本發(fā)明涉及故障分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電子組件是武器裝備等電子設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，它在服役過程中通常受到溫度和振動(dòng)的影響。而溫度和振動(dòng)是導(dǎo)致電子設(shè)備故障的主要原因，并且溫度和振動(dòng)的耦合作用通常大大加速了電子設(shè)備失效的進(jìn)程。由于受到環(huán)境溫度和自身功耗的影響，電子組件在服役過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部通常具有一定的溫度場(chǎng)和較大的溫度梯度。而這種溫度梯度將引起電子組件的變形(它與溫度變化量及材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān))，由于熱變形的不匹配而導(dǎo)致受約束電子組件內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力，而這種應(yīng)力場(chǎng)稱為熱應(yīng)力場(chǎng)。而溫度場(chǎng)將引起電子組件材料力學(xué)性能的變化，熱應(yīng)力場(chǎng)將對(duì)電子組件結(jié)構(gòu)剛度造成一定的影響。溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的綜合作用稱為溫度效應(yīng)。溫度場(chǎng)的變化伴隨了熱應(yīng)力場(chǎng)的生成，同時(shí)也引起了熱應(yīng)力場(chǎng)的變化。因此，電子組件在服役過程中，通常是在結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有一定非均勻溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的情況下受到振動(dòng)載荷的影響。

隨著現(xiàn)代武器裝備研究的快速發(fā)展，仿真技術(shù)越來越受到重視。采用仿真技術(shù)對(duì)電子組件的受力情況進(jìn)行模擬仿真，已經(jīng)成為目前比較重要的分析手段。熱應(yīng)力分析方法和振動(dòng)應(yīng)力分析方法是目前常用的應(yīng)力分析方法。

在實(shí)現(xiàn)過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)中至少存在如下問題：

實(shí)際的電子組件無論何時(shí)都會(huì)受到溫度的影響，如果電子組件還受到振動(dòng)載荷的作用，即是受到溫度和振動(dòng)共同影響；由于溫度場(chǎng)自身和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力影響的影響機(jī)理不同，在進(jìn)行溫度與振動(dòng)耦合虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究時(shí)，環(huán)境溫度或功耗變化越大，溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)變化越大，采用上述兩種振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析結(jié)果誤差越大。因此，傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析的結(jié)果與實(shí)際工況下的電子組件的受力情況存在較大的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析的結(jié)果與實(shí)際工況下的電子組件的受力情況存在誤差的問題，提供一種電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法及系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施例為：

一方面，提供了一種電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法，包括以下步驟：

根據(jù)電子組件的預(yù)設(shè)熱邊界條件和非線性熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析求解，得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)；

基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件；根據(jù)結(jié)構(gòu)邊界條件、電子組件的非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲取熱應(yīng)力；

根據(jù)熱應(yīng)力和電子組件的非線性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱模態(tài)分析，獲取電子組件的固有頻率和振型；

根據(jù)固有頻率和振型分析電子組件的振動(dòng)應(yīng)力。

另一方面，提供了一種電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)，包括：

瞬態(tài)熱分析單元，用于根據(jù)電子組件的預(yù)設(shè)熱邊界條件和非線性熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析求解，得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)；

結(jié)構(gòu)分析單元，用于基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件；根據(jù)結(jié)構(gòu)邊界條件、電子組件的非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲取熱應(yīng)力；

模態(tài)分析單元，用于根據(jù)熱應(yīng)力和電子組件的非線性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱模態(tài)分析，獲取電子組件的固有頻率和振型；

隨機(jī)振動(dòng)分析單元，用于根據(jù)固有頻率和振型分析電子組件的振動(dòng)應(yīng)力。

上述技術(shù)方案具有如下有益效果：

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法及系統(tǒng)，可以通過熱模態(tài)的迭代過程實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，使得振動(dòng)應(yīng)力分析方法更加精確；具體的，通過瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析(瞬態(tài)熱分析、結(jié)構(gòu)分析)以及熱模態(tài)的迭代過程的實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響，提高了電子組件的瞬態(tài)振動(dòng)應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法實(shí)施例1的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法一具體實(shí)施例的分析流程示意圖；

圖3為本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的首選實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

本發(fā)明各實(shí)施例中涉及到的縮略語和關(guān)鍵術(shù)語定義：

熱應(yīng)力：由于熱變形而使受約束物體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力(或稱為溫應(yīng)力)。

熱應(yīng)力場(chǎng)：物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)個(gè)個(gè)點(diǎn)上熱應(yīng)力的集合成為熱應(yīng)力場(chǎng)。

溫度場(chǎng)：物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)個(gè)個(gè)點(diǎn)上溫度的集合成為溫度場(chǎng)。

關(guān)于本發(fā)明各實(shí)施例的應(yīng)用場(chǎng)景的進(jìn)一步說明：

傳統(tǒng)的應(yīng)力分析方法帶來的誤差在大功耗電子組件上體現(xiàn)的尤其明顯。除了環(huán)境溫度的影響外，由于自身功耗的影響，電子組件結(jié)構(gòu)內(nèi)部也通常具有較大的溫度變化，較大的溫度變化使得大功耗電子組件內(nèi)部具有一定的瞬態(tài)非均勻溫度場(chǎng)和較大的熱應(yīng)力，這種瞬態(tài)非均勻溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)將對(duì)電子組件材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)剛度造成一定的影響。在這種情況下，采用傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法，分析結(jié)果與實(shí)際的情況將存在更大的誤差。

一般來說，環(huán)境溫度或功耗變化越大，溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)變化越大，采用傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析結(jié)果誤差越大。為了解決上述問題，同時(shí)考慮到溫度場(chǎng)自身和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力影響的影響機(jī)理不同，在進(jìn)行溫度與振動(dòng)耦合虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究時(shí)，本發(fā)明各實(shí)施例給出了獲取溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的綜合作用對(duì)振動(dòng)應(yīng)力影響的技術(shù)方案。即本發(fā)明各實(shí)施例提供了一種電子組件在結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有一定瞬態(tài)非均勻溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)綜合作用情況下的振動(dòng)應(yīng)力分析方法。

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法實(shí)施例1：

為了解決傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析的結(jié)果與實(shí)際工況下的電子組件的受力情況存在誤差的問題，本發(fā)明提供了一種電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法實(shí)施例1；圖1為本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法實(shí)施例1的流程示意圖；如圖1所示，可以包括以下步驟：

步驟S110：根據(jù)電子組件的預(yù)設(shè)熱邊界條件和非線性熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析求解，得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)；

步驟S120：基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件；根據(jù)結(jié)構(gòu)邊界條件、電子組件的非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲取熱應(yīng)力；

步驟S130：根據(jù)熱應(yīng)力和電子組件的非線性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱模態(tài)分析，獲取電子組件的固有頻率和振型；

步驟S140：根據(jù)固有頻率和振型分析電子組件的振動(dòng)應(yīng)力。

具體而言，由于材料結(jié)構(gòu)內(nèi)非均勻溫度場(chǎng)存在著溫度梯度，同時(shí)不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力也會(huì)改變結(jié)構(gòu)的剛度和剛度分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彎、扭剛度下降；此外溫度場(chǎng)的時(shí)刻變化使得熱應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)刻變化；而本發(fā)明將溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)瞬態(tài)迭代加入對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分析的影響分析，從而得到瞬態(tài)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)綜合作用對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響。

在本發(fā)明各實(shí)施例中，考慮溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的振動(dòng)應(yīng)力分析流程可以包括：電子組件有限元模型、熱模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析；其中，本發(fā)明各實(shí)施例可以首先根據(jù)電子組件實(shí)物特點(diǎn)，建立電子組件的有限元模型，并進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，為后續(xù)的熱模態(tài)分析提供模型基礎(chǔ)。然后可以通過熱模態(tài)的迭代過程實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，以及溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，預(yù)設(shè)熱邊界條件可以包括瞬態(tài)環(huán)境熱載荷邊界條件和元器件功耗邊界條件；非線性熱學(xué)參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)和比熱；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，根據(jù)電子組件的預(yù)設(shè)熱邊界條件和非線性熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析求解，得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)的步驟包括：

在預(yù)設(shè)熱邊界條件下，根據(jù)非線性熱學(xué)參數(shù)，通過熱平衡矩陣方程獲取瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

具體而言，在進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析時(shí)，可以先獲取預(yù)設(shè)的電子組件熱邊界條件，然后結(jié)合材料的非線性熱物理參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等)求解獲得瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

一般來說，若材料熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)[K]、比熱[C]等)、邊界條件(h)隨溫度T變化，或者含有非線性單元，或者考慮輻射傳熱時(shí)，則為非線性熱分析。其中可以通過以下的熱平衡矩陣方程進(jìn)行非線性熱分析：

其中：[C(T)]、[K(T)]、{Q(T)}為與溫度相關(guān)的相對(duì)應(yīng)參數(shù)。

當(dāng)材料熱性能[K]、[C]等非線性因素隨著溫度變化時(shí)，相應(yīng)的溫度變化場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)的變化。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，非線性物理參數(shù)包括熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件的步驟包括：

將瞬態(tài)溫度場(chǎng)作為載荷，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，根據(jù)結(jié)構(gòu)邊界條件、電子組件的非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲取熱應(yīng)力的步驟包括：

在結(jié)構(gòu)邊界條件下，根據(jù)非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度，通過相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系方程獲取熱應(yīng)力。

具體而言，熱-結(jié)構(gòu)分析是以熱分析的瞬態(tài)溫度場(chǎng)為載荷，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件，結(jié)合材料的非線性物理參數(shù)(熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比)以及參考溫度求解熱應(yīng)力。

在進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將熱分析獲得的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)作為載荷，分析整體結(jié)構(gòu)在邊界約束條件下的彈塑性變形響應(yīng)。

可以采用增量本構(gòu)，同時(shí)可以基于以下幾何方程獲取應(yīng)變張量：

無體力的平衡方程為：

dσ_ijj＝0

式中u_i是位移矢量，ε_ij是應(yīng)變張量，σ_ij是應(yīng)力張量。

結(jié)構(gòu)被加熱或冷卻時(shí)，體積會(huì)發(fā)生變化，熱變形取決于熱膨脹系數(shù)和溫度變化量。結(jié)構(gòu)內(nèi)不均勻的溫度場(chǎng)引起熱變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過屈服極限時(shí)，材料進(jìn)入塑性?？倯?yīng)變由彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變構(gòu)成，可以基于以下以應(yīng)變張量的增量形式的熱彈塑性本構(gòu)方程，來獲取相應(yīng)張量：

其中是彈性應(yīng)變張量，是塑性變形張量，是熱變形張量。

彈性應(yīng)變規(guī)律遵從虎克定律：

其中，E_T是依賴于溫度的彈性模量，σ_ij是應(yīng)力張量，v是泊松比，δ_ij是單位矩陣。

根據(jù)材料的線性膨脹定律，可以基于以下公式獲取熱應(yīng)變張量：

式中α_T是依賴于溫度的熱膨脹系數(shù)。

塑性行為可以采用不同的塑性本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)基于Mises屈服準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化的塑性增量理論，當(dāng)材料應(yīng)力張量處于屈服面內(nèi)，或者材料處于卸載狀態(tài)時(shí)，材料服從線彈性定律、無塑性變形；當(dāng)材料應(yīng)力張量處于屈服面上，且材料處于加載狀態(tài)時(shí)，材料出現(xiàn)塑性流動(dòng)?？梢曰谝韵鹿将@取塑性應(yīng)變張量：

當(dāng)或

當(dāng)或

其中，為屈服面，為等效應(yīng)力，H'為切向模量。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，非線性力學(xué)參數(shù)包括彈性模量和泊松比；振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果包括瞬態(tài)等效應(yīng)力場(chǎng)和瞬態(tài)等效應(yīng)變場(chǎng)。

具體而言，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可以以熱應(yīng)力作為初始應(yīng)力條件，實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響，再結(jié)合材料的非線性物理性能(熱膨脹系數(shù))和力學(xué)性能參數(shù)(彈性模量和泊松比)求解結(jié)構(gòu)的熱模態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)同時(shí)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響。

電子組件在使用過程中不同部位溫度差異較大，存在復(fù)雜的非均勻溫度場(chǎng)和較大溫度梯度。溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響可以包括兩方面：

首先，溫度的變化使得材料的彈性模量E發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的初始剛度發(fā)生相應(yīng)的變化，可以基于以下公式獲取溫度變化后結(jié)構(gòu)的初始剛度矩陣：

其中，[B]為幾何矩陣，[D_T]為與材料彈性模量E和泊松比μ相關(guān)的彈性矩陣。溫度變化時(shí)矩陣[D_T]也相應(yīng)的變化。

其次，結(jié)構(gòu)溫度變化后，內(nèi)部存在的溫度梯度引起了熱應(yīng)力，需要在結(jié)構(gòu)的剛度矩陣中附加初始應(yīng)力矩陣，可以基于以下公式獲取結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力剛度矩陣：

其中[G]為形函數(shù)矩陣，[I']為應(yīng)力矩陣。

綜上所述，考慮溫度效應(yīng)后，可以基于以下公式獲取結(jié)構(gòu)的熱剛度矩陣：

[K]＝[K_T]+[K_σ]

考慮溫度效應(yīng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，即可以基于以下公式獲取求解的廣義特征值問題：

式中，為結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量矩陣。

通過以上公式實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)綜合作用對(duì)固有頻率ω、振型的影響。

最終，獲取電子組件的固有頻率和振型，即固有頻率和振型，對(duì)電子組件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法實(shí)施例1，可以通過熱模態(tài)的迭代過程實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，使得振動(dòng)應(yīng)力分析方法更加精確；具體的，通過瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析(瞬態(tài)熱分析、結(jié)構(gòu)分析)以及熱模態(tài)的迭代過程的實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響，提高了電子組件的瞬態(tài)振動(dòng)應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法一具體實(shí)施例：

為了解決傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析的結(jié)果與實(shí)際工況下的電子組件的受力情況存在誤差的問題，同時(shí)基于以上本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法實(shí)施例1的技術(shù)思想，進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)方案，特以ANSYS分析軟件(美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件)為例，說明本發(fā)明子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法的具體實(shí)現(xiàn)過程：

由于溫度場(chǎng)的時(shí)刻變化使得熱應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)刻變化，因此，瞬態(tài)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)綜合作用對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響需要將溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)瞬態(tài)迭代加入對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分析的影響分析?；贏NSYS的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)綜合作用下的振動(dòng)應(yīng)力分析方法可以如圖2所示；圖2為本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法一具體實(shí)施例的分析流程示意圖；如圖2：

ANSYS分析軟件考慮溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的振動(dòng)應(yīng)力分析流程可以包括：電子組件有限元模型、熱模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析；其中，本發(fā)明各實(shí)施例可以首先根據(jù)電子組件實(shí)物特點(diǎn)，建立電子組件的有限元模型，并進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，為后續(xù)的熱模態(tài)分析提供模型基礎(chǔ)。然后可以通過熱模態(tài)的迭代過程實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，以及溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響。

1、電子組件有限元模型

根據(jù)電子組件實(shí)物特點(diǎn)，利用ANSYS軟件的Designmodeler模塊建立電子組件的有限元模型，并進(jìn)行有必要的模型簡(jiǎn)化工作。為后續(xù)熱模態(tài)分析提供基礎(chǔ)。

2、熱模態(tài)分析(迭代進(jìn)行)

熱模態(tài)分析是以熱分析和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)的。熱模態(tài)的分析流程可以分為3個(gè)階段：

(1)瞬態(tài)熱分析

首先是瞬態(tài)傳熱分析，設(shè)置電子組件熱邊界條件，結(jié)合材料的非線性熱物理參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等)求解獲得瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

若材料熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)[K]、比熱[C]等)、邊界條件(h)隨溫度T變化，或者含有非線性單元，或者考慮輻射傳熱時(shí)，則為非線性熱分析。其中可以通過以下的熱平衡矩陣方程進(jìn)行非線性熱分析：

其中：[C(T)]、[K(T)]、{Q(T)}為與溫度相關(guān)的相對(duì)應(yīng)參數(shù)。

當(dāng)材料熱性能[K]、[C]等非線性因素隨著溫度變化時(shí)，相應(yīng)的溫度變化場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)的變化。

(2)熱結(jié)構(gòu)分析

熱-結(jié)構(gòu)分析是以熱分析的瞬態(tài)溫度場(chǎng)為載荷，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件，結(jié)合材料的非線性物理性能參數(shù)(熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比)以及參考溫度求解熱應(yīng)力。

在進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將熱分析獲得的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)作為載荷，分析整體結(jié)構(gòu)在邊界約束條件下的彈塑性變形響應(yīng)。

可以采用增量本構(gòu)，同時(shí)可以基于以下幾何方程獲取應(yīng)變張量：

無體力的平衡方程為：

dσ_ijj＝0

式中u_i是位移矢量，ε_ij是應(yīng)變張量，σ_ij是應(yīng)力張量。

結(jié)構(gòu)被加熱或冷卻時(shí)，體積會(huì)發(fā)生變化，熱變形取決于熱膨脹系數(shù)和溫度變化量。結(jié)構(gòu)內(nèi)不均勻的溫度場(chǎng)引起熱變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過屈服極限時(shí)，材料進(jìn)入塑性?？倯?yīng)變由彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變構(gòu)成，可以基于以下以應(yīng)變張量的增量形式的熱彈塑性本構(gòu)方程，來獲取相應(yīng)張量：

其中是彈性應(yīng)變張量，是塑性變形張量，是熱變形張量。

彈性應(yīng)變規(guī)律遵從虎克定律：

其中，E_T是依賴于溫度的彈性模量，σ_ij是應(yīng)力張量，v是泊松比，δ_ij是單位矩陣。

根據(jù)材料的線性膨脹定律，可以基于以下公式獲取熱應(yīng)變張量：

式中α_T是依賴于溫度的熱膨脹系數(shù)。

塑性行為可以采用不同的塑性本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)基于Mises屈服準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化的塑性增量理論，當(dāng)材料應(yīng)力張量處于屈服面內(nèi)，或者材料處于卸載狀態(tài)時(shí)，材料服從線彈性定律、無塑性變形；當(dāng)材料應(yīng)力張量處于屈服面上，且材料處于加載狀態(tài)時(shí)，材料出現(xiàn)塑性流動(dòng)?？梢曰谝韵鹿将@取塑性應(yīng)變張量：

當(dāng)或

當(dāng)或

其中，為屈服面，為等效應(yīng)力，H'為切向模量。

(3)結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，以熱應(yīng)力作為初始應(yīng)力條件，實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響，再結(jié)合材料的非線性物理性能(熱膨脹系數(shù))和力學(xué)性能參數(shù)(彈性模量和泊松比)求解結(jié)構(gòu)的熱模態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)同時(shí)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響。

電子組件在使用過程中不同部位溫度差異較大，存在復(fù)雜的非均勻溫度場(chǎng)和較大溫度梯度。溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響主要可以包括兩方面：

首先，溫度的變化使得材料的彈性模量E發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的初始剛度發(fā)生相應(yīng)的變化，可以基于以下公式獲取溫度變化后結(jié)構(gòu)的初始剛度矩陣：

其中，[B]為幾何矩陣，[D_T]為與材料彈性模量E和泊松比μ相關(guān)的彈性矩陣。溫度變化時(shí)矩陣[D_T]也相應(yīng)的變化。

其次，結(jié)構(gòu)溫度變化后，內(nèi)部存在的溫度梯度引起了熱應(yīng)力，需要在結(jié)構(gòu)的剛度矩陣中附加初始應(yīng)力矩陣，可以基于以下公式獲取結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力剛度矩陣：

其中[G]為形函數(shù)矩陣，[I']為應(yīng)力矩陣。

綜上所述，考慮溫度效應(yīng)后，可以基于以下公式獲取結(jié)構(gòu)的熱剛度矩陣：

[K]＝[K_T]+[K_σ]

考慮溫度效應(yīng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，即可以基于以下公式獲取求解的廣義特征值問題：

式中，為結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量矩陣。

通過以上公式實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)綜合作用對(duì)固有頻率ω、振型的影響。

3、隨機(jī)振動(dòng)分析

獲取電子組件的固有頻率和振型，即固有頻率ω、振型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。

通過瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析(瞬態(tài)熱分析、結(jié)構(gòu)分析)以及熱模態(tài)的迭代過程的實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，以及溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響。通過瞬態(tài)熱分析各子步時(shí)刻下的振動(dòng)結(jié)果，如瞬態(tài)等效應(yīng)力場(chǎng)、瞬態(tài)等效應(yīng)變場(chǎng)。

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法，可以通過熱模態(tài)的迭代過程實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，使得振動(dòng)應(yīng)力分析方法更加精確；具體的，通過瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析(瞬態(tài)熱分析、結(jié)構(gòu)分析)以及熱模態(tài)的迭代過程的實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響，提高了電子組件的瞬態(tài)振動(dòng)應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)實(shí)施例1：

為了解決傳統(tǒng)的振動(dòng)應(yīng)力分析方法分析的結(jié)果與實(shí)際工況下的電子組件的受力情況存在誤差的問題，本發(fā)明還提供了一種電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)實(shí)施例1；圖3為本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖3所示，可以包括：

瞬態(tài)熱分析單元310，用于根據(jù)電子組件的預(yù)設(shè)熱邊界條件和非線性熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析求解，得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)；

結(jié)構(gòu)分析單元320，用于基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件；根據(jù)結(jié)構(gòu)邊界條件、電子組件的非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲取熱應(yīng)力；

模態(tài)分析單元330，用于根據(jù)熱應(yīng)力和電子組件的非線性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱模態(tài)分析，獲取電子組件的固有頻率和振型；

隨機(jī)振動(dòng)分析單元340，用于根據(jù)固有頻率和振型分析電子組件的振動(dòng)應(yīng)力。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，預(yù)設(shè)熱邊界條件包括瞬態(tài)環(huán)境熱載荷邊界條件和元器件功耗邊界條件；非線性熱學(xué)參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)和比熱；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，瞬態(tài)熱分析單元310，用于在預(yù)設(shè)熱邊界條件下，根據(jù)非線性熱學(xué)參數(shù)，通過熱平衡矩陣方程獲取瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，非線性物理參數(shù)包括熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)分析單元320可以包括：

確定結(jié)構(gòu)邊界條件模塊322，用于將瞬態(tài)溫度場(chǎng)作為載荷，確定電子組件的結(jié)構(gòu)邊界條件；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)分析單元320還可以包括：

獲取熱應(yīng)力模塊324，用于在結(jié)構(gòu)邊界條件下，根據(jù)非線性物理參數(shù)和預(yù)設(shè)參考溫度，通過相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系方程獲取熱應(yīng)力。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，非線性力學(xué)參數(shù)包括彈性模量和泊松比；

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果包括瞬態(tài)等效應(yīng)力場(chǎng)和瞬態(tài)等效應(yīng)變場(chǎng)。

具體而言，本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)實(shí)施例1中的各單元以及模塊，可以對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)上述電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析方法各實(shí)施例中的方法步驟，因此此處不再贅述。

本發(fā)明電子組件振動(dòng)應(yīng)力的分析系統(tǒng)實(shí)施例1，可以通過熱模態(tài)的迭代過程實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)變化與應(yīng)力場(chǎng)變化的相互影響，使得振動(dòng)應(yīng)力分析方法更加精確；具體的，通過瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析(瞬態(tài)熱分析、結(jié)構(gòu)分析)以及熱模態(tài)的迭代過程的實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的影響，提高了電子組件的瞬態(tài)振動(dòng)應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。