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[導讀]汽車電子系統(tǒng)在車輛運行過程中面臨著復雜多變的環(huán)境條件,如溫度的劇烈變化和持續(xù)的振動。溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗是評估汽車電子產(chǎn)品可靠性的重要手段,而焊點作為電子元件與PCB(印制電路板)之間連接的關鍵部位,其失效是導致汽車電子產(chǎn)品故障的主要原因之一。建立準確的焊點失效模型,有助于預測焊點在聯(lián)合試驗環(huán)境下的壽命,為汽車電子產(chǎn)品的設計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。


汽車電子系統(tǒng)在車輛運行過程中面臨著復雜多變的環(huán)境條件,如溫度的劇烈變化和持續(xù)的振動。溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗是評估汽車電子產(chǎn)品可靠性的重要手段,而焊點作為電子元件與PCB(印制電路板)之間連接的關鍵部位,其失效是導致汽車電子產(chǎn)品故障的主要原因之一。建立準確的焊點失效模型,有助于預測焊點在聯(lián)合試驗環(huán)境下的壽命,為汽車電子產(chǎn)品的設計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。


溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗對焊點的影響

溫度循環(huán)的影響

溫度循環(huán)會使焊點材料產(chǎn)生熱膨脹和收縮。由于焊點材料(如錫鉛合金、無鉛焊料等)與PCB基板、電子元件引腳的熱膨脹系數(shù)不同,在溫度變化過程中,焊點內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加,熱應力不斷累積,可能導致焊點內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,甚至引發(fā)焊點斷裂。


振動的影響

振動會使焊點承受動態(tài)載荷,導致焊點發(fā)生疲勞損傷。振動引起的應力應變在焊點內(nèi)部不斷變化,加速了焊點的疲勞裂紋擴展。當振動頻率與焊點的固有頻率接近時,還可能引發(fā)共振現(xiàn)象,進一步加劇焊點的失效風險。


聯(lián)合作用

溫度循環(huán)和振動的聯(lián)合作用比單一因素更具破壞性。溫度變化引起的熱應力會改變焊點的力學性能,使其更容易受到振動載荷的影響;而振動產(chǎn)生的動態(tài)應力又會促進熱應力的釋放和重新分布,加速焊點的疲勞損傷過程。


焊點失效模型建立

基于有限元分析的模型

有限元分析(FEA)是一種常用的建立焊點失效模型的方法。通過建立焊點及其周圍結構的有限元模型,可以模擬溫度循環(huán)和振動聯(lián)合試驗下的應力應變分布情況。以下是一個使用Python和FEniCS庫進行簡單焊點有限元分析的示例代碼框架:


python

from fenics import *

import numpy as np


# 創(chuàng)建網(wǎng)格和函數(shù)空間

mesh = RectangleMesh(Point(0, 0), Point(1, 1), 10, 10)

V = VectorFunctionSpace(mesh, 'P', 1)


# 定義邊界條件

def boundary(x, on_boundary):

return on_boundary


bc = DirichletBC(V, Constant((0, 0)), boundary)


# 定義材料參數(shù)(簡化示例)

E = 70e9  # 彈性模量(Pa)

nu = 0.3  # 泊松比

mu = E / (2 * (1 + nu))

lmbda = E * nu / ((1 + nu) * (1 - 2 * nu))


# 定義應變和應力關系

def epsilon(u):

return sym(grad(u))


def sigma(u):

return lmbda * tr(epsilon(u)) * Identity(2) + 2 * mu * epsilon(u)


# 定義外力(簡化示例,可根據(jù)實際情況修改)

f = Constant((0, -1e6))  # 垂直向下的力(N/m2)


# 定義變分問題

u = TrialFunction(V)

v = TestFunction(V)

a = inner(sigma(u), epsilon(v)) * dx

L = inner(f, v) * dx


# 求解

u = Function(V)

solve(a == L, u, bc)


# 輸出結果(可進一步分析應力應變分布)

print("Displacement solution:")

print(u.vector().get_local())

在實際應用中,需要根據(jù)焊點的具體幾何形狀、材料屬性以及溫度循環(huán)和振動的加載條件,對有限元模型進行詳細設置和優(yōu)化。


基于Coffin - Manson方程的壽命預測模型

Coffin - Manson方程是描述材料在循環(huán)載荷下疲勞壽命的經(jīng)典模型,也可以用于焊點的壽命預測。在溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗中,可以將熱應力和振動應力綜合考慮,得到等效的應變幅值,然后利用Coffin - Manson方程計算焊點的疲勞壽命。其基本形式為:

汽車電子耐環(huán)境測試:溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗的焊點失效模型

其中,Δ?

p


為塑性應變幅值,?

f


為疲勞延性系數(shù),N

f


為疲勞壽命(循環(huán)次數(shù)),c為疲勞延性指數(shù)。


模型驗證與優(yōu)化

建立焊點失效模型后,需要通過實際的溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗數(shù)據(jù)進行驗證。將模型的預測結果與試驗結果進行對比,分析模型的準確性。如果存在偏差,需要對模型進行優(yōu)化,如調(diào)整材料參數(shù)、改進有限元模型網(wǎng)格劃分、修正壽命預測模型等。


結論

溫度循環(huán) - 振動聯(lián)合試驗下的焊點失效模型對于汽車電子產(chǎn)品的可靠性評估至關重要。通過基于有限元分析和Coffin - Manson方程等方法建立模型,并經(jīng)過驗證和優(yōu)化,可以準確預測焊點的失效壽命,為汽車電子產(chǎn)品的設計和改進提供有力支持,從而提高汽車電子系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展,焊點失效模型也將不斷完善和更新。

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