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關於熱疲勞✘☁│、熱分析✘☁│、熱疲勞可靠性分析的專業技術知識介紹

釋出時間↟▩✘: 2019-12-16  點選次數↟▩✘: 1645次

高低溫溼熱試驗箱產品規格↟▩✘:SEH-190CE表示低溫度0℃ / CR表示低-20/ CL表示低-40/ CS表示低-70

型號

SEH-190

SEH-330

SEH-600

SEH-100

SEH-1500

工作室尺寸

(W x D x H cm)

58×45×75

58×76×75

80×80×95

100×100×100

110×147×95

外箱尺寸

(W x D x H cm)

87×155×180

87×185×180

109×196×199

139×215×199

139×268×199

溫度範圍

0℃/-20℃/-40℃/-70℃+100℃/+150℃/+180℃

溫度均勻度

≤2℃

溫度偏差

±2℃

溫度波動度

≤±0.5,GB/T5170-1996表示

升降溫速率

升溫3/min☁₪◕✘,降溫 1/min

溼度範圍

1098%RH

溼度偏差

±3%(75%RH), ±5%(≤75%R)

溫度控制器

雙通道溫溼度控制器(控制軟體自行開發)

裝置執行方式

定值執行✘☁│、程式執行

製冷系統

製冷壓縮機

進口全封閉壓縮機

冷卻方式

風冷(水冷選配)

加溼用水

蒸餾水或去離子水

安全保護措施

漏電✘☁│、短路✘☁│、超溫✘☁│、缺水✘☁│、電機過熱✘☁│、壓縮機超壓✘☁│、過載✘☁│、過流

標準裝置

試品擱板(兩套)✘☁│、觀察窗✘☁│、照明燈✘☁│、電纜孔(Ø50一個)✘☁│、腳輪

電源

AC380V  50Hz 三相四線+接地線

熱疲勞
金屬材料由於溫度梯度迴圈引起的熱應力迴圈(或熱應變迴圈)☁₪◕✘,而產生的疲勞破壞現象☁₪◕✘,稱為熱疲勞◕₪•│。
 
產生原因
金屬零件在高溫條件下工作時☁₪◕✘,其環境溫度並不恆定☁₪◕✘,而有時是急劇反覆變化的◕₪•│。由此造成的膨脹和收縮若受到約束時☁₪◕✘,在零件內部就會產生熱應力(又稱溫差應力)◕₪•│。溫度反覆變化☁₪◕✘,熱應力也隨著反覆變化☁₪◕✘,從而使材料受到疲勞損傷◕₪•│。
塑性材料抗熱應變的能力較強☁₪◕✘,故不易發生熱疲勞◕₪•│。相反☁₪◕✘,脆性材料抗熱應變的能力差☁₪◕✘,熱應力容易達到材料的斷裂應力故易受熱衝擊而破壞◕₪•│。
 
特徵
(1)典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀◕₪•│。
(2)裂紋走向可以是沿晶型的☁₪◕✘,也可以是穿晶型的;一般裂紋端部較尖銳☁₪◕✘,裂紋內有或充滿氧化物◕₪•│。
(3)宏觀斷口呈灰色☁₪◕✘,併為氧化物覆蓋◕₪•│。
(4)裂紋源於表面☁₪◕✘,裂紋擴充套件深度與應力✘☁│、時間及溫差變化相對應◕₪•│。
 
影響因素
(1)環境的溫度梯度及變化頻率越大越易產生熱疲勞◕₪•│。
(2)熱膨脹係數不同的材料組合時☁₪◕✘,易出現熱疲勞◕₪•│。
(3)晶粒粗大且不均勻☁₪◕✘,易出現熱疲勞◕₪•│。
(4)晶界分佈的第二相質點對熱疲勞的產生☁₪◕✘,具有促進作用◕₪•│。
(5)材料的塑性差☁₪◕✘,易出現熱疲勞◕₪•│。
(6)零件的幾何結構對金屬的膨脹和收縮的約束作用大☁₪◕✘,易出現熱疲勞◕₪•│。
 
熱分析
  熱分析☁₪◕✘,又稱熱模擬☁₪◕✘,是利用數學手段☁₪◕✘,在電子產品的設計階段獲得溫度分佈的方法☁₪◕✘,它可以使電子產品設計人員和可靠性設計人員在設計初期就能發現產品的熱缺陷☁₪◕✘,從而改進其設計☁₪◕✘,為提高產品設計的合理性及可靠性提供有力保障◕₪•│。
 
熱分析需建立電子產品溫度場和流場的數學模型☁₪◕✘,並對其求解☁₪◕✘,由於求解的複雜性☁₪◕✘,熱分析大都採用軟體來完成◕₪•│。國外有很多公司已經開發了電產品熱分析軟體☁₪◕✘,並且大多數已經商品化◕₪•│。應用軟體進行熱分析的基本步驟為↟▩✘:
(a)根據或設計要求建立熱分析模型☁₪◕✘,確定邊界條件;
(b)劃分網格☁₪◕✘,進行計算☁₪◕✘,迭代直到收斂為止;
(c)後處理☁₪◕✘,以報表✘☁│、圖形或動畫的形式觀察溫度場◕₪•│。
熱分析軟體雖能較準確的獲得溫度場的分佈☁₪◕✘,但在應用過程中可能存在建模不合理☁₪◕✘,輸入引數的不準確等原因而導致熱分析誤差較大☁₪◕✘,不能滿足工程要求◕₪•│。
 
熱分析CAE工具實施要點
(1)建模
熱分析模型建立的不準確☁₪◕✘,會導致較大的熱分析誤差☁₪◕✘,不能滿足工程要求◕₪•│。對於準確的模型☁₪◕✘,如果過於複雜☁₪◕✘,又會佔用大量的計算機資源和計算時間;如果過於簡單☁₪◕✘,則計算結果可能會忽略大量的細節☁₪◕✘,而達不到分析的目的◕₪•│。
建模的策略是由重要到次要☁₪◕✘,由簡單到複雜◕₪•│。即從重要的入手☁₪◕✘,比如確定整體佈局☁₪◕✘,對壁✘☁│、外殼✘☁│、開孔✘☁│、功耗✘☁│、電路板等進行建模;在這基礎上☁₪◕✘,再加入其它較重要的影響因素☁₪◕✘,比如器件的佈局與建模☁₪◕✘,外殼與外界的熱交換等等;對重點分析部位進行詳細建模(例如對關鍵發熱元器件進行三維詳細建模);對於次要因素☁₪◕✘,進行粗略建模☁₪◕✘,甚至忽略掉(例如對於發熱很小或不發熱的元器件)◕₪•│。
(2)輸入引數的確定
輸入引數的準確與否☁₪◕✘,極大地影響著熱分析結果◕₪•│。輸入引數主要包括材料的熱傳導率✘☁│、元器件的熱功耗✘☁│、初始條件等等☁₪◕✘,其中傳導率等可透過查工程熱設計手冊✘☁│、實驗或反覆修正來得到☁₪◕✘,初始條件可透過測量得到☁₪◕✘,熱功耗可以透過查產品手冊或電路模擬的方法得到◕₪•│。
(3)網格劃分技術
    劃分網格的多少在一定程度上影響著熱分析的結果☁₪◕✘,通常網格劃分的越多☁₪◕✘,則計算精度越高☁₪◕✘,但網格過多計算時間將過長☁₪◕✘,而精度得不到明顯的提高◕₪•│。因此應靈活運用網格劃分技術☁₪◕✘,在重要部位(如溫度梯度高的位置☁₪◕✘,晶片位置等)進行區域性加密☁₪◕✘,在不規則形狀處採用非結構化網格◕₪•│。
 
應用示例
作為一個示例☁₪◕✘,採用某熱分析軟體對一個板級電路進行熱分析◕₪•│。
(1)建立熱分析模型
(2)設定電路板的屬性
 在電路板的屬性選單設定電路板的幾何尺寸✘☁│、層的厚度和電路板中金屬部分的傳導率(例如銅的傳導率為388W/m.K)等引數◕₪•│。
(3)輸入引數
 如是穩態熱分析☁₪◕✘,初始條件可設為0☁₪◕✘,如不是穩態分析☁₪◕✘,可設定開始時刻的溫度值;設定每個器件的功耗;器件的熱傳導率☁₪◕✘,對於詳細建模的器件還應分別輸入其金屬部分的熱傳導率和非金屬部分的熱傳導率;電路板的工作環境條件☁₪◕✘,包括電路板在機箱中的位置✘☁│、空氣流動情況✘☁│、鄰近電路板或機箱壁的熱效應等◕₪•│。
(4)劃分網格
 進入網格劃分選單☁₪◕✘,選擇相鄰網格間的寬度和高度☁₪◕✘,計算機自動劃分網格◕₪•│。
(5)檢視分析結果
 進入後處理選單☁₪◕✘,可選擇多種檢視結果的方法◕₪•│。例如溫度分佈圖☁₪◕✘,溫度梯度分佈圖☁₪◕✘,等溫圖等◕₪•│。
熱疲勞可靠性模擬分析
 熱疲勞可靠性分析是熱疲勞分析與可靠性分析的一體化☁₪◕✘,在分析時☁₪◕✘,很多情況下難以直接建立應力✘☁│、應變✘☁│、位移等與載荷✘☁│、材料✘☁│、結構尺寸的關係☁₪◕✘,往往需要藉助熱分析CAE工具進行分析☁₪◕✘,這種情況下反映為功能函式與基本隨機變數的關係是隱式的◕₪•│。

從可靠度計算的角度分析☁₪◕✘,模擬法和響應面法一般只需要獲得功能函式在給定樣本點的值☁₪◕✘,這些值可以藉助熱分析CAE工具分析獲得☁₪◕✘,再對結果進行統計來計算可靠度;一次可靠度法不僅需要計算功能函式的值☁₪◕✘,還需要獲得功能函式關於隨機向量的梯度◕₪•│。

利用熱分析CAE工具進行可靠性模擬計算☁₪◕✘,必須解決以下2個問題↟▩✘:
(1)可靠度計算程式對熱分析CAE軟體的封裝和呼叫☁₪◕✘,以實現功能函式值的計算;
(2)梯度的計算☁₪◕✘,這可以在獲得功能函式值的基礎上採用有限差分法計算◕₪•│。
因此關鍵是實現利用熱分析CAE工具實現功能函式值的計算◕₪•│。

有兩種實現可靠性模擬計算的思路↟▩✘:抽樣模擬和迭代模擬◕₪•│。

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