Багато хто навіть не здогадується, що в автомобілі існують десятки блоків електронного управління (ECU) – печатні плати (PCB) в металевих або пластикових корпусах – які відповідають за контроль і моніторинг роботи та безпеки систем управління автомобіля. Ці блоки повинні працювати протягом всього терміну служби автомобіля і піддаються багатьом циклам нагріву та охолодження. Наприклад, коли ви запускаєте автомобіль після того, як він охолонув за ніч. Автомобіль нагрівається під час руху і охолоджується при зупинці. Це є прикладом "зовнішнього" температурного циклу навантаження.
Інші, так звані «активні» цикли температурного навантаження можуть виникати локально у конкретних електронних компонентах на печатній платі. Наприклад, транзистор MOSFET споживає велику кількість струму і нагріває плату поблизу свого розташування, що викликає додаткові цикли температурного навантаження. Градієнти температур призводять до виникнення місцевих термомеханічних напружень внаслідок нерівномірного температурного розширення. Оскільки плата обмежена своїм корпусом, це може призвести до вигину плати і створення додаткового навантаження на припій, який з'єднує компоненти з платою. Якщо один припій відмовить, це може мати ефект доміно, що впливає на надійність всієї системи.
Для забезпечення надійності конструкції блоків електронного управління попередньо, перед випробуваннями ECU у кліматичних камерах, проводиться моделювання. Але донедавна можливості моделювання були дуже обмежені. Підхід на основі використання степеневого закону – моделювання лише кількох циклів з прогнозом тривалості служби припоїв – має широке застосування, але має і багато недоліків. Інженери Youssef Maniar і Marta Kuczynska з компанії Robert Bosch GmbH в Німеччині розробили точну нелінійну модель пошкодження, яка може передбачати термін служби з'єднань з припоєм. Проблема, з якою вони стикнулися, полягає у тому, що прогноз тривалості служби включає в себе моделювання абсолютно всіх циклів навантаження, накладених на компоненти, і обчислювальні витрати, відповідно, дуже великі. Приблизно два роки тому вони прочитали наукову статтю, яка описувала спосіб «стрибків» через деякі цикли для прискорення моделювання. Вони звернулися до компанії Ansys з пропозицією реалізувати цей інноваційний метод обчислення в Ansys Mechanical, і компанія Ansys з радістю погодилася це зробити.
Моделювання стрибка
Основи методу «стрибків» (cycle jumping)
Математика, що стоїть за можливістю «стрибати» через велику кількість термомеханічних циклів навантаження для суттєвого прискорення моделювання без втрати точності, складна, але програмне забезпечення аналізує градієнти змінних величин (наприклад, напруження), щоб визначити, коли можна пропустити наступні N циклів навантаження. Максимальне значення N повинно бути визначено інженером заздалегідь разом з іншими параметрами, оптимізуючи розрахунок.
«Програмне забезпечення визначає величину кроку самостійно, аналізуючи змінні величини, але все ще потребує керуючих вхідних даних від користувача», - кажуть вони. Програмне забезпечення повинно обчислювати принаймні три проміжні цикли між стрибками, але це число може бути налаштоване інженером. «Таким чином, алгоритм виконує стрибок, а потім обчислює кількість послідовних циклів, визначених користувачем, для наступної оцінки, щоб визначити, чи треба продовжувати моделювати цикли навантаження, чи дозволити наступний стрибок».
Величина градієнту каже про те, чи система стабільна в даній точці, чи швидко змінюється. Якщо величина швидко змінюється, моделювання додаткових проміжних циклів є суттєвою. Якщо зміна стабільна, може бути корисним здійснити наступний стрибок для прискорення моделювання.
Інженер повинен розуміти змодельовану систему для того, щоб визначити належне співвідношення врахованих циклів до відкинутих циклів, що інколи потребує початкового тесту методом проб та помилок.
«Якщо амплітуда навантаження не дуже велика, ви можете дозволити алгоритму пропустити набагато більше циклів», - каже Kuczynska.
Реалізація методу «стрибків» (cycle jumping)
Спочатку інженери Bosch взяли на себе ініціативу реалізувати метод самостійно, написавши свої власні алгоритми. Це було успішним доказом концепції, але це було не зручно для користувачів. По суті, процедура включала в себе проведення моделювання в Ansys Mechanical, вихід з платформи Ansys, виконання стрибка в програмному забезпеченні Bosch і, після цього, знову продовження моделювання у Mechanical.
«Ця процедура була призначена лише для тестування методу», - каже Kuczynska. «Як вона працює? Чи сприяє вона підвищенню ефективності розрахунку?»
Коли вони визначили, що новий метод працює, вони звернулися до Ansys із пропозицією включити його до Mechanical. Команда Ansys відразу позитивно відреагувала на цю можливість.
Через два роки можливість алгоритму стала частиною комерційного релізу Mechanical. Перший сумісно створений алгоритм був неоптимальним, тому команди Bosch і Ansys продовжили співпрацювати, поки не досягли бажаного результату. Другий алгоритм був саме тим, що вони шукали.
«Ми мали два роки чудових дискусій з Ansys, взаємно коригуючи алгоритм, щоб він працював так, як ми це бачимо», - каже Maniar. «Для нас було дуже важливо проводити обговорення на високому технічному рівні між інженерами Bosch і Ansys».
Kuczynska була особливо вражена роботою алгоритму після порівняння результатів розрахунків зі стрибками та результатів розрахунків повної історії навантаження.
«Я дивуюся, наскільки розумним є цей стрибок», - говорить вона. «Пропускання великої кількості термомеханічних циклів обов'язково вносить певну похибку через використання екстраполяції. Але після кількох послідовних циклів, які він обчислює після стрибка, відбувається збіжність до результатів повного розрахунку, і ми бачимо, що точність прогнозу дійсно дивовижна».
Майбутнє застосування методу
Показавши, що техніка стрибка добре працює у автомобільній галузі для прогнозу терміну служби припоїв в умовах термомеханічної втоми, інженери компанії Bosch прагнуть розширити цей метод для прогнозу інших механізмів пошкодження. Матеріали постійно зазнають зміни властивостей під впливом часу, термомеханічного навантаження та процесу старіння, наприклад при термічно-індукованому окисленні полімерів, яке може призвести до зростання жорсткості та деградації електронних компонентів.
«Ця техніка моделювання може бути використана для прогнозу будь-якої циклічної нелінійної еволюції матеріалу в системі», - каже Kuczynska. «Це сприяє розробці нових методів. Я маю на увазі, раніше ми навіть не мріяли про можливість прогнозу абсолютного терміну служби на основі моделювання різних механізмів циклічного старіння. Тепер у нас є така можливість».
Техніка стрибка також буде корисною для нових розробок у автомобільній галузі.
«Завдяки автономному водінню та електрифікації автомобільної індустрії, ми стикаємося з новими випадками навантаження і новими компонентами», - каже Maniar. «Це означає, що ми маємо нові електронні системи, і мати прискорений метод віртуальних випробувань, подібний до цього, стане ще важливішим для процесу розробки».
Youssef Maniar і Marta Kuczynska, разом із колегами Alexander Kabakchiev та Masoomeh Bazrafshan з компанії Bosch, а також Peter Binkele та Siegfried Schmauder з Інституту матеріалознавства при Університеті Штутгарту, Німеччина, опублікували статтю, в якій описали свої відкриття, під назвою «Моделювання нелокальних пошкоджень при відмові з'єднань з припоєм при циклічному термомеханічному навантаженні», яка була опублікована у доповідях міжнародної технічної конференції ASME 2021 Packaging and Integration of Electronic and Photonic Microsystems.
Bosch і Ansys наразі спільно працюють над технічною статтею, в якій описують новий метод для публікації в науковому журналі, щоб інші інженери могли користуватися інноваційною технікою моделювання.
Фахівці компанії Софт Інжинірінг Груп з радістю проконсультують з питань використання програмного забезпечення Ansys у моделюванні втоми виробів при термомеханічному циклічному навантаженні.
Title: Jumping Over Thermal Cycles Accelerates Thermomechanical Fatigue Simulations
Author: Tim Palucka, Managing Editor, Ansys Advantage
Website Name: Ansys Blog
URL: https://www.ansys.com/blog/skipping-thermal-cycles-accelerates-thermal-fatigue-simulations
