典型用戶——摩托羅拉,英特爾,諾基亞,惠普,華為,比亞迪,UT-斯達(dá)康,Flextronics,ASM,IBM,Molex,Radius,Toshiba、Philips等

機(jī)柜抗震分析:

Abaqus軟件被廣泛用于機(jī)械,電子,土建等領(lǐng)域的抗震和沖擊方面的分析。在進(jìn)行震動和沖擊方面的應(yīng)用中,Abaqus的優(yōu)勢最大體現(xiàn)在結(jié)合了隱式求解器和顯式求解器的優(yōu)點(diǎn):

隱式求解器Abaqus/Standard適于進(jìn)行基于頻域的動力學(xué)分析:自振頻率提取(對大規(guī)模模型可以采用并行的Lanczos特征值提取器),模態(tài)動力學(xué),基于模態(tài)和直接積分的穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析,隨機(jī)響應(yīng)分析,響應(yīng)譜分析等等。以上所有分析可以基于線性或者非線性的狀態(tài)進(jìn)行(如考慮結(jié)構(gòu)預(yù)載荷的頻率提取分析),通過step by step的分析方法來實(shí)現(xiàn)多步驟的分析。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的位移,速度或加速度可以設(shè)置成隨時(shí)間變化(模態(tài)動力學(xué))或隨頻率變化(穩(wěn)態(tài)動力學(xué))。除此之外,Standard還提供了在時(shí)域上積分的隱式動力學(xué)分析和復(fù)頻率提取分析。

顯式求解器Abaqus/Explicit適于進(jìn)行基于時(shí)域的動力學(xué)分析:該方法尤其適于高度非線性的震動和沖擊問題的分析,如考慮塑性,接觸,材料失效等效應(yīng)的問題。該方法可以在時(shí)域上精確地捕捉結(jié)構(gòu)的響應(yīng)歷程,但所消耗的計(jì)算機(jī)資源比基于模態(tài)的動力學(xué)要大許多。對于大規(guī)模模型,可以采用基于域分解的單機(jī)多CPU和多機(jī)并行(MPI)功能來加速的顯式積分的求解速度。

由于以上兩個(gè)求解器均為Abaqus自己開發(fā)的產(chǎn)品,二者的結(jié)合非常緊密,其輸入文件的語法格式完全一致。在前后處理模塊Abaqus/CAE中,還允許用戶對同一有限元模型方便地在這兩種分析方法中切換,并保留以前分析中定義好的載荷,接觸,邊界條件等內(nèi)容,這為用戶對同一個(gè)問題采用不同算法進(jìn)行分析提供了方便的途徑。
Abaqus還可以方便的進(jìn)行子模型的分析,并且隱式和顯式求解器均支持該功能。這對大規(guī)模模型的震動分析很有幫助:整體模型的網(wǎng)格可以比較粗進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的分析,而最可能發(fā)生破壞的地方局部需要進(jìn)行網(wǎng)格加密,可以作為一個(gè)子模型單獨(dú)進(jìn)行分析而把整體計(jì)算的結(jié)果作為邊界條件施加到子模型上。

Abaqus提供了豐富的材料模型庫,用戶可以方便的選擇包括金屬,工程塑料,泡沫材料等多種材料本構(gòu)模型,可以考慮材料的塑性,損傷,失效,溫度相關(guān)等非線性效應(yīng),用戶還可以利用Abaqus的用戶子程序的功能進(jìn)一步添加自己所需要的材料模型。

Abaqus提供了豐富的單元庫,其中的實(shí)體殼單元(SC8R,SC6R)可以讓用戶不必抽取中面就能夠模擬薄壁結(jié)構(gòu)的相互接觸作用,并允許單元的邊長比很大;修正的二階十節(jié)點(diǎn)四面體單元(C3D10M)允許用戶快速的劃分網(wǎng)格并確保單元的計(jì)算精度很高;連接單元庫(connector elements)提供了廣泛的機(jī)構(gòu)連接方式來模擬各種機(jī)構(gòu)部件之間的連接關(guān)系,如鉸接,焊點(diǎn),萬向接頭等,甚至可以考慮連接單元的失效來模擬機(jī)構(gòu)部件在震動和沖擊作用下互相之間的脫開。

Abaqus提供了廣義剛體功能,模型中的任何一部分允許是變形體,也允許是剛體,甚至是顯示體(僅顯示出模型的形狀不參與有限元計(jì)算),這就為大規(guī)模模型的動力學(xué)計(jì)算提供了方便的途徑,用戶可以僅把最關(guān)心的模型部位作為變形體,而其他部位作為剛體,當(dāng)初步的分析完成后,可以再一步一步把剛體轉(zhuǎn)化成變形體,最終獲得符合實(shí)際的結(jié)果,該功能使得用戶對分析過程的控制非常方便。

熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力問題:

由不同材料組成的封裝組件在溫度變化的環(huán)境下會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,導(dǎo)致封裝失效。Abaqus具有強(qiáng)大的熱固耦合分析功能,包括:穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析,順序耦合熱固分析,完全耦合熱固分析,強(qiáng)制對流和輻射分析,熱界面接觸,熱電耦合等等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數(shù)的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復(fù)雜材料模型,來模擬金屬、聚合物、復(fù)合材料等電子材料的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。

Abaqus包括51種純熱傳導(dǎo)和熱電耦合單元,83種隱式和顯式完全熱固耦合單元,覆蓋桿、殼、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實(shí)體各種單元類型,包括一階和二階單元,為用戶建模提供極大的方便。右圖是臺灣新竹清華大學(xué)采用Abaqus分析BGA焊點(diǎn)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的模型圖。

Abaqus還是世界上各大汽車廠商分析發(fā)動機(jī)中熱固耦合和接觸問題的標(biāo)準(zhǔn)軟件,如奧地利著名發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商AVL在自己的發(fā)動機(jī)分析軟件AVL.Excite中嵌入Abaqus作為求解器。下圖為采用Abaqus分析得到的某電路板的溫度場分布云圖。

典型應(yīng)用:塑料、陶瓷、金屬封裝等各種封裝組件在溫度載荷下的變形和受力、IC芯片和基板之間的導(dǎo)熱、封裝材料界面間的熱傳導(dǎo)、板上元件的強(qiáng)制對流散熱、散熱片通過空氣的輻射散熱等

 
熱疲勞問題:

由于受熱導(dǎo)致的應(yīng)力和應(yīng)變在溫度循環(huán)下會造成封裝材料疲勞失效,如倒裝焊中的焊點(diǎn)和表面貼裝中的引線熱疲勞問題。Abaqus/Standard中的直接載荷循環(huán)分析功能提供了預(yù)測承受熱載荷的彈塑性結(jié)構(gòu)的低周熱疲勞壽命。更復(fù)雜的疲勞問題可以通過Abaqus/Safe模塊來實(shí)現(xiàn)。右圖是NEC公司和紐約州立大學(xué)Buffalo分校電子封裝中心合作采用Abaqus進(jìn)行表面貼裝中共晶焊點(diǎn)熱疲勞失效分析的結(jié)果。

沖擊和跌落問題:

深入研究個(gè)人手持電子產(chǎn)品的沖擊和跌落問題是具有挑戰(zhàn)的工作。難點(diǎn)來源于:

復(fù)雜的幾何體:典型的組成包括材料為 (1mm厚)熱塑塑料的前后薄壁外殼,兩個(gè)或更多個(gè)印制電路板(PCB)、連接件、鈑金片、橡膠墊、電池、金屬彈簧和一個(gè)LCD顯示屏,PCB板是三明治結(jié)構(gòu),由2到6個(gè)螺釘固定。

許多元件間的接觸作用:各個(gè)元件置于主PCB板和前后外殼之間,由粘接劑或鉚頭固定,各個(gè)元件之間和內(nèi)壁會發(fā)生接觸。

以上結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)方法采用殼單元模擬。但從CAD軟件中導(dǎo)入的模型中往往包括上千個(gè)表面,提取中面并劃分殼單元是一個(gè)需要高技巧和豐富經(jīng)驗(yàn),并且非常耗費(fèi)時(shí)間的工作。然而劃分四面體的實(shí)體單元可以在有限元軟件中自動完成,并且只需要幾分鐘。在這樣的情況下需要選擇精度和可靠性都很高的四面體單元。

跌落和碰撞問題一般需要采用顯式動力學(xué)方法進(jìn)行求解,考慮裝配預(yù)應(yīng)力的跌落和碰撞分析需要結(jié)合隱式和顯式的方法進(jìn)行求解。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中均提供10結(jié)點(diǎn)的修正四面體單元,模擬接觸問題精度很高,并且兩個(gè)求解器的模型可以無縫轉(zhuǎn)化,這樣為進(jìn)行沖擊和跌落分析提供了一種快捷、精確的方法。所以世界上重要手機(jī)和汽車生產(chǎn)商如摩托羅拉、諾基亞、寶馬等都首選Abaqus作為跌落和碰撞分析的求解器。

封裝制造過程模擬:

各級封裝組件,如圓片的劃片、切邊,金屬封裝中的釬焊、退火,塑封中焊球的回流、固化,薄膜材料涂層等過程均是復(fù)雜的機(jī)械加工過程,研究其中的制造殘余應(yīng)力,結(jié)構(gòu)翹曲是很重要的工作。Abaqus中強(qiáng)大的接觸、單元生死、退火成形分析、蒙皮建模、子模型等功能可以有效的模擬各種制造過程。下圖為新加坡微電子學(xué)研究所采用Abaqus子模型的功能研究BGA封裝焊點(diǎn)的全局模型和研究局部細(xì)節(jié)的子模型網(wǎng)格圖。

斷裂和材料失效分析:

Abaqus的斷裂力學(xué)分析功能在商業(yè)求解器中是國際上公認(rèn)的最強(qiáng)的,并且不斷在客戶推動下發(fā)展,最新功能包括粘結(jié)單元和虛擬裂紋閉合技術(shù)等工程斷裂分析技術(shù)。此外,Abaqus可以很方便的進(jìn)行材料剪切、拉伸、屈曲等工況下失效的模擬。這樣為模擬芯片,模塑料等封裝組件開裂問題提供了有力手段。右圖是Intel公司和Abaqus合作,利用粘結(jié)單元模擬焊球和基板之間的開裂,對母板生產(chǎn)廠商提供設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

分層和開裂

Abaqus不光有斷裂力學(xué)分析功能,而且在客戶推動下,最新功能包括粘結(jié)單元和虛擬裂紋閉合技術(shù)(VCCT)等工程斷裂分析技術(shù)。下圖是Intel公司做的PCB板的彎曲,焊點(diǎn)失效。

濕應(yīng)力:

模塑料、下填料等高分子材料在潮濕環(huán)境下會吸收水汽并脹大,造成封裝開裂、漏氣等。Abaqus中具有很強(qiáng)的質(zhì)量擴(kuò)散分析和土壤滲流和混凝土固結(jié)分析功能,其力學(xué)本質(zhì)和濕應(yīng)力問題類似,借助這些分析功能可以有效的解決熱-濕-固三場耦合分析問題。上圖是Nokia公司、馬里蘭大學(xué)CALCE封裝中心和Philips公司合作用Abaqus計(jì)算下填料(Underfill)中潮氣擴(kuò)散導(dǎo)致的濕應(yīng)力問題的結(jié)果。

聲場分析:

MEMS、麥克風(fēng)和手機(jī)等封裝組件中都需要進(jìn)行聲場和聲固耦合的分析,Abaqus擁有強(qiáng)大的聲場和聲固耦合分析功能,對結(jié)構(gòu)采用固體單元,對空氣采用聲場單元進(jìn)行聲固耦合的分析,右圖是手機(jī)內(nèi)部空氣的聲壓分布云圖。

用戶舒適性:

Abaqus和HP公司一起合作研究過計(jì)算機(jī)鍵盤按鍵下的橡膠墊片的受力情況,確定用戶鍵入力、橡膠變形和電信號傳輸?shù)年P(guān)系,來提升用戶使用鍵盤的舒適性。該分析中涉及幾何大變形、超彈性材料和接觸非線性等復(fù)雜非線性問題,如右圖所示。
右下圖為Motorola公司采用Abaqus分析翻蓋手機(jī)在循環(huán)翻蓋中的絞接處變形和受力情況,為產(chǎn)品的耐用性預(yù)測提供依據(jù)。

壓電分析:

壓電材料在MEMS中被廣泛使用,Abaqus提供26種電固耦合單元可以進(jìn)行這樣的分析,覆蓋桿、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實(shí)體各種單元類型,包括一階和二階單元。國際上兩大專用MEMS軟件Coventor和IntelliSense均把Abaqus作為求解器嵌入其分析模塊中。

新的電子材料:

隨著電子行業(yè)的發(fā)展和環(huán)保的要求,各種新的電子材料如特殊的半導(dǎo)體材料和無鉛焊料層出不窮。各種新材料的機(jī)械性能、熱性能和電性能往往具有其特殊之處,需要采用新的材料模型來描述。Abaqus除了具有廣泛的材料模型庫外,還提供了很友好的用戶二次開發(fā)功能,用戶可以使用Fortran和C++語言編寫各種新的材料模型,并和Abaqus求解器關(guān)聯(lián)來深入研究新的電子材料性能。這項(xiàng)功能也是國際上每年數(shù)以千計(jì)的學(xué)術(shù)論文是基于Abaqus發(fā)表的重要原因。

MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))裝置分析

MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))裝置的計(jì)算機(jī)分析具有與眾不同的特點(diǎn),需要有軟件能夠提供靈活的建模工具,對多重物理現(xiàn)象進(jìn)行耦合,并將整個(gè)裝置考慮到它們的宏觀環(huán)境中去。為了滿足這些要求,Abaqus和商用 MEMS 軟件的開發(fā)者合作,向軟件包提供必要的有限元分析功能。

在MEMS 設(shè)計(jì)和分析軟件市場中,Coventor 是公認(rèn)的市場領(lǐng)袖。CoventorWare 是一組集成的軟件,它利用 Abaqus 進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、壓電分析及電機(jī)和組件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)部分的分析。列舉了兩個(gè)利用 CoventorWare Abaqus 對 MEMS 裝置進(jìn)行電子機(jī)械分析的例子。

第一個(gè)裝置是一個(gè)懸掛板式可變電容器,這種可變電容器是用于加速計(jì)、回轉(zhuǎn)儀和射電頻率 (RF) 產(chǎn)品中的可調(diào)電容器。

第二個(gè)裝置是一個(gè)靜電開關(guān)(參見圖),靜電開關(guān)用在有線通訊系統(tǒng)的微觀繼電器中和無線通信系統(tǒng)的被動 RF 開關(guān)中。

右圖為一個(gè) MEMS 開關(guān)的操作原理圖。在“OFF”狀態(tài)下,RF 線之間的電沒有連通。在“ON”狀態(tài)下,開關(guān)通過在開關(guān)自由端附近的金屬凸起與傳輸線有電的連通。

無線鼠標(biāo)下落測試的模擬分析

個(gè)人電子產(chǎn)品受到機(jī)械撞擊載荷是很尋常的,特別是從手中或者桌上掉下來產(chǎn)生的撞擊。能否經(jīng)受這種載荷對于設(shè)計(jì)一個(gè)成功的產(chǎn)品很關(guān)鍵。

要評估一個(gè)電子產(chǎn)品受到撞擊載荷時(shí)的響應(yīng),需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試和分析模擬。與物理實(shí)驗(yàn)相比,模擬有著明顯的優(yōu)勢:提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點(diǎn)的信息(應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等),成本低,在設(shè)計(jì)過程中,任意階段都可以進(jìn)行模擬。

涉及的分析是一個(gè)無線光電鼠標(biāo)從 1 米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構(gòu)件在跌落過程中可能出現(xiàn)的故障。

在撞擊區(qū)域和支持電路板凸起的底部有應(yīng)力集中。在這些區(qū)域中的應(yīng)力可采用子模型技術(shù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析,利用子模型技術(shù),整個(gè)模型得到的結(jié)果可以用來驅(qū)動某個(gè)區(qū)域中更小的、更詳細(xì)的模型。

右圖為分析結(jié)束時(shí)模型結(jié)構(gòu),連接件在大約 0.08 毫秒時(shí)損壞,引起外殼完全分離。

跌落模擬已經(jīng)成為設(shè)計(jì)個(gè)人電子產(chǎn)品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先進(jìn)性使得這種加載情況很容易運(yùn)用到設(shè)計(jì)過程中去。

電視機(jī)線性動力學(xué)分析

整個(gè)模型部件均以殼體單元模擬。 包括后殼,顯像管,前殼三部分。前后殼為HIPS塑料,顯像管為玻璃材料。在前后殼以螺栓及卡扣相連接,顯像管與前殼以螺栓連接。分析的目的是找出電視機(jī)的共振點(diǎn),合理優(yōu)化設(shè)計(jì),降低振動響應(yīng)。
 
手機(jī)FPC優(yōu)化設(shè)計(jì)

FPC是手機(jī)中容易發(fā)生破壞的部件之一,為破壞分析更加準(zhǔn)確,結(jié)合FPC的實(shí)際結(jié)構(gòu),應(yīng)用雙層層結(jié)構(gòu)來模擬FPC模型,材料模型選用五層二維各向異性層材料模型,并在層材料上采用分區(qū)處理以更加準(zhǔn)確的模擬FPC的銅線層。