文章來源于：Simcenter機(jī)械仿真

隨著電子產(chǎn)品向高密度、微型化及高功率方向演進(jìn)，PCB（印刷電路板）已不再僅僅是元器件的載體，更是熱管理與結(jié)構(gòu)可靠性的核心挑戰(zhàn)。在仿真分析（CAE）的流程中，ECAD數(shù)據(jù)的復(fù)雜度往往是計(jì)算效率的瓶頸。如何在保留關(guān)鍵物理特性的前提下，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)組的快速運(yùn)算。從傳統(tǒng)的均質(zhì)化材料到精細(xì)的3D細(xì)節(jié)建模，選擇合適的建模策略（Modeling Strategy）不僅關(guān)乎精確度，更決定了設(shè)計(jì)迭代的時(shí)程跟結(jié)果。本文將深入剖析Simlab支持的六種建模方法，協(xié)助工程師在精度與時(shí)效之間找到最佳平衡點(diǎn)。

Simcenter Simlab可連接CAD的

多物理場(chǎng)工作流

Simcenter Simlab是西門子Simcenter產(chǎn)品組合中的一款強(qiáng)大工具。Simlab 是一種以流程為導(dǎo)向的多學(xué)科仿真環(huán)境，能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜裝配件的性能。包括結(jié)構(gòu)、熱和流體動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的多物理場(chǎng)可以通過高度自動(dòng)化的建模任務(wù)輕松設(shè)置，有助于大幅縮減創(chuàng)建有限元模型和解釋結(jié)果所耗費(fèi)的時(shí)間。穩(wěn)健、準(zhǔn)確且可擴(kuò)展的求解器可在本地、遠(yuǎn)程服務(wù)器或云端上運(yùn)行。Simlab根據(jù)建模方式的需求，可用不同型式導(dǎo)入ECA，如Solid、Sheet、 Hybrid等，如下圖所示:

六大高效建模策略

方法一:均質(zhì)化法(Homogenized Modeling)

此方法采取最簡(jiǎn)化的假設(shè)，將整層或整塊PCB視為各向同性的等效平板，僅依據(jù)各層的平均鋪銅率來計(jì)算等效的彈性模量與熱膨脹系數(shù)。雖然這種方法忽略了走線的方向性與局部熱點(diǎn)，無法反應(yīng)局部走線引發(fā)的應(yīng)力集中，但在產(chǎn)品開發(fā)初期的系統(tǒng)級(jí)熱管理評(píng)估中，它能以極低的計(jì)算代價(jià)及快速的建模速度下，提供宏觀的變形趨勢(shì)。然而，若要進(jìn)一步探究電路板的翹曲或應(yīng)力分布，則必須引入更具保真度的建模方式。在Simlab上要建立這類均質(zhì)化模型，只需以Solid方式讀取ECAD后，透過Layer Definition就可以快速計(jì)算出ECAD的均質(zhì)材料。 (Electronics>ECAD>Layer Definition)方法二:映射法(Mapped Modeling)

Mapped Modeling權(quán)衡了效率與精度。不直接劃分復(fù)雜的走線幾何，而是先建立一套規(guī)整的背景網(wǎng)格，并透過軟件算法賦予每個(gè)單元等效的材料屬性。這使得模型在保持幾何簡(jiǎn)化的同時(shí)，依然能模擬出走線分布不均導(dǎo)致的非線性變形，是目前熱固耦合仿真中最具工程實(shí)用價(jià)值的方案。具體做法可在Simlab中以solid方式讀取ECAD并建立基礎(chǔ)體網(wǎng)格后，透過 Material Mapping工具依據(jù)每個(gè)元素內(nèi)金屬與介電材料的體積比，計(jì)算對(duì)應(yīng)的等效材料性質(zhì)并將材料個(gè)別賦予到每個(gè)element上面。Material Mapping可在 ECAD的板級(jí)或?qū)蛹?jí)進(jìn)行。也能計(jì)算等效的正交異性材料性質(zhì)，并將其賦予到 shell元素。(Electronics>ECAD>Material Mapping)方法三:全局-局部法(Global-Local/Submodeling)

全局-局部法(Global-Local/Submodeling)采用兩階段分析流程：首先利用 Mapped Modeling模型計(jì)算整體的分析結(jié)果（Global），隨后將感興趣的區(qū)域挖出來進(jìn)行精細(xì)建模（Local），并以全局位移作為邊界條件進(jìn)行二次運(yùn)算。這種方法能有效降低運(yùn)算資源的使用?？梢栽谌址治龊笙榷ㄎ怀隹赡艽嬖陲L(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域或是關(guān)鍵組件區(qū)域，針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)建模，進(jìn)一步查看更精細(xì)的分析結(jié)果。建立局部細(xì)節(jié)模型具體可以將ECAD以Sheet方式導(dǎo)入，透過Mesh control中的 Region，選擇關(guān)注的區(qū)域建立mesh control。(Mesh>Controls>Mesh Controls>Region)接著用ECAD detail modeling對(duì)整個(gè)ECAD建模，支持四面體及六面體，便可生成局部的細(xì)節(jié)模型。(Electronics>Mesh>ECAD Detailed Modeling)接著透過Simlab的子模型技術(shù)將全模型分析結(jié)果的位移邊界映像到子模型的邊界做第二次計(jì)算即可。方法四:多區(qū)域法(Multizone Modeling)

此方法跟前一個(gè)Submodeling的手法有點(diǎn)類似，但此方法是一個(gè)步驟完成 Mapping模型跟局部細(xì)節(jié)模型的分析，在單一模型內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精度控制的需求。工程師可以在同一個(gè)檔案中，針對(duì)關(guān)鍵的熱點(diǎn)區(qū)域（如高性能處理器下方）建立細(xì)節(jié)網(wǎng)格，而對(duì)其余非關(guān)鍵區(qū)域則使用粗糙的等效模型。這種做法消除了子模型傳遞數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的誤差，讓工程師能在單次仿真中同時(shí)獲得全局的宏觀行為與關(guān)鍵位置的微觀響應(yīng)，極大的優(yōu)化了復(fù)雜設(shè)計(jì)的驗(yàn)證效率與精度。具體操作方法結(jié)合了前述幾種方式，分別建立mapping模型及局部細(xì)節(jié)模型后，將接口黏接起來一次做計(jì)算即可。

方法五:混合建模法(Hybrid Modeling)

此方法以降維方式去建立模型，將信號(hào)層走線簡(jiǎn)化為2D殼單元，并將過孔簡(jiǎn)化為 1D梁?jiǎn)卧?，隨后將這些網(wǎng)格嵌合在3D的基板實(shí)體中。用三種不同維度的元素表征不同區(qū)域的幾何特征。不僅能夠保持過孔與走線本身的結(jié)構(gòu)完整性，還能夠一定程度的降低模型的復(fù)雜程度，并且能直接提取走線與過孔的應(yīng)力應(yīng)變情況。只需在Simlab中以Hybrid導(dǎo)入ECAD，并利用ECAD Hybrid modeling建立混合模型即可。(Electronics>Mesh>ECAD Hybrid modeling)

方法六:詳細(xì)建模法(Detailed Modeling)

這種方法將ECAD中的每一條走線、平面與過孔完整轉(zhuǎn)化為3D實(shí)體幾何。其核心優(yōu)勢(shì)在于能100%反應(yīng)設(shè)計(jì)原貌，并在熱脹冷縮過程中精確捕捉到各個(gè)細(xì)節(jié)的應(yīng)力應(yīng)變情況。然而，這種建模方法的代價(jià)是極其龐大的網(wǎng)格數(shù)量與前處理時(shí)間，通常僅用于特殊情況，如研究微觀的失效機(jī)理。在Simlab當(dāng)中已將這樣的建模流程高度自動(dòng)化，僅需將ECAD以Sheet方式導(dǎo)入，接著用ECAD detail modeling對(duì)整個(gè)ECAD建模即可。并支援四面體及六面體建模。(Electronics>Mesh>ECAD Detailed Modeling)

總結(jié)

建模方法的選擇是一場(chǎng)關(guān)于「精度」與「效率」的權(quán)衡。從概念設(shè)計(jì)時(shí)間的均質(zhì)化模型評(píng)估，到可靠性驗(yàn)證階段的映像模型分析，再到針對(duì)特定失效點(diǎn)的局部/全局的詳細(xì)建模等，掌握這些建模技術(shù)的差異，將有助于開發(fā)團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品迭代中做出更具科學(xué)依據(jù)的工程決策。

關(guān)于Simcenter Mechnical

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