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子模型技術在3D仿真中的應用

1 ?子模型方法簡介
子模型方法又稱為切割邊界位移法或是特定邊界位移法,基于圣維南原理。即如果實際分布載荷被等效載荷所替代以后,應力和應變只在載荷施加的位置附近改變。
該項功能的目的是在獲得總體不太精確的結果后,為了在指定區域得到滿意的結果,通過對關注區域創建子模型可以得到新的、更準確的解,子模型方法的應用很廣泛,本文以電子封裝行業的BGA封裝為例進行介紹。
2 ?初始模型計算
以某BGA封裝器件熱力仿真為例,本文通過CATIA進行實體建模(亦可為其它三維建模軟件,或者采用ANSYS Workbench中的geometry建模),通過STP格式導入,模型如下:
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圖1仿真模型
為了便于網格劃分和后面的子模型邊界約束加載,對模型進行適當切割。
網格劃分如下(具體過程不再贅述):
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圖2網格全局視圖
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圖3網格局部視圖
材料設置中,其它材料均采用線彈性,錫鉛焊料采用粘塑性Anand模型,如圖:
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圖4 Sn63Pb37焊料Anand參數
本仿真采用1/4模型求解,兩個對稱面分別施加frictionless約束,軸對稱棱施加fixed約束,整體施加溫度載荷,最高溫度85℃,如圖所示:
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圖5邊界及約束
由于涉及到非線性計算,收斂過程較慢,求解過程信息如下:
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圖6求解信息
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圖7力收斂曲線
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圖8位移收斂曲線
計算結果如下:
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圖9整體形變分布
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圖10 BGA焊點等效應力
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圖11 BGA焊點塑形應變
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圖12危險焊點處等效應力
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圖13危險焊點處塑形應變
3 ?子模型處理
從第2節中求解結果可見,最邊角處的焊點為危險點,采用子模型方法對其進行精確求解。
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圖14計算結果傳遞
首先對求解工程進行復制,將求解結果傳遞至子模型工程中,點擊進入子模型中的geometry進行編輯,切除掉其他區域,如圖15。
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圖15子區域切割
進行求解設置如下,右鍵點擊Submodeling,插入“Cut Boundary Constraint”,
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圖16插入切割邊界約束
出現Imported Cut Boundary Constraint項,右鍵點擊并選擇Import Load,成功加載切割邊界的位移約束。
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圖17子模型邊界加載
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圖18加載后的邊界約束
對所關注區域進行求解,為了達到更高的求解精度,對子模型進行網格重新劃分。為了便于對比,進行了3組求解:
1)基板網格尺寸0.5mm,焊點網格尺寸0.1mm
2)基板網格尺寸0.25mm,焊點網格尺寸0.05mm
3)基板網格尺寸0.1mm,焊點網格尺寸0.05mm
結果對比如下表:
可以看出,采用子模型方法計算的結果與初始模型還是有差異。初始模型由于存在BGA陣列,求解時網格劃分過密則會導致計算效率下降,采用子模型處理后,對所關注區域可細分網格進行高精度計算,當網格細分到一定程度,計算結果已非常接近,可認為接近極限精度。
本文為作者親試,計算案例采用電子封裝行業的BGA封裝,事實上對于所有的結構熱力學分析均適用。
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