
CAEソフト【 Femtet 】-ムラタソフトウェア株式会社
クリープ解析機能を用いた多段階熱荷重解析の事例として弾塑性クリープ材料を含むモデルの繰り返し(サイクル)熱荷重解析の事例を示します。
本例題でははんだを温度依存性を有する弾塑性クリープ材料として熱荷重解析した事例を示します。
時間変化とともに累積相当塑性ひずみや累積相当クリープひずみが増加している様子を解析結果として示しています。
表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。
弾塑性クリープ解析は特別オプション機能です。
項目 |
条件 |
解析空間 |
軸対称 |
モデル単位 |
mm |
本例題では簡易的な軸対称解析モデルを扱います。
熱荷重の解析オプションを選択します。
項目 |
条件 |
ソルバ |
応力解析[Galileo] |
解析の種類 |
静解析 |
解析オプション |
熱荷重をチェック |
ステップ/熱荷重タブの設定を以下のように行っています。
タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
ステップ/熱荷重 |
ステップ設定 |
多段階熱荷重解析 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
時刻設定 |
設定する |
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基準温度 |
25[deg] |
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ステップ/到達温度設定 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
複数ステップ解析オプション |
分割ステップの結果を出力する:チェック |
25度を基準温度(無応力温度)と設定しています。
ステップ設定を「複数ステップ」、時刻設定を「設定する」とし、ステップ/到達温度設定に、
時刻、分割ステップ、到達温度を設定します。
温度を上昇(または下降)させるステップにおいて時間を300秒間(=5分間)、分割ステップ数を10ステップ、
温度をキープするステップにおいては時間を3300秒(=55分間)、分割ステップ数を10としています。
・クリープ材料の解析においては時刻が物理的な意味をもちます。
・クリープ材料の解析においては温度をキープするステップにおいてもクリープひずみに変化はありますので、
分割ステップを温度変化時と同じく10としています。
分割ステップの結果を出力するをオン(初期条件)にしているため、各ステップの分割ステップでの解析結果を
すべて出力することができます。
線膨張係数などが異なる材料(シリコンとガラエポ)をはんだで接合した構造の熱荷重解析をします。
またはんだ(ボディ属性SB)にメッシュサイズ0.2を設定しています。
ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
0/Sheet |
PCB |
006_ガラスエポキシ |
1/Sheet |
SB |
SOLDER |
2/Sheet |
CHIP |
301_シリコン(結晶) |
はんだ(SOLDER)の材料定数は以下のように設定しています。
材料名 |
タブ |
定数 |
SOLDER |
弾性定数 |
材料の種類: 弾塑性マルチリニア 塑性硬化則: 移動硬化 温度依存性: あり 材料定数: ヤング率ポアソン比温度テーブル:
塑性ひずみ応力多直線: 温度ポイント多数のため省略。以下のグラフを参照。
ひずみ-応力グラフ 塑性ひずみ-応力グラフ:
|
クリープ |
クリープの種類: べき乗則 温度依存性: あり クリープ定数の単位系: 応力[MPa]、時間[h] 材料定数: 下表参照
|
|
線膨張係数 |
23×10-6[1/deg] |
参考:
金 道燮,干 強,澁谷 忠弘,白鳥 正樹 (横浜国立大学)
「鉛フリーはんだ接合部の応力・非線形ひずみ振幅評価に及ぼす硬化則の影響」エレクトロニクス実装学会誌p161-169(2004)
境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
Fix_z/Vertex |
機械 |
変位 |
Z成分のチェックボックスをオン UZ=0 |
最終状態(時刻14400[s])での累積相当クリープひずみの結果を以下に示します。
はんだボディ全体にわたってクリープひずみが発生していることが分かります。
はんだボディの右上の点で特にクリープひずみが集中していることが分かります。
はんだとCHIP界面における累積相当クリープひずみの変化の様子を以下のグラフに示します。
温度変化に伴って累積相当クリープひずみが急激に増加していることが分かります。
また温度をキープしている間においても緩やかに増加していることが分かります。
はんだとCHIP界面における累積相当塑性ひずみの変化の様子を以下のグラフに示します。
クリープひずみとは異なり累積相当塑性ひずみは温度変化時にのみ増加していることが分かります。
また例題38の同様の結果(クリープなし)と比較すると、塑性ひずみが減少していることが分かります。
はんだとCHIP界面におけるミーゼスの相当応力の変化の様子を以下のグラフに示します。
例題38の同様の結果(クリープなし)と比較すると、温度キープ時においてクリープひずみの増加に伴い
ミーゼスの相当応力の緩和が発生していることが分かります。
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