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

機柜抗震分析:

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

隱式求解器Abaqus/Standard適于進行基于頻域的動力學分析: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,基于模態(tài)和直接積分的穩(wěn)態(tài)動力學分析,隨機響應分析,響應譜分析等等。以上所有分析可以基于線性或者非線性的狀態(tài)進行(如考慮結構預載荷的頻率提取分析),通過step by step的分析方法來實現(xiàn)多步驟的分析。結構基礎的位移,速度或加速度可以設置成隨時間變化(模態(tài)動力學)或隨頻率變化(穩(wěn)態(tài)動力學)。除此之外,Standard還提供了在時域上積分的隱式動力學分析和復頻率提取分析。

顯式求解器Abaqus/Explicit適于進行基于時域的動力學分析: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,材料失效等效應的問題。該方法可以在時域上精確地捕捉結構的響應歷程,但所消耗的計算機資源比基于模態(tài)的動力學要大許多。對于大規(guī)模模型,可以采用基于域分解的單機多CPU和多機并行(MPI)功能來加速的顯式積分的求解速度。

由于以上兩個求解器均為Abaqus自己開發(fā)的產(chǎn)品,二者的結合非常緊密,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,邊界條件等內容,這為用戶對同一個問題采用不同算法進行分析提供了方便的途徑。
Abaqus還可以方便的進行子模型的分析,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)格可以比較粗進行結構整體響應的分析,而最可能發(fā)生破壞的地方局部需要進行網(wǎng)格加密,可以作為一個子模型單獨進行分析而把整體計算的結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模型,可以考慮材料的塑性,損傷,失效,溫度相關等非線性效應,用戶還可以利用Abaqus的用戶子程序的功能進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構的相互接觸作用,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)格并確保單元的計算精度很高;連接單元庫(connector elements)提供了廣泛的機構連接方式來模擬各種機構部件之間的連接關系,如鉸接,焊點,萬向接頭等,甚至可以考慮連接單元的失效來模擬機構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算),這就為大規(guī)模模型的動力學計算提供了方便的途徑,用戶可以僅把最關心的模型部位作為變形體,而其他部位作為剛體,當初步的分析完成后,可以再一步一步把剛體轉化成變形體,最終獲得符合實際的結果,該功能使得用戶對分析過程的控制非常方便。

熱傳導和熱應力問題:

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)生很大的熱應力,導致封裝失效。Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能,包括:穩(wěn)態(tài)熱傳導和瞬態(tài)熱傳導分析,順序耦合熱固分析,完全耦合熱固分析,強制對流和輻射分析,熱界面接觸,熱電耦合等等?？梢远x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、高溫蠕變等復雜材料模型,來模擬金屬、聚合物、復合材料等電子材料的熱學和力學性質。

Abaqus包括51種純熱傳導和熱電耦合單元,83種隱式和顯式完全熱固耦合單元,覆蓋桿、殼、平面應變、平面應力、軸對稱和實體各種單元類型,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采用Abaqus分析BGA焊點熱應力和熱應變的模型圖。

Abaqus還是世界上各大汽車廠商分析發(fā)動機中熱固耦合和接觸問題的標準軟件,如奧地利著名發(fā)動機生產(chǎn)商AVL在自己的發(fā)動機分析軟件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熱、封裝材料界面間的熱傳導、板上元件的強制對流散熱、散熱片通過空氣的輻射散熱等

 
熱疲勞問題:

由于受熱導致的應力和應變在溫度循環(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)分析功能提供了預測承受熱載荷的彈塑性結構的低周熱疲勞壽命。更復雜的疲勞問題可以通過Abaqus/Safe模塊來實現(xiàn)。右圖是NEC公司和紐約州立大學Buffalo分校電子封裝中心合作采用Abaqus進行表面貼裝中共晶焊點熱疲勞失效分析的結果。

沖擊和跌落問題:

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

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

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

以上結構為薄壁結構,傳統(tǒng)方法采用殼單元模擬。但從CAD軟件中導入的模型中往往包括上千個表面,提取中面并劃分殼單元是一個需要高技巧和豐富經(jīng)驗,并且非常耗費時間的工作。然而劃分四面體的實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方法進行求解,考慮裝配預應力的跌落和碰撞分析需要結合隱式和顯式的方法進行求解。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中均提供10結點的修正四面體單元,模擬接觸問題精度很高,并且兩個求解器的模型可以無縫轉化,這樣為進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雜的機械加工過程,研究其中的制造殘余應力,結構翹曲是很重要的工作。Abaqus中強大的接觸、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研究所采用Abaqus子模型的功能研究BGA封裝焊點的全局模型和研究局部細節(jié)的子模型網(wǎng)格圖。

斷裂和材料失效分析:

Abaqus的斷裂力學分析功能在商業(yè)求解器中是國際上公認的最強的,并且不斷在客戶推動下發(fā)展,最新功能包括粘結單元和虛擬裂紋閉合技術等工程斷裂分析技術。此外,Abaqus可以很方便的進行材料剪切、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)廠商提供設計標準。

分層和開裂

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

濕應力:

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中具有很強的質量擴散分析和土壤滲流和混凝土固結分析功能,其力學本質和濕應力問題類似,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CALCE封裝中心和Philips公司合作用Abaqus計算下填料(Underfill)中潮氣擴散導致的濕應力問題的結果。

聲場分析:

MEMS、麥克風和手機等封裝組件中都需要進行聲場和聲固耦合的分析,Abaqus擁有強大的聲場和聲固耦合分析功能,對結構采用固體單元,對空氣采用聲場單元進行聲固耦合的分析,右圖是手機內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算機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行這樣的分析,覆蓋桿、平面應變、平面應力、軸對稱和實體各種單元類型,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體材料和無鉛焊料層出不窮。各種新材料的機械性能、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求解器關聯(lián)來深入研究新的電子材料性能。這項功能也是國際上每年數(shù)以千計的學術論文是基于Abaqus發(fā)表的重要原因。

MEMS(微電子機械系統(tǒng))裝置分析

MEMS(微電子機械系統(tǒng))裝置的計算機分析具有與眾不同的特點,需要有軟件能夠提供靈活的建模工具,對多重物理現(xiàn)象進行耦合,并將整個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 設計和分析軟件市場中,Coventor 是公認的市場領袖。CoventorWare 是一組集成的軟件,它利用 Abaqus 進行結構、熱力學、壓電分析及電機和組件相結合的結構部分的分析。列舉了兩個利用 CoventorWare Abaqus 對 MEMS 裝置進行電子機械分析的例子。

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

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

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

無線鼠標下落測試的模擬分析

個人電子產(chǎn)品受到機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)受這種載荷對于設計一個成功的產(chǎn)品很關鍵。

要評估一個電子產(chǎn)品受到撞擊載荷時的響應,需要結合實驗測試和分析模擬。與物理實驗相比,模擬有著明顯的優(yōu)勢:提供重復結果和模型上任意點的信息(應力、應變、加速度等等),成本低,在設計過程中,任意階段都可以進行模擬。

涉及的分析是一個無線光電鼠標從 1 米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構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力集中。在這些區(qū)域中的應力可采用子模型技術進行更詳細的分析,利用子模型技術,整個模型得到的結果可以用來驅動某個區(qū)域中更小的、更詳細的模型。

右圖為分析結束時模型結構,連接件在大約 0.08 毫秒時損壞,引起外殼完全分離。

跌落模擬已經(jīng)成為設計個人電子產(chǎn)品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先進性使得這種加載情況很容易運用到設計過程中去。

電視機線性動力學分析

整個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的共振點,合理優(yōu)化設計,降低振動響應。
 
手機FPC優(yōu)化設計

FPC是手機中容易發(fā)生破壞的部件之一,為破壞分析更加準確,結合FPC的實際結構,應用雙層層結構來模擬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)處理以更加準確的模擬FPC的銅線層。