经验相结合，形成互补，从而提升研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品开发成本，缩短开发周期，从而大幅度提高企业的市场竞争力。

电子电器跌落仿真

☑️ 整机带包装跌落分析☑️ 裸机跌落分析☑️ 码垛跌落分析☑️ 使用场景碰撞分析

案例1：笔记本电脑跌落仿真

笔记本电脑的跌落是在极短的时间内，受到剧烈碰撞动态载荷而产生的非线性的复杂动态响应，这个属于瞬态动力学过程。用于计算载荷随时间变化的结构动力学，结构的速度、加速度、位移和力都可以随时间变化。本案例就笔记本电脑角跌落的方针分析过程。
 

案例2：电视机跌落（包装缓冲泡沫材料） 

  随着全球电子工业的飞速发展，电子产品的设计愈来愈精细、复杂；市场竞争要求电子产品在性能指标大幅度提高的同时，还要日趋小型化。CAE仿真在电子行业中有着广泛的应用，电子产品跌落、新型电子材料的研发和制造、音频设备声场特性的设计和评估。

电子电器结构强度分析

 ☑️ 随机振动分析☑️ 整机结构分析☑️ 电路板结构分析☑️ 器件封装结构分析☑️ 包装结构分析

案例1：配电箱模态分析与扫频振动分析

 模态分析是研究结构动力特性一种方法，一般应用在工程振动领域。其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

电子电器热仿真分析

电子产品的热力仿真、芯片封装的热分析、EMC/EMI等是电子领域中很深入、复杂并极具挑战性的课题。

☑️ 整机热流分析☑️ 自然热传导、对流和辐射分析☑️ 自然热固耦合分析☑️ 强迫热流分析☑️ 液冷散热器导热液流分析☑️ 焊点温循应力分析

案例1：汽车电子VIU机箱散热仿真

计算参数：环境温度：85℃ 散热方式：自然散热 稳态散热，

边界条件：自然对流工况；为开口边界条件；零方程湍流模型；考虑热辐射影响，为保证仿真精度：网格数：81W

结论：环温85℃情况下，主要芯片热风险较小，仿真结温与最高允许结温的最小裕量是8℃，满足使用需求；由于仿真是自然对流的环境，环境更为严苛，热设计裕量足够；实际DV温箱85高温测试中，有风的影响，实际芯片温度将更低；

案例2：IT数据中心服务器散热仿真

    对于电子设备的冷却仿真提供完善的电子设备专用组件模型，仿真时自动简化热模型，保留了模型内部的发热功耗和气流路径，方便将其放入机柜或大系统环境中，进行更大规模的机柜级或系统级热分析，对于机柜CAE仿真可以进行单个机柜或者单列机柜CFD分析。支持上亿网格规模，多核并行运算求解准确、快速、高效、鲁棒性强，计算速率达500万网格/每小时。对于如机房、数据中心等有业界最大的商业数据中心组件库存储库，允许以前所未有的速度求解大型模型，分析的冷却系统有水冷式、直膨式、新风式、直接与间接蒸发冷却等，包括室外机、冷却塔、柴发气流组织分析，同时涉及运维管理、导入DCIM实时监控数据、机房容量可视化等。现分析内容已扩展至电动汽车热管理、充电站热管理、照明系统等更多领域。

案例3：芯片热仿真

FCBGA模拟工况1：封装尺寸:19*19mm ，其中基板厚度XXmm ，散热铜块XX*XX*XXmm；芯片功耗:XX W ，尺寸:XX*XXmm；环境温度设置为XX℃ 或XX℃；将模型放置于JEDEC标准的密闭测试箱中，并进行散热仿真分析。散热盖+环境温度XX℃+TIM热导率XX W/m-k：从温度分布云图可以看出：当芯片功耗为XX W时， 最高结温主要集中在芯片 处， DIE的最高结温为184.2℃ ,热阻值为： Rja=(Tj-Ta)/P=12.4℃ /W。散热铜块+环境温度XX ℃+TIM热导率XX W/m-k：从温度分布云图可以看出：当芯片功耗为XX W时， 最高结温主要集中在芯片 处， DIE的最高结温为261.4℃ ,热阻值为： Rja=(Tj-Ta)/P=17.1℃ /W。

结果：从仿真结果看，采用不同的散热方案，芯片最大结温均太高，芯片易损坏；根据JEDEC标准，采用散热盖方案，芯片热阻在合理范围内，而采用散热铜块方案，芯片热阻偏高。

案例4：SiP热仿真：

模拟工况：封装尺寸:23*23mm ，其中基板厚度XX mm，芯片功耗:XX W ，尺寸:XX*XX mm；环境温度设置为XX ℃；将模型放置于JEDEC标准的密闭测试箱中，并进行散热仿真分析。

从温度分布云图可以看出：当芯片功耗为xxW时， 最高结温主要集中在芯片处，  DIE的最高结温为57.5℃ ,热阻值为： Rjb=(Tj-Tb)/P=5.4℃ /W。

结果：从仿真结果看，环境温度XX ℃ , Rja为13 ℃/W ， Rjb为5.4℃/W ， Rjc为2.03℃/W 。热阻值较小，满足设计要求。

案例5：TEC热仿真分析

为验证设计方案的散热效果，产品的耐久性分析，对半导体制冷系统进行散热效果模拟；分别对0℃升温*min、65 ℃降温*min、-20℃升温*min、85 ℃降温*min、- 40 ℃升温*min 、125 ℃降温*min  六个工况进行合模瞬态热仿真。

0℃升温：Socket board温度云图，中心区域温度在65.4 ~65.6℃之间；下模TEC温度云图，温度在67.5℃~67.7℃之间；

上模负载压头区域温度云图，温度在65.0℃~65.2℃之间；下模负载区域温度云图 ，温度在65.2℃~65.4 ℃之间

85 ℃降温：

域温度在-20~-20.1℃之间，下模TEC温度云图，温度在-20~-20.3 ℃之间，上模负载压头区域温度云图，核心区域压头温度在-20.2℃~-20.4℃之间；下模负载区域温度云图，核心区域压头温度在-20℃~-20.2℃之间。

案例6：PCB版热仿真 

电路板的稳态温度分布结果如上，所示的电路板：包括三个在正常运行过程中产生热量的芯片。只要在板上通上电源，一个芯片就能保持通电状态，另外两个芯片在不同的时间内，会周期性地激活和断开能量。利用稳态热分析和瞬态热分析方法研究这些芯片所产生的热量。

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