UGNX8.5有限元分析入门：操作步骤

打开随书光盘part源文件Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch13_ThermalStress\Board.prt，调出图13-2所示的主模型。

（1）创建有限元模型

1）依次单击【开始】和【高级仿真】按钮，在【仿真导航器】窗口的分级树中右击【Board.prt】节点，从弹出的菜单中选择【新建FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框，在【新文件名】下面的【名称】选项中将【fem1.fem】修改为【Board_fem1.fem】，通过单击按钮，选择本实例高级仿真相关数据存放的【文件夹】，单击【确定】按钮。

2）弹出【编辑FEM】对话框，【求解器】默认为【NX NASTRAN】，在【分析类型】选项中选择【热】，如图13-3所示，单击【确定】按钮，进入创建有限元模型的环境。

3）新建PCB与SiC材料：单击工具栏中的【材料属性】按钮右侧的下拉按钮，弹出【指派材料】对话框，如图13-4所示。在图形窗口的【选择体】中选中电路板的板实体模型，在【材料列表】中选择【本地材料】选项，单击【新建材料】按钮，【类型】中选择【各向同性】。单击【创建】按钮，弹出【各向同性材料】对话框，如图13-5所示，在【名称-描述】中输入【PCB】，在【属性】的【质量密度（RHO）】输入【1.68e-6】，【单位】选择【kg/mm^3】，单击【力学】选项卡，在展开的【杨氏模量（E）】中输入【113000】，【单位】选择【N/mm^2（MPa）】，在【泊松比（NU）】中输入【0.42】；单击【属性】中的【热/电】选项卡，在【热】的【温度（TREF）】中输入【20】，【单位】为【C】，在【热膨胀系数（A）】中输入【4.42e-7】，单位选择【1/C】，在【导热系数（K）】中输入【0.00056】，【单位】为【W/mm-C】，在【比热（CP）】中输入【800】，【单位】为【J/kg-K】，如图13-6所示，单击【确定】按钮，完成PCB材料的创建。返回到图13-4所示的【指派材料】对话框中，单击【应用】按钮，完成PCB材料的赋予。

在【选择体】中选中电路板上15个发热元件实体模型，在【材料列表】中选择【本地材料】选项，单击【新建材料】按钮，【类型】中选择【各向同性】，单击【创建】按钮，弹出【各向同性材料】对话框，如图13-7所示。在【名称-描述】中输入【SiC】，在【属性】的【质量密度（RHO）】中输入【7.8e-6】，【单位】选择【kg/mm^3】，单击【力学】选项卡，在展开的【杨氏模量（E）】中输入【210000】，【单位】选择【N/mm^2（MPa）】，在【泊松比（NU）】中输入【0.3】；单击【热/电】选项卡，在【热】的参考【温度（TREF）】中输入【20】，【单位】为【C】，在【热膨胀系数（A）】中输入【1.1e-5】，单位选择【1/C】，在【导热系数（K）】中输入【0.05】，【单位】为【W/mm-C】，在【比热（CP）】中输入【500】，【单位】为【J/kg-K】，如图13-8所示，单击【确定】按钮，完成PCB材料的创建。返回到图13-4所示的【指派材料】对话框中，单击【确定】按钮，完成15个部件SiC材料的赋予。

图13-3 【编辑FEM】对话框

图13-4 【指派材料】对话框

图13-5 定义PCB材料的力学性能

图13-6 定义PCB材料的热学性能

提示

在输入PCB与SiC材料的参数时，要注意选择正确的单位，否则会使计算结果出现很大的误差。PCB板分为纤维层、金属层及镀膜层，故导热系数要比SiC小很多；SiC材料是很多电子产品发热元件的基底材料，本例中用它来代替整个发热元件的材料进行整体温度分析，如考察单个发热元件的传热分析，则需要分层建立其相应的材料。可以看出，不同材料的力学和热学性能是不同的，甚至有很大的差异。

图13-7 定义SiC材料的力学性能

图13-8 定义SiC材料的热学性

4）创建物理属性

单击工具栏中的【物理属性】按钮，弹出【物理属性表管理器】对话框，在【类型】中选取【PSOLID】，【名称】中输入【PSOLID1_PCB】，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框，如图13-9所示。在【材料】选项中选取上述操作设置的【PCB】子项，其他选项均为默认设置，单击【确定】按钮；以此方法，建立【名称】为【PSOLID2_SiC】、【材料】为【SiC】的SiC的物理属性，单击【确定】按钮，关闭【物理属性表】管理器对话框，如图13-10所示，完成设置。

图13-9 定义PCB材料的物理属性

图13-10 定义SiC材料的物理属性

5）创建网格收集器

单击工具栏中的【网格收集器】按钮，弹出【网格收集器】对话框，【单元拓扑结构】下的选项保留默认设置，【物理属性】的【类型】默认为【PSOLID】，在【实体属性】子项中选取上述设置的【PSOLID1_PCB】，将【名称】修改为【Solid_PCB】，单击【应用】按钮，如图13-11所示；以此方法，建立【实体属性】为【PSOLID2_SiC】、【名称】为【Solid_SiC】的网格收集器，如图13-12所示，单击【确定】按钮，完成网格收集器的设置。

图13-11 定义PCB材料的网格收集器

图13-12 定义SiC材料的网格收集器

6）网格划分

a）单击工具栏中的【3D四面体网格】按钮右侧的下拉按钮，在下拉菜单中选择【3D扫掠网格】命令，出现图13-13所示的对话框。【类型】默认为【多体自动判断目标】，在【要进行网格划分的对象】中选择电路板PCB板的上表面作为【选择源面】，如图13-14所示，在【单元属性】的【类型】中选择【CHEXA（8）】，在【源网格参数】中【源单元大小】选项右侧的文本框内输入【2】，【单位】为【mm】，在【目标收集器】中取消勾选【自动创建】复选框，选择【网格收集器】为【Solid_PCB】，其他选项按照系统默认，单击【应用】按钮。

图13-13 PCB板的3D扫掠网格划分

图13-14 3D扫掠网格划分对象-PCB板

b）在【要进行网格划分的对象】的窗口中选择电路板15个元件的上表面作为【选择源面】，如图13-15所示，在【单元属性】的【类型】中选择【CHEXA（8）】，在【源网格参数】中【源单元大小】选项右侧的文本框内输入【2】，【单位】为【mm】，在【目标收集器】中取消勾选【自动创建】复选框，选择网格收集器为【Solid_SiC】，其他选项按照系统默认，单击【确定】按钮，如图13-16所示。

图13-15 3D扫掠网格划分对象-15个元件

图13-16 15个元件的3D扫掠网格划分

c）网格划分的结果如图13-17所示，可以在【仿真导航器】窗口分级树中查看相关节点和信息，还可以根据需要进一步修改单元的大小。

（2）模型检查和修改参数

单击工具栏中的【单元质量】按钮，弹出【单元质量】对话框，在【要检查的单元】中默认【选定的】，选择划分好的16个网格单元实体作为【选择对象】，在【输出设置】的【报告】中选择【失败】，将失败的网格以信息的形式显示出来，单击【检查单元】按钮，如图13-18所示。在弹出的【信息】对话框中没有出现失败单元，关闭该【信息】对话框。

图13-17 电路板的FEM模型及网格划分结果

（3）创建仿真模型

1）右击【仿真导航器】窗口分级树的【Board_fem1.fem】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建仿真】命令，弹出【新建部件文件】对话框，在【名称】中修改为【Board_sim1.sim】，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，所有的选项均保留默认设置，单击【确定】按钮。

2）弹出【解算方案】对话框，【名称】默认为【Solution1】，【分析类型】选取【热】，【解算方案类型】选取【SOL 153 Steady State Nonlinear Heat Transfer】，单击【确定】按钮，同时注意到【仿真导航器】窗口的分级树中，新增了相关的节点，如图13-19所示。

图13-18 电路板的网格单元质量检查

图13-19 新增加的仿真节点

（4）定义仿真对象的接触关系

1）单击窗口上的【仿真对象类型】按钮，弹出图13-20所示的【Face Gluing（1）】对话框，创建曲面接触的仿真对象。【类型】默认为【手工】，【名称】默认为【Face Gluing（1）】，在【源区域】中单击【创建区域】的按钮，出现图13-21所示的对话框，选择PCB板与元件的接触表面作为【选择对象】，【名称】默认为【Regtion1】，单击【确定】按钮。

图13-20 定义仿真对象的接触关系

图13-21 源区域的选择

2）同样，在【目标区域】中单击【创建区域】的按钮，出现图13-22所示的【Reg_- tion2】对话框，选择与PCB板接触的15个元件的底面作为【选择对象】，【名称】默认为【Regtion2】，单击【确定】按钮；默认其他选项参数，单击【确定】按钮，完成仿真模型部件间接触关系的定义，如图13-23所示。

图13-22 目标区域的选择

图13-23 定义好的仿真对象接触关系

（5）施加载荷和约束

1）施加温度热约束：单击工具栏中的【约束类型】按钮，选择弹出的【热约束】命令，弹出【热约束】对话框，如图13-24所示，进行元件的温度定义操作。在【类型】中选择【恒温】，【名称】默认为【Temp（1）】，选择图13-1所示的4个元件实体作为【模型对象】的【选择对象】，【温度】文本框中输入【80】，单位为【C】，单击【应用】按钮，效果如图13-25所示。

图13-24 热约束-温度80℃定义

图13-25 热约束-温度80℃效果图

选择图13-1b黄色高亮显示的6个元件实体作为【模型对象】的【选择对象】，【名称】默认为【Temp（2）】，在【温度】文本框中输入【50】，单位为【C】，单击【确定】按钮，如图13-26所示，完成温度载荷的加载设置，效果如图13-27所示。注意在【仿真导航器】窗口分级树中出现了相应的【Temp（1）】和【Temp（2）】节点。

图13-26 热约束-温度50℃定义

图13-27 热约束-温度50℃效果图

2）修改温度热约束显示颜色：可以在【仿真导航器】窗口分级树中右击【Temp（1）】和【Temp（2）】节点，从弹出的快捷菜单中选择【编辑显示】命令，弹出【边界条件显示】对话框，将【颜色】选项切换为【红色】，单击【确定】按钮，这样便于区分该温度约束符号和后续对流约束符号。

3）施加对流热约束：在【约束类型】窗口中单击【对流】按钮，弹出【Conv（1）】对话框，如图13-28所示，进行电路板对外对流约束定义操作。【名称】默认为【Con（1）】，选择图13-1所示的与空气接触的80个表面作为【模型对象】的【选择对象】，设置对话框【属性】选项的【环境温度】为【40】，单位为【C】，【对流系数】为【1e-5】，单位为【W/mm^2-C】，单击【确定】按钮。电路板对流约束设置效果如图13-29所示，注意在【仿真导航器】窗口分级树中新增的相关节点。

提示

在进行模型的【对流约束】及其【对流系数】的设置时，一定要注意后面单位的正确选择，否则会对计算的结果造成很大的影响。

4）施加热通量载荷：单击【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择【热通量】命令，弹出【热通量】对话框，如图13-30所示。【类型】默认为【统一单元】，【名称】默认为【Flux（1）】，选择图13-1所示的4个施加热流载荷的表面作为【模型对象】的【选择对象】，在【幅值】的【Q0-热通量】中输入【0.007】，【单位】选择【W/mm^2】，单击【确定】按钮。电路板热通量载荷的效果，如图13-31所示。

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图13-28 电路板对流约束设置

图13-29 电路板对流约束设置效果图

图13-30 电路板热通量载荷设置

图13-31 电路板热通量载荷设置效果图

5）施加发热率载荷：单击【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择【发热率】命令，弹出图13-32所示的【发热率】对话框。【类型】默认为【有控制点的体积热】，【名称】默认为【Heat（1）】，选择图13-1所示的发热元件，在【幅值】的【QVOL】中输入【0.0003】，【单位】为【W/mm^3】，单击【确定】按钮，完成电路板的元件发热设置，如图13-33所示。

图13-32 电路板发热率载荷设置

图13-33 电路板发热率载荷设置效果图

（6）计算求解：在【仿真导航器】窗口分级树中右击【Solution 1】节点，从弹出的快捷菜单中选择【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，等待【模型检查】完成。等待【分析作业监视器】出现【作业已完成】的提示信息，在【仿真导航器】窗口分级树中出现【结果】节点后，关闭所有信息窗口，完成对电路板施加温度和对流约束热分析的解算。

（7）结果分析

1）双击【结果】节点后进入【后处理导航器】窗口，解算后的节点及其展开的子节点如图13-34所示，父节点包括【温度-节点的】、【温度梯度-单元的】、【热通量-单元的】和【总热通量-单元的】。

2）展开【温度-节点的】节点，双击【标量】节点，出现图13-35所示的电路板节点温度云图。单击【云图绘图】中的【Post View 1】，勾选【注释】复选框，将出现【Maximum】与【Minimum】两个注释，也可以单击工具栏上的【新建注释】按钮，会弹出图13-36所示的【注释】对话框，即可创建【N个最小结果值】或【N个最大结果值】。单击【拖动注释】按钮，允许重定位最小值和最大值结果显示值的位置。

图13-34 【后处理导航器】窗口节点

图13-35 电路板节点温度云图

图13-36 编辑注释的命令窗口

3）如果要进一步了解和查看电路板的温度梯度、热通量等传热情况，可以参照12章所述的内容和方法进行查看，本例中不多做论述。得到了电路板的温度分布结果后，就可以建立结构静力分析解算方案，进行热应力的计算。

单击工具栏中的【返回仿真】按钮，退出【后处理】显示模式，完成此次计算任务的操作。

（8）结构静力分析，求解热应力及重力的耦合应力场

1）新建解算方案：建立用于解决热应力和重力载荷耦合的结构静力算法，在【仿真导航器】窗口分级树中，右击【Board_sim1.sim】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建解算方案】命令，弹出【解算方案】对话框。在【分析类型】中选择【结构】，在【解算方案类型】中选择【SOL 101 Linear Statics-Global Constraints】，如图13-37所示，其他选项及其参数保留默认设置，单击【确定】按钮，在【仿真导航器】窗口分级树中新增的相应节点如图13-38所示。

图13-37 【解算方案】对话框

2）定义结构约束条件：在工具栏中选择【约束类型】→【固定约束】命令，弹出【Fixed（1）】对话框，如图13-39所示。【名称】默认为【Fixed（1）】，在图形窗口中选择图13-2所示的8个电路板螺钉孔作为【模型对象】的【选择对象】，单击【确定】按钮，约束效果如图13-40所示。

图13-38 新增解算方案及其节点

图13-39 【Fixed（1）】对话框

3）施加重力载荷：单击工具栏中【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择【重力】命令，弹出【Gravity（1）】对话框，如图13-41所示。【名称】默认为【Graity（1）】，默认【幅值】中【加速度】的值为【9810】，单位为【mm/sec^2】，在【方向】下【指定矢量】的下拉列表中选择【-ZC】，单击【确定】按钮，效果如图13-42所示。

图13-40 施加固定约束效果图

图13-41 重力载荷定义

提示

在施加重力载荷时，一定要仔细确认重力的方向，程序中默认重力的方向是沿【-ZC】方向，但要考虑是否与几何模型所使用的坐标系一致，如不一致，要调整为一致的坐标系。

4）创建仿真模型部件间的接触关系：将热分析中创建好的【仿真对象容器】节点中的【Face Gluing（1）】拖曳到【Solution 2】节点中的【仿真对象】里，如图13-43所示，完成仿真对象部件接触关系的定义。

图13-42 重力载荷施加效果

（9）进行结构静力学的求解

1）温度预载的添加：展开【仿真导航器】窗口分级树中的【Solution 2】节点，右击【Subcase-Static Loads 1】进行子工况设置，如图13-44所示。在【温度预载】的【预载荷类型】中选择【NASTRAN温度】，在【NASTRAN-预载结果文件】中选择前面算好的热分析计算结果，单击【确定】按钮，完成温度预载的施加，将前面热分析得到的温度结果作为温度载荷施加进来。

2）解算：右击，从弹出的快捷菜单中选择【求解】命令，弹出【求解】对话框，稍等完成作业后关闭各个信息窗口。双击【结果】后进入【后处理导航器】窗口，在【后处理导航器】窗口中出现相应的数据节点，如图13-45所示，进行计算结果的查看。

图13-43 仿真对象部件接触关系定义

图13-44 子工况解算步骤设置-温度预载的添加

（10）静力分析结果后处理

1）查看电路板整体的变形情况：在【后处理导航器】列表窗口的分级树中，依次展开【Solution 2】和其子节点【位移-节点的】，可以通过【Post View 4】的【3D单元】勾选所要显示的部件，来查看所关心部件的变形及应力大小及其分布情况，如图13-46所示。

双击【位移-节点的】中【幅值】节点，在图形窗口可以看到电路板整体的变形位移云图，如图13-47所示，可以观察到最大变形和最小变形所在的部位，其中电路板上体发热元件的最大变形已经超过0.06mm。

图13-45 【后处理导航器】窗口中新增的节点

图13-46 后处理中单独显示PCB板

2）调整变形比例系数：从图13-47所示的云图看，显示和实际视觉效果相差太大，因为系统默认的变形比例为模型的10%，故显示的变形结果有些夸张。右击对应的【Post View】节点，从弹出的快捷菜单中选择【设置变形】命令，弹出【变形】对话框，如图13-48所示。将【比例】选项内的数值由【10】改为【1】，如图13-49所示。单击两次【确定】按钮，图形窗口出现的模型整体的位移云图如图13-50所示，和调整变形比例前的云图进行比较，调整后的显示效果显然更加符合实际情况。

图13-47 未调整变形比例前的电路板总体变形云图

提示

还可以将【比例】的显示模式由【%模型】切换为【绝对】，这对于大变形显示有用。

图13-48 设置前的【变形】对话框

图13-49 设置后的【变形】对话框

图13-50 调整变形比例后电路板径向位移云图

3）查看电路板Z向的变形情况：按照上述的操作，双击【Z】节点，在图形窗口出现了电路板沿着Z向的变形位移云图，如图13-51所示，其中最大变形已经接近0.06mm，说明电路板的Z向变形成了总体模型变形的主体，在总体变形中贡献最大。

4）查看PCB板整体的变形情况：按照图13-46的方法，将PCB板单独显示，双击【位移-节点的】的子节点【幅值】，查看PCB板的变形情况，如图13-52所示，以此方法可以查看任意元件的变形情况。

5）查看电路板整体的冯氏应力情况：展开【应力-单元的】节点，双击出现的【Von Mises】子节点，可以查看电路板的Von Mises应力分布情况，如图13-53所示。其中，Von Mises最大应力达到了262.84MPa，在产品设计时需要引起足够的重视，检查是否超出设计规范所要求的应力许用范围。

6）查看PCB板的Von Mises应力情况：按照图13-46的方法，将PCB板单独显示，展开【应变-基本的】节点，双击出现的【Von Mises】子节点，可以查看PCB板的应力分布状况，如图13-54所示。

图13-51 电路板Z向变形位移云图

图13-52 PCB板整体变形位移云图

7）单击工具栏中的【返回到模型】按钮，退出【后处理】显示模式，完成此次热-固耦合计算任务的操作。

上述实例模型源文件和相应输出结果请参考随书光盘Book_CD\Part Part_CAE_Finish\Ch13_Thermal Stress文件夹中的相关文件，操作过程的演示请参考视频文件Book_CD\AVI\Ch13_Board.AVI。

图13-53 电路板整体的Von Mises应力分布情况

图13-54 PCB板Von Mises应力分布云图