电子组件振动应力的分析方法及系统与流程

本发明涉及故障分析技术领域，特别是涉及一种电子组件振动应力的分析方法及系统。

背景技术：

电子组件是武器装备等电子设备的关键组成部分，它在服役过程中通常受到温度和振动的影响。而温度和振动是导致电子设备故障的主要原因，并且温度和振动的耦合作用通常大大加速了电子设备失效的进程。由于受到环境温度和自身功耗的影响，电子组件在服役过程中，结构内部通常具有一定的温度场和较大的温度梯度。而这种温度梯度将引起电子组件的变形(它与温度变化量及材料的热膨胀系数有关)，由于热变形的不匹配而导致受约束电子组件内部产生了应力，而这种应力场称为热应力场。而温度场将引起电子组件材料力学性能的变化，热应力场将对电子组件结构刚度造成一定的影响。温度场和热应力场的综合作用称为温度效应。温度场的变化伴随了热应力场的生成，同时也引起了热应力场的变化。因此，电子组件在服役过程中，通常是在结构内部具有一定非均匀温度场和热应力场的情况下受到振动载荷的影响。

随着现代武器装备研究的快速发展，仿真技术越来越受到重视。采用仿真技术对电子组件的受力情况进行模拟仿真，已经成为目前比较重要的分析手段。热应力分析方法和振动应力分析方法是目前常用的应力分析方法。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：

实际的电子组件无论何时都会受到温度的影响，如果电子组件还受到振动载荷的作用，即是受到温度和振动共同影响；由于温度场自身和热应力场对振动应力影响的影响机理不同，在进行温度与振动耦合虚拟试验技术研究时，环境温度或功耗变化越大，温度场和热应力场变化越大，采用上述两种振动应力分析方法分析结果误差越大。因此，传统的振动应力分析方法分析的结果与实际工况下的电子组件的受力情况存在较大的误差。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的振动应力分析方法分析的结果与实际工况下的电子组件的受力情况存在误差的问题，提供一种电子组件振动应力的分析方法及系统。

为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：

一方面，提供了一种电子组件振动应力的分析方法，包括以下步骤：

根据电子组件的预设热边界条件和非线性热学参数进行瞬态热分析求解，得到瞬态温度场；

基于瞬态温度场，确定电子组件的结构边界条件；根据结构边界条件、电子组件的非线性物理参数和预设参考温度进行结构分析，获取热应力；

根据热应力和电子组件的非线性力学参数进行热模态分析，获取电子组件的固有频率和振型；

根据固有频率和振型分析电子组件的振动应力。

另一方面，提供了一种电子组件振动应力的分析系统，包括：

瞬态热分析单元，用于根据电子组件的预设热边界条件和非线性热学参数进行瞬态热分析求解，得到瞬态温度场；

结构分析单元，用于基于瞬态温度场，确定电子组件的结构边界条件；根据结构边界条件、电子组件的非线性物理参数和预设参考温度进行结构分析，获取热应力；

模态分析单元，用于根据热应力和电子组件的非线性力学参数进行热模态分析，获取电子组件的固有频率和振型；

随机振动分析单元，用于根据固有频率和振型分析电子组件的振动应力。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明电子组件振动应力的分析方法及系统，可以通过热模态的迭代过程实现温度场变化与应力场变化的相互影响，使得振动应力分析方法更加精确；具体的，通过瞬态热结构分析(瞬态热分析、结构分析)以及热模态的迭代过程的实现温度场和热应力场对振动应力的影响，提高了电子组件的瞬态振动应力分析的准确性。

附图说明

图1为本发明电子组件振动应力的分析方法实施例1的流程示意图；

图2为本发明电子组件振动应力的分析方法一具体实施例的分析流程示意图；

图3为本发明电子组件振动应力的分析系统实施例1的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明各实施例中涉及到的缩略语和关键术语定义：

热应力：由于热变形而使受约束物体内产生的应力(或称为温应力)。

热应力场：物质系统内个个点上热应力的集合成为热应力场。

温度场：物质系统内个个点上温度的集合成为温度场。

关于本发明各实施例的应用场景的进一步说明：

传统的应力分析方法带来的误差在大功耗电子组件上体现的尤其明显。除了环境温度的影响外，由于自身功耗的影响，电子组件结构内部也通常具有较大的温度变化，较大的温度变化使得大功耗电子组件内部具有一定的瞬态非均匀温度场和较大的热应力，这种瞬态非均匀温度场和热应力场将对电子组件材料力学性能和结构刚度造成一定的影响。在这种情况下，采用传统的振动应力分析方法，分析结果与实际的情况将存在更大的误差。

一般来说，环境温度或功耗变化越大，温度场和热应力场变化越大，采用传统的振动应力分析方法分析结果误差越大。为了解决上述问题，同时考虑到温度场自身和热应力场对振动应力影响的影响机理不同，在进行温度与振动耦合虚拟试验技术研究时，本发明各实施例给出了获取温度场和热应力场的综合作用对振动应力影响的技术方案。即本发明各实施例提供了一种电子组件在结构内部具有一定瞬态非均匀温度场和热应力场综合作用情况下的振动应力分析方法。

本发明电子组件振动应力的分析方法实施例1：

为了解决传统的振动应力分析方法分析的结果与实际工况下的电子组件的受力情况存在误差的问题，本发明提供了一种电子组件振动应力的分析方法实施例1；图1为本发明电子组件振动应力的分析方法实施例1的流程示意图；如图1所示，可以包括以下步骤：

步骤S110：根据电子组件的预设热边界条件和非线性热学参数进行瞬态热分析求解，得到瞬态温度场；

步骤S120：基于瞬态温度场，确定电子组件的结构边界条件；根据结构边界条件、电子组件的非线性物理参数和预设参考温度进行结构分析，获取热应力；

步骤S130：根据热应力和电子组件的非线性力学参数进行热模态分析，获取电子组件的固有频率和振型；

步骤S140：根据固有频率和振型分析电子组件的振动应力。

具体而言，由于材料结构内非均匀温度场存在着温度梯度，同时不同材料的热膨胀系数不同，使得结构内部会产生热应力。内部结构的热应力也会改变结构的刚度和刚度分布，导致结构的弯、扭刚度下降；此外温度场的时刻变化使得热应力场的时刻变化；而本发明将温度场和热应力场瞬态迭代加入对振动应力分析的影响分析，从而得到瞬态的温度场和热应力场综合作用对振动应力的影响。

在本发明各实施例中，考虑温度场和热应力场的振动应力分析流程可以包括：电子组件有限元模型、热模态分析和随机振动分析；其中，本发明各实施例可以首先根据电子组件实物特点，建立电子组件的有限元模型，并进行模型简化，为后续的热模态分析提供模型基础。然后可以通过热模态的迭代过程实现温度场变化与应力场变化的相互影响，以及温度场和热应力场对振动应力的影响。

在一个具体的实施例中，预设热边界条件可以包括瞬态环境热载荷边界条件和元器件功耗边界条件；非线性热学参数包括导热系数和比热；

在一个具体的实施例中，根据电子组件的预设热边界条件和非线性热学参数进行瞬态热分析求解，得到瞬态温度场的步骤包括：

在预设热边界条件下，根据非线性热学参数，通过热平衡矩阵方程获取瞬态温度场。

具体而言，在进行瞬态传热分析时，可以先获取预设的电子组件热边界条件，然后结合材料的非线性热物理参数(导热系数、比热等)求解获得瞬态温度场。

一般来说，若材料热性能(导热系数[K]、比热[C]等)、边界条件(h)随温度T变化，或者含有非线性单元，或者考虑辐射传热时，则为非线性热分析。其中可以通过以下的热平衡矩阵方程进行非线性热分析：

其中：[C(T)]、[K(T)]、{Q(T)}为与温度相关的相对应参数。

当材料热性能[K]、[C]等非线性因素随着温度变化时，相应的温度变化场也会相应的变化。

在一个具体的实施例中，非线性物理参数包括热膨胀系数、弹性模量和泊松比；

在一个具体的实施例中，基于瞬态温度场，确定电子组件的结构边界条件的步骤包括：

将瞬态温度场作为载荷，确定电子组件的结构边界条件；

在一个具体的实施例中，根据结构边界条件、电子组件的非线性物理参数和预设参考温度进行结构分析，获取热应力的步骤包括：

在结构边界条件下，根据非线性物理参数和预设参考温度，通过相应的本构关系方程获取热应力。

具体而言，热-结构分析是以热分析的瞬态温度场为载荷，确定电子组件的结构边界条件，结合材料的非线性物理参数(热膨胀系数、弹性模量和泊松比)以及参考温度求解热应力。

在进行热-结构计算时，将热分析获得的结构温度场作为载荷，分析整体结构在边界约束条件下的弹塑性变形响应。

可以采用增量本构，同时可以基于以下几何方程获取应变张量：

无体力的平衡方程为：

dσ_ijj＝0

式中u_i是位移矢量，ε_ij是应变张量，σ_ij是应力张量。

结构被加热或冷却时，体积会发生变化，热变形取决于热膨胀系数和温度变化量。结构内不均匀的温度场引起热变形不协调，导致热应力。当热应力超过屈服极限时，材料进入塑性。总应变由弹性应变、塑性应变和热应变构成，可以基于以下以应变张量的增量形式的热弹塑性本构方程，来获取相应张量：

其中是弹性应变张量，是塑性变形张量，是热变形张量。

弹性应变规律遵从虎克定律：

其中，E_T是依赖于温度的弹性模量，σ_ij是应力张量，v是泊松比，δ_ij是单位矩阵。

根据材料的线性膨胀定律，可以基于以下公式获取热应变张量：

式中α_T是依赖于温度的热膨胀系数。

塑性行为可以采用不同的塑性本构关系。根据基于Mises屈服准则和等向强化的塑性增量理论，当材料应力张量处于屈服面内，或者材料处于卸载状态时，材料服从线弹性定律、无塑性变形；当材料应力张量处于屈服面上，且材料处于加载状态时，材料出现塑性流动。可以基于以下公式获取塑性应变张量：

当或

当或

其中，为屈服面，为等效应力，H'为切向模量。

在一个具体的实施例中，非线性力学参数包括弹性模量和泊松比；振动应力分析结果包括瞬态等效应力场和瞬态等效应变场。

具体而言，结构模态分析可以以热应力作为初始应力条件，实现热应力场对振动应力的影响，再结合材料的非线性物理性能(热膨胀系数)和力学性能参数(弹性模量和泊松比)求解结构的热模态，实现温度场和热应力场同时对振动应力的影响。

电子组件在使用过程中不同部位温度差异较大，存在复杂的非均匀温度场和较大温度梯度。温度效应对结构刚度的影响可以包括两方面：

首先，温度的变化使得材料的弹性模量E发生变化，导致结构的初始刚度发生相应的变化，可以基于以下公式获取温度变化后结构的初始刚度矩阵：

其中，[B]为几何矩阵，[D_T]为与材料弹性模量E和泊松比μ相关的弹性矩阵。温度变化时矩阵[D_T]也相应的变化。

其次，结构温度变化后，内部存在的温度梯度引起了热应力，需要在结构的刚度矩阵中附加初始应力矩阵，可以基于以下公式获取结构的初始应力刚度矩阵：

其中[G]为形函数矩阵，[I']为应力矩阵。

综上所述，考虑温度效应后，可以基于以下公式获取结构的热刚度矩阵：

[K]＝[K_T]+[K_σ]

考虑温度效应的结构模态分析，即可以基于以下公式获取求解的广义特征值问题：

式中，为结构的总体质量矩阵。

通过以上公式实现温度场和热应力场综合作用对固有频率ω、振型的影响。

最终，获取电子组件的固有频率和振型，即固有频率和振型，对电子组件进行随机振动分析。

本发明电子组件振动应力的分析方法实施例1，可以通过热模态的迭代过程实现温度场变化与应力场变化的相互影响，使得振动应力分析方法更加精确；具体的，通过瞬态热结构分析(瞬态热分析、结构分析)以及热模态的迭代过程的实现温度场和热应力场对振动应力的影响，提高了电子组件的瞬态振动应力分析的准确性。

本发明电子组件振动应力的分析方法一具体实施例：

为了解决传统的振动应力分析方法分析的结果与实际工况下的电子组件的受力情况存在误差的问题，同时基于以上本发明电子组件振动应力的分析方法实施例1的技术思想，进一步阐述本发明的技术方案，特以ANSYS分析软件(美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件)为例，说明本发明子组件振动应力的分析方法的具体实现过程：

由于温度场的时刻变化使得热应力场的时刻变化，因此，瞬态的温度场和热应力场综合作用对振动应力的影响需要将温度场和热应力场瞬态迭代加入对振动应力分析的影响分析。基于ANSYS的温度场和热应力场综合作用下的振动应力分析方法可以如图2所示；图2为本发明电子组件振动应力的分析方法一具体实施例的分析流程示意图；如图2：

ANSYS分析软件考虑温度场和热应力场的振动应力分析流程可以包括：电子组件有限元模型、热模态分析和随机振动分析；其中，本发明各实施例可以首先根据电子组件实物特点，建立电子组件的有限元模型，并进行模型简化，为后续的热模态分析提供模型基础。然后可以通过热模态的迭代过程实现温度场变化与应力场变化的相互影响，以及温度场和热应力场对振动应力的影响。

1、电子组件有限元模型

根据电子组件实物特点，利用ANSYS软件的Designmodeler模块建立电子组件的有限元模型，并进行有必要的模型简化工作。为后续热模态分析提供基础。

2、热模态分析(迭代进行)

热模态分析是以热分析和结构分析为基础的。热模态的分析流程可以分为3个阶段：

(1)瞬态热分析

首先是瞬态传热分析，设置电子组件热边界条件，结合材料的非线性热物理参数(导热系数、比热等)求解获得瞬态温度场。

若材料热性能(导热系数[K]、比热[C]等)、边界条件(h)随温度T变化，或者含有非线性单元，或者考虑辐射传热时，则为非线性热分析。其中可以通过以下的热平衡矩阵方程进行非线性热分析：

其中：[C(T)]、[K(T)]、{Q(T)}为与温度相关的相对应参数。

当材料热性能[K]、[C]等非线性因素随着温度变化时，相应的温度变化场也会相应的变化。

(2)热结构分析

热-结构分析是以热分析的瞬态温度场为载荷，确定电子组件的结构边界条件，结合材料的非线性物理性能参数(热膨胀系数、弹性模量和泊松比)以及参考温度求解热应力。

在进行热-结构计算时，将热分析获得的结构温度场作为载荷，分析整体结构在边界约束条件下的弹塑性变形响应。

可以采用增量本构，同时可以基于以下几何方程获取应变张量：

无体力的平衡方程为：

dσ_ijj＝0

式中u_i是位移矢量，ε_ij是应变张量，σ_ij是应力张量。

结构被加热或冷却时，体积会发生变化，热变形取决于热膨胀系数和温度变化量。结构内不均匀的温度场引起热变形不协调，导致热应力。当热应力超过屈服极限时，材料进入塑性。总应变由弹性应变、塑性应变和热应变构成，可以基于以下以应变张量的增量形式的热弹塑性本构方程，来获取相应张量：

其中是弹性应变张量，是塑性变形张量，是热变形张量。

弹性应变规律遵从虎克定律：

其中，E_T是依赖于温度的弹性模量，σ_ij是应力张量，v是泊松比，δ_ij是单位矩阵。

根据材料的线性膨胀定律，可以基于以下公式获取热应变张量：

式中α_T是依赖于温度的热膨胀系数。

塑性行为可以采用不同的塑性本构关系。根据基于Mises屈服准则和等向强化的塑性增量理论，当材料应力张量处于屈服面内，或者材料处于卸载状态时，材料服从线弹性定律、无塑性变形；当材料应力张量处于屈服面上，且材料处于加载状态时，材料出现塑性流动。可以基于以下公式获取塑性应变张量：

当或

当或

其中，为屈服面，为等效应力，H'为切向模量。

(3)结构热模态分析

结构模态分析，以热应力作为初始应力条件，实现热应力场对振动应力的影响，再结合材料的非线性物理性能(热膨胀系数)和力学性能参数(弹性模量和泊松比)求解结构的热模态，实现温度场和热应力场同时对振动应力的影响。

电子组件在使用过程中不同部位温度差异较大，存在复杂的非均匀温度场和较大温度梯度。温度效应对结构刚度的影响主要可以包括两方面：

首先，温度的变化使得材料的弹性模量E发生变化，导致结构的初始刚度发生相应的变化，可以基于以下公式获取温度变化后结构的初始刚度矩阵：

其中，[B]为几何矩阵，[D_T]为与材料弹性模量E和泊松比μ相关的弹性矩阵。温度变化时矩阵[D_T]也相应的变化。

其次，结构温度变化后，内部存在的温度梯度引起了热应力，需要在结构的刚度矩阵中附加初始应力矩阵，可以基于以下公式获取结构的初始应力刚度矩阵：

其中[G]为形函数矩阵，[I']为应力矩阵。

综上所述，考虑温度效应后，可以基于以下公式获取结构的热刚度矩阵：

[K]＝[K_T]+[K_σ]

考虑温度效应的结构模态分析，即可以基于以下公式获取求解的广义特征值问题：

式中，为结构的总体质量矩阵。

通过以上公式实现温度场和热应力场综合作用对固有频率ω、振型的影响。

3、随机振动分析

获取电子组件的固有频率和振型，即固有频率ω、振型进行随机振动分析。

通过瞬态热结构分析(瞬态热分析、结构分析)以及热模态的迭代过程的实现温度场变化与应力场变化的相互影响，以及温度场和热应力场对振动应力的影响。通过瞬态热分析各子步时刻下的振动结果，如瞬态等效应力场、瞬态等效应变场。

本发明电子组件振动应力的分析方法，可以通过热模态的迭代过程实现温度场变化与应力场变化的相互影响，使得振动应力分析方法更加精确；具体的，通过瞬态热结构分析(瞬态热分析、结构分析)以及热模态的迭代过程的实现温度场和热应力场对振动应力的影响，提高了电子组件的瞬态振动应力分析的准确性。

本发明电子组件振动应力的分析系统实施例1：

为了解决传统的振动应力分析方法分析的结果与实际工况下的电子组件的受力情况存在误差的问题，本发明还提供了一种电子组件振动应力的分析系统实施例1；图3为本发明电子组件振动应力的分析系统实施例1的结构示意图；如图3所示，可以包括：

瞬态热分析单元310，用于根据电子组件的预设热边界条件和非线性热学参数进行瞬态热分析求解，得到瞬态温度场；

结构分析单元320，用于基于瞬态温度场，确定电子组件的结构边界条件；根据结构边界条件、电子组件的非线性物理参数和预设参考温度进行结构分析，获取热应力；

模态分析单元330，用于根据热应力和电子组件的非线性力学参数进行热模态分析，获取电子组件的固有频率和振型；

随机振动分析单元340，用于根据固有频率和振型分析电子组件的振动应力。

在一个具体的实施例中，预设热边界条件包括瞬态环境热载荷边界条件和元器件功耗边界条件；非线性热学参数包括导热系数和比热；

在一个具体的实施例中，瞬态热分析单元310，用于在预设热边界条件下，根据非线性热学参数，通过热平衡矩阵方程获取瞬态温度场。

在一个具体的实施例中，非线性物理参数包括热膨胀系数、弹性模量和泊松比；

在一个具体的实施例中，结构分析单元320可以包括：

确定结构边界条件模块322，用于将瞬态温度场作为载荷，确定电子组件的结构边界条件；

在一个具体的实施例中，结构分析单元320还可以包括：

获取热应力模块324，用于在结构边界条件下，根据非线性物理参数和预设参考温度，通过相应的本构关系方程获取热应力。

在一个具体的实施例中，非线性力学参数包括弹性模量和泊松比；

在一个具体的实施例中，振动应力分析结果包括瞬态等效应力场和瞬态等效应变场。

具体而言，本发明电子组件振动应力的分析系统实施例1中的各单元以及模块，可以对应实现上述电子组件振动应力的分析方法各实施例中的方法步骤，因此此处不再赘述。

本发明电子组件振动应力的分析系统实施例1，可以通过热模态的迭代过程实现温度场变化与应力场变化的相互影响，使得振动应力分析方法更加精确；具体的，通过瞬态热结构分析(瞬态热分析、结构分析)以及热模态的迭代过程的实现温度场和热应力场对振动应力的影响，提高了电子组件的瞬态振动应力分析的准确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。