作者
Tim Palucka
Ansys Advantage 執行編輯

儘管您可能沒有意識到，您的汽車中存在數十個電子控制單元 (ECU)（金屬或塑膠外殼中的印刷電路板 (PCB)），用於控制和監控車輛許多控制系統的運作和安全。這些裝置必須在汽車的整個使用壽命內正常工作，在此期間它們會經歷多次加熱和冷卻循環。最明顯的循環發生在夜間冷卻後啟動汽車時。當汽車行駛時它會變熱，然後當你關閉它時又會冷卻。這是一個「環境」溫度循環。

PCB 上的特定電子元件內可能會局部發生額外的所謂「主動」熱循環。例如，MOSFET 電晶體會消耗大量電流並加熱其位置附近的 PCB，從而導致額外的熱循環。這些複雜的溫度分佈可能會導致局部熱機械應變，因為 PCB 上的溫度差異會導致電路板的膨脹差異。由於電路板受到其外殼的限制，這可能會導致電路板彎曲，從而對將組件連接到電路板的焊點施加額外的壓力。如果一個焊點失效，可能會產生骨牌效應，因為失效焊點一旦吸收的應力就會轉移到附近的焊點。這會影響整個系統的可靠性。

為了支援 ECU 可靠度設計，在早期設計階段，先對氣候室內 ECU 的物理溫度循環進行 ECU 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。廣泛使用的基於冪律的方法（僅模擬幾個週期和焊點壽命預測）有許多缺點，無法捕捉絕對壽命預測或損壞驅動的負載重新定位及其非線性演化。德國羅伯特博世有限公司(Bosch )的工程師 Youssef Maniar 和 Marta Kuczynska 開發了一種精確的非線性損傷模型，能夠預測焊料連接的絕對壽命。他們面臨的問題是，絕對壽命預測涉及對施加於組件的所有循環進行模擬，因此計算量很大。然後，他們運用了一篇學術論文，其中描述了一種「跳過」某些週期以加速模擬的方法。他們聯絡 Ansys，希望將這種創新計算方法應用到Ansys Mechanical中。

「我們現在節省了三分之二的 CPU 時間來模擬熱循環的壽命，而不犧牲精度，」Bosch 企業研究和高級工程部的 Maniar 說。 

「跳躍」的基礎知識

涉及跳過大量模擬熱機械循環以顯著加快模擬時間而不犧牲精度的能力背後的數學原理，但該軟體本質上是查看某些解決方案變數（例如應力）與時間的斜率或“梯度”動態繪圖以確定何時可以跳過接下來的n個週期。n的最大值必須由模擬工程師在運作前定義。模擬工程師也預先輸入其他參數以對軟體施加限制以優化運作。  

「軟體根據內部變數的演變自行決定跳躍大小，但它仍然需要控制用戶的輸入，」Bosch 汽車電子可靠性模擬工程師 Kuczynska 說。軟體必須計算跳躍之間至少三個中間週期，但這個數字可以由模擬工程師調整。“因此，演算法執行跳躍，然後計算用戶定義的連續週期數，以再次估計斜率，以確定是否繼續模擬週期或允許另一次跳躍。”

數據的梯度顯示系統在該點是否穩定或快速變化。如果變化很快，則必須模擬更多的中間週期。如果穩定，另一次跳躍可能有利於加快模擬速度。模擬工程師必須了解系統，以確定模擬週期與跳過週期的適當比率，這可能會在開始時涉及一些嘗試和錯誤。

「如果負載幅度不是很高，您可以允許跳躍演算法跳過更多周期，」Kuczynska 說。

實施“跳躍”

最初，Bosch 工程師主動透過編寫自己的演算法自行實現跳躍。這是一次成功的概念驗證，但使用者介面並不友善。基本上，它涉及在 Ansys Mechanical 中運行模擬，然後離開 Ansys 平台，在 Bosch 軟體中執行跳轉，然後再次在 Mechanical 中重新啟動模擬。

「這個版本只是為了測試目的，」庫琴斯卡說。「工作怎麼樣？這應該是我們用來提高數值效率的策略嗎？”

一旦他們確定新方法有效，他們就聯繫 Ansys 將其整合到 Mechanical 中。Ansys 團隊抓住了這個機會。

兩年後，採用兩種演算法，跳躍功能成為 Mechanical 商業版本的一部分。第一個產生的演算法並不是最優的，因此Bosch 和 Ansys 團隊繼續合作，直到找到正確的演算法。第二種演算法正是他們想要的。

「我們與 Ansys 進行了兩年的深入討論，反覆調整演算法，使其按照我們的設想運行，」Maniar 說。“Bosch 和 Ansys 工程師之間進行高技術水平的對話非常重要。”

在將「跳躍」結果與完整加載歷史模擬進行比較後，庫琴斯卡對最終的演算法印象特別深刻。我很驚訝這種跳躍的智能程度，」她說。「跳過大量的熱循環必然會引入一些錯誤，因為我們正在執行外推。但經過連續的循環計算後，軟體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。”

未來的應用

Bosch 工程師已經證明跳躍技術可以預測汽車應用中焊點由於熱機械疲勞而產生的使用壽命，他們渴望擴展該技術來預測其他損壞機制。隨著時間和溫度循環，材料的性能會不斷變化，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變硬和劣化。

「這種模擬技術可用於預測系統內任何循環非線性材料的演化，」庫琴斯卡說。「它引發了新方法的開發。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。現在我們有這個機會了。”

跳躍技術對於正在開發的新車應用也很有價值。

「由於自動駕駛和汽車行業的電氣化，我們正在遇到新的負載情況和大量創新組件，」Maniar 說。“這意味著我們有新的電子系統需要研究，並且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 發表了一篇論文，描述了他們的發現，題為“熱機械循環載重下焊點失效的非局部損傷建模」作為 ASME 2021 國際電子和光子微系統封裝與整合技術會議暨展覽會論文集的一部分。

Bosch 和 Ansys 目前正在合作撰寫一篇技術論文，描述這種新的周期跳躍技術，並將在期刊上發表，以便其他人可以從這種創新的模擬技術中受益。

資料來源: Ansys Blog