• 跨越熱循環加速熱機械的疲勞模擬

儘管您可能不知道它們的存在，但您的汽車中有數十個電子控制單元（ECU）——即金屬或塑膠外殼中的印刷電路板（PCB），用於控制和監控您的汽車的許多控制系統的操作和安全性。這些單元必須在您的汽車壽命內運作，在此期間它們將受到許多加熱和冷卻循環的影響。最明顯的循環發生在您在夜間冷卻後啟動汽車時。當汽車運行時，它會變熱，然後在您關閉它後再次冷卻。這是一個“環境”溫度循環。

在 PCB 上，還可以發生稱為“主動”熱循環的額外循環，這些循環局部地在特定的電子元件內部發生。例如，MOSFET 晶體管會吸收大量電流並加熱其位置附近的 PCB，進而導致額外的熱循環。這些複雜的溫度分佈可能會導致 PCB 上的局部熱機械應變，因為 PCB 上的溫度差異導致板的差異性擴展。由於板子受到其外殼的限制，這可能會導致板子彎曲，對連接元件和板子的焊接點施加額外的應變。如果一個焊接點失效，它可能會產生多米諾效應，因為原本吸收的應力被轉移到附近的焊接點上。這可能會影響整個系統的可靠性。

為了支持 ECU 可靠性設計，首先在早期設計階段就對 ECU 進行了在氣候室中的物理溫度循環模擬。雖然模擬顯然是更有效的方法，但直到最近它還存在許多限制。廣泛使用的基於功率法則的方法——僅模擬少量循環並預測焊接點的壽命——存在許多缺陷，無法給出絕對的壽命預測或者損傷驅動負載重分布及其非線性演化。德國 Robert Bosch GmbH 的工程師 Youssef Maniar 和 Marta Kuczynska 開發了一個準確的非線性損傷模型，能夠預測焊接連接的絕對壽命。他們面臨的問題是，絕對壽命預測涉及模擬對組件施加的所有循環，因此計算工作量非常大。大約兩年前，他們閱讀了一篇學術論文，該論文描述了一種“跳躍”過一些循環以加速模擬的方法。他們與Ansys合作將這種創新的計算方法實現到 Ansys Mechanical 中，Ansys 很高興地進行了實現。

“現在，我們可以節省三分之二的CPU時間來模擬熱循環的壽命，而不會影響準確性，” Bosch公司的企業研究和先進工程部門的Maniar。

Cyclic jump simulation

 

• 「跳躍」的基礎

能夠跳過大量模擬的熱機械循環，以極大地加速模擬時間而不影響準確性的背後是複雜的數學，但軟體基本上是在運行時查看某些解的變量（例如應力）與時間的斜率或“梯度”，以確定何時可以跳過接下來的n個循環。在運行之前，最大的n值必須由模擬工程師定義。模擬工程師還需提前輸入其他參數，以對軟體施加限制，從而最佳化運行。

Bosch Automotive Electronics的可靠性模擬工程師Kuczynska表示：“軟體根據內部變量的演變自行決定跳躍的大小，但仍然需要用戶的控制輸入。”軟體必須計算至少三個跳躍之間的中間循環，但這個數字可以由模擬工程師進行調整。“因此，該算法執行跳躍，然後計算用戶定義的連續循環數，以再次估算斜率，以確定是繼續模擬循環還是允許另一個跳躍。”

數據的梯度表明系統在該點是否穩定或變化迅速。如果變化迅速，模擬更多的中間循環是必要的。如果穩定，另一個跳躍可能有助於加速模擬。

模擬工程師必須了解系統，以決定模擬循環與跳過循環的適當比例，在開始階段可能需要一些試錯。
Kuczynska表示：“如果負載幅度不是很高，可以允許跳躍算法跳過更多的循環。”

 

• 「跳躍」的實施

起初，Bosch的工程師主動採取行動，通過編寫自己的算法來實現跳躍。這是一個成功的概念驗證，但並不友好。基本上，它涉及在Ansys Mechanical中運行模擬，然後離開Ansys平台，在Bosch軟體中執行跳躍，然後再次在Mechanical中重新啟動模擬。

Kuczynska說：“這個版本只是用於測試目的。” “它的運作方式如何？我們應該使用這種策略來增加數值效率嗎？”

一旦他們確定新方法可行，他們就向Ansys提出將其納入Mechanical中的要求。Ansys團隊迅速抓住了這個機會。

兩年後，通過兩個算法的努力，跳躍功能已成為Mechanical商業版的一部分。首先生成的算法不是最佳的，因此Bosch和Ansys團隊繼續合作，直到得到滿意的結果。第二個算法正是他們想要的。

Maniar說：“我們與Ansys進行了兩年的良好討論，來回進行微調算法，以使其按照我們設想的方式運作。” “在Bosch和Ansys工程師之間進行這種高技術水平的對話非常重要。”

Kuczynska對比較“跳躍”結果與完整加載歷史的模擬後所得的算法印象深刻。

她說：“我對跳躍有多聰明感到驚訝。” “跳過大量熱循環勢必會引入一些誤差，因為我們正在進行外推。但在之後計算的連續循環之後，軟體會收斂到完整的模擬結果，我們看到預測的準確性確實令人驚訝。”

 

• 未來應用

在汽車應用中展示了跳躍技術對於預測由於熱機械疲勞而導致的焊接點的操作壽命是有效的後，Bosch的工程師急於將該技術擴展到預測其他損傷機制。材料在時間和溫度循環中的性質會持續變化，包括其他老化過程，例如聚合物的熱誘導氧化，這可能導致電子元件的硬化和劣化。

Kuczynska表示：“這種模擬技術可以用於預測系統內任何循環非線性材料演化。” “它促使了新方法的開發。我的意思是，以前我們從未夢想過能夠針對不同類型的循環老化機制進行基於模擬的絕對壽命預測。現在我們有了這個機會。”

跳躍技術對於正在開發中的新汽車應用也將非常有價值。

Maniar表示：“由於自動駕駛和汽車行業的電氣化，我們遇到了新的負載情況和許多創新的組件。” “這意味著我們有新的電子系統需要研究，而像這樣的加速模擬測試方法對於開發過程將更加重要。”

Maniar和Kuczynska與Bosch的同事Alexander Kabakchiev和Masoomeh Bazrafshan以及德國斯圖加特大學材料測試、材料科學和材料強度研究所的Peter Binkele和Siegfried Schmauder一起發表了一篇論文，描述了他們的發現，題為“熱機械循環載荷下焊接點失效的非局部損傷建模”，作為2021年ASME國際技術會議和電子光子微系統封裝和集成展覽的一部分。

Bosch和Ansys目前正在共同撰寫一篇技術論文，描述這種新的循環跳躍技術，以便發表在期刊上，以便其他人能夠從這種創新的模擬技術中受益。