印刷電路板（PCB）在電子設備和其他相關應用中無處不在。一般來說，PCB是由多層層壓材料和多層樹脂粘合而成的。這些層嵌入有導電金屬部件和垂直穿過這些層的金屬通孔。

在有限元分析（FEA）中，將PCB中的主體和跡線建模為單元通常使用具有耦合或接觸的實體、殼和梁單元。然而，由于PCB的每個樹脂層中所涉及的嵌入體數(shù)量巨大，該方法通常是困難和耗時的

網(wǎng)格獨立增強單元技術通過使用MESH200單元定義嵌入?yún)^(qū)域的拓撲并無縫創(chuàng)建嵌入增強單元，為PCB建模和網(wǎng)格化提供了更好的選擇。不涉及復雜的接觸建模、耦合或困難的網(wǎng)格劃分技術。

該示例問題演示了如何使用獨立于網(wǎng)格的增強單元來執(zhí)行印刷電路板（PCB）的熱結構分析。

重點介紹了以下特性和功能：

使用離散和涂抹的加固單元進行建模。

熱分析后進行下游結構分析。

問題描述：

分析分為兩部分：

步驟1.求解熱邊界條件引起的熱分析。

步驟2.解決熱載荷引起的下游結構分析。

由于運行載荷而在一些嵌入式金屬跡線上產(chǎn)生的熱量會導致整個PCB的溫度梯度。梯度會導致PCB在操作期間變形，并引起熱應力和應變。

建模

用于穩(wěn)態(tài)熱分析的模型使用ANSYS Mechanical創(chuàng)建，生成初始網(wǎng)格的單元：

表示小銅通孔的線體用LINK33劃分網(wǎng)格。

代表樹脂中嵌入銅和較大通孔的其他表面體用SHELL131劃分。

使用SOLID70對層壓板和樹脂實體進行網(wǎng)格化。SOLID70單元進行了修改（EMODIF），以創(chuàng)建SOLID278單元，以支持增強單元的生成。

每個固體層壓板和樹脂體在內表面處彼此默認接合接觸，從而形成六個接合接觸對。

為了創(chuàng)建嵌入的加強單元（REINF264和REINF265），LINK33和SHELL131單元被修改（EMODIF）以創(chuàng)建等效的MESH200單元。

厚度為0.042 mm的涂抹加固的截面特性定義如下：

截面積為0.16053 mm2的離散加固的截面特性定義如下：

在選擇適當?shù)幕ASOLID278和MESH200單元后，將創(chuàng)建加強構件（EREINF）并成形（/ESHAPE）：

對于下游結構分析，修改了SOLID278單元（EMODIF）以創(chuàng)建等價SOLID185單元。作為熱結合接觸對的一部分的CONTA174單元也被修改以說明結構解決方案。然后重新選擇增強單元REINF264和REINF265，以實現(xiàn)它們的結構自由度（EREINF）。

材料屬性

以下是22°C下銅、層壓材料和樹脂材料的熱性能和結構材料性能：

邊界條件和加載

穩(wěn)態(tài)熱分析：邊界條件和加載

將內部發(fā)熱載荷應用于代表嵌入式銅跡線和通孔的選定MESH200單元組件：

在從MESH200和基礎構件交叉點創(chuàng)建加固（EREINF）后，應用于MESH200的邊界條件被轉移到涂抹加固構件（BFPORT）：

對流邊界條件應用于PCB的頂面和底面：

下游結構分析：邊界條件和加載

PCB的端部受到所有位移自由度的約束（以綠色表示）：

分析和求解控制

該求解包括穩(wěn)態(tài)熱分析和下游結構分析。

在應用熱產(chǎn)生載荷和對流邊界條件后，穩(wěn)態(tài)熱解是直接的。

隨后的結構解涉及從.rth文件（LDREAD）讀取溫度。

通過定義至少五個子步，可以實現(xiàn)大撓度。

位移收斂被啟用，熱流收斂被禁用（CNVTOL）。在求解結構分析之前，取消選擇之前為對流定義的SURF152單元。

結果和討論

在穩(wěn)態(tài)熱分析之后，溫度結果是最重要的。以下是部分涂抹加固件的結果：

溫度梯度導致下游結構分析中的變形和應力。

以下是涂抹加固件同一部分的變形結果：

整個PCB的等效熱應變圖（從正X軸側觀察）顯示，應變發(fā)生在預期位置，并對應于熱分析的加載條件：

孔隙壓力分布在某些方面與參考文獻的結果不同進行類似分析時，考慮以下提示和建議：

為實心基礎單元選擇足夠大的尺寸，以避免過于精細的基礎網(wǎng)格。如果基礎單元小于嵌入部件的橫截面或厚度，則熱產(chǎn)生載荷可能不會充分分布，從而導致對受影響區(qū)域的熱結果的過度估計。

對加固單元使用適當?shù)慕孛婵刂圃O置（SECCONTROL），以提高結果。

考慮對所有支撐基礎材料使用基底移除選項，對均質嵌入構件使用全膜選項。