上蓋元件有限元素分析

ANSYS 8.0 ELEMENTS PowerGraphics EFACET=1 1

X Y Z

圖3-1 上蓋之實體模型

圖3-2 上蓋之有限元素模型

圖3-3 PEI 應力-應變圖[3]

（二）解題程式

1. 宣告分析型式（ANTYPE）：分析型式為非線性靜態分析，

假設其他零件之變形不影響本零件之分析。

2. 設定邊界條件及負荷後求解：邊界條件如圖3-4方格 2 所示，作用於上蓋之四支卡榫，限制其X和 Y方向之自 由度為零，負載方式如圖3-4方格 3所示銷的底部承受負

載2.53 N，如式 2.4所示。

圖3-4 未置入 IC之上蓋元件之邊界條件與負載

（三）後置處理

將解題部分所求得之解答，經由圖形介面以各種不同形式顯示出 來。輸出結果如圖3-5 ~ 3-8所示，圖3-5 為未置入IC之上蓋元件之 結構變形圖，圖 3-6 為未置入 IC 之上蓋元件之等效應力分佈圖，圖 3-7為未置入IC 之上蓋元件之最大應力局部放大圖，圖3-8為未置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖。

邊界條件

負載 2.53 N 邊界條件

1 2

3

ANSYS 8.0 DISPLACEMENT STEP=1 SUB =1 TIME=1 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.011322 1

X Y Z

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.011322 SMN =.755E-06 SMX =20.34 1

MN MX

X Y Z

.755E-06 2.26 4.52 6.78 9.04 11.3 13.56 15.82 18.08 20.34

圖3-5 未置入 IC之上蓋元件之結構變形圖

圖3-6 未置入 IC之上蓋元件之等效應力分佈圖

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 EPTOEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.011322 SMN =.195E-09 SMX =.002218 1

MNMX

X Y Z

.195E-09 .246E-03 .493E-03 .739E-03 .986E-03 .001232 .001479 .001725 .001971 .002218

圖3-7 未置入 IC之上蓋元件之最大應力局部放大圖

圖3-8 未置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖

MN MX

MX

SMAX=20.34 MPa 最大應力發生處

（四）結果討論

由圖 3-5得知其最大變形量為 0.0113 mm，並不會影響承座之正 常運作，由圖 3-7得知其最大等效應力發生的位置在於卡榫部份，其 最大等效應力值為20.34 MPa，PEI材料之降伏應力為 158 MPa，最 大應力未超過降伏應力，材料未進入塑性區，故無須再作非線性分 析。使用畸變能理論（von Mises 理論），來求得其安全因素。

畸變能理論：

（3.1）

其安全因素為

（3.2）

最大等效應變值為0.0022，而最大變形量為 0.0113 mm，其值對於元 件整體之影響甚小，並不影響承座功能之正常運作。

圖3-9 PEI（2300應力壽命曲線圖）[1]

Y Mises

σ 158 MPa

FS = = = 7.768

σ 20.34 MPa

10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

0 4 2 6 8 10 12

20 40 60 80

Stress，10^3 psi Stress，MPa

Cycles to Failure

ULTEM 2300 Resin

ULTEM 2200 Resin ULTEM 2100 Resin

ULTEM 1000 Resin

(

1 2

) (

² 2 3

) (

² 3 1

)

²

Μises

σ - σ + σ - σ + σ - σ

σ =

2

PEI 材料的抗拉強度為 σ_u = 168.9 MPa ，而受力狀態中最大應力為 σmax = 20.34 MPa，最小應力 σmin = 0 MPa，應力振幅 σa = 10.17 MPa

平均應力 σm = 10.17 MPa，將上述各值帶入 Modified Goodman公式。

（3.3）

求得疲勞極限S_e = 10.8216 MPa，與PEI 材料之應力－週期曲線比較 之下，此元件能超過 10⁸次以上的運作。接著以浴缸曲線來評估產品 之可靠度，若到達第8000個循環時，此元件之可靠度為

（3.4）

由上式得知，上蓋之可靠度為0.999，該元件之設計符合受力需求。

二、置入IC之上蓋元件有限元素分析

（一）前置處理

1. 建立實體模型：使用SolidWorks 繪圖軟體，繪出實體模型，

如圖 3-1所示，並轉成ACIS（*.sat）檔，接著匯入ANSYS 中分析。

2. 元素種類：此分析元素採用 8個節點的 Solid 45元素。

3. 材 料 性 質 ： 上 蓋 元 件 使 用 材 料 為 聚 醚 醯 亞 胺 （PEI，

Polyetherimide），PEI 之機械性質與熱傳性質如表 2-3 所

示，楊氏係數隨溫度變化如圖 3-3所示

4. 建立有限元素模型：使用自由網格建立三維有限元素模 型，如圖 3-10所示。

e

10.17 10.17

+ = 1

S 168.9

( )

cover cover 8

R = exp λ t = exp 8000 = 0.999 10

⎛ ⎞

− ⎜⎝− ⎟⎠

（二）解題程式

1. 宣告分析型式（ANTYPE）：分析型式為非線性靜態分析，

假設其他零件之變形不影響本零件之分析。

2. 設定邊界條件及負荷後求解：邊界條件如圖3-10方格 2所 示，銷的底部限制其自由度為零，負載方式如圖3-10方格 3所示均勻溫度負載150℃。

圖 3-10 置入 IC之上蓋元件之邊界條件與負載

（三）後置處理

將解題部分所求得之解答，經由圖形介面以各種不同形式顯 示出來。輸出結果如圖3-11 ~ 3-14 所示，圖3-11為置入IC之上 蓋元件之結構變形圖，圖 3-12為置入 IC 之上蓋元件之等效應力 分佈圖，圖 3-13為置入 IC 之上蓋元件之最大應力局部放大圖，

圖3-14為置入IC之上蓋元件之等效應變分佈圖。

均勻溫度負載150℃ 1

邊界條件 2

3 單支壓力臂下壓5.54N

ANSYS 8.0 DISPLACEMENT STEP=1 SUB =1 TIME=1 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.027929 1

X Y Z

File: COVER

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.027929 SMN =.638E-05 SMX =31.751 1

MN

MX

X Y Z

.638E-05 3.528 7.056 10.584 14.112 17.64 21.167 24.695 28.223 31.751

File: COVER

圖3-11 置入IC之上蓋元件之結構變形圖

圖 3-12 置入 IC之上蓋元件之等效應力分佈圖

ANSYS 8.0 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 EPTOEQV (AVG) PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.027929 SMN =.101E-08 SMX =.003739 1

MN MX

X Y Z

.101E-08 .415E-03 .831E-03 .001246 .001662 .002077 .002493 .002908 .003324 .003739

File: COVER

圖 3-13 置入IC 之上蓋元件之最大應力局部放大圖

圖 3-14 置入 IC之上蓋元件之等效應變分佈圖

SMax=31.751MPa

MN

MX

MX

最大應力發生處

（四）結果討論

由圖3-11得知其最大變形量為0.0279 mm，並不會影響承座之正 常運作，由圖 3-13 得知其最大等效應力發生的位置在於卡榫部份，

其最大等效應力值為31.751 MPa，PEI材料之降伏應力為 158 MPa， 最大應力未超過降伏應力，材料未進入塑性區，故無須再作非線性分 析。使用畸變能理論（von Mises 理論），來求得其安全因素。

其安全因素為

（3.5）

最大等效應變值為0.0037，而最大變形量為 0.0279 mm，其值對於元

件整體之影響甚小，並不影響承座功能之正常運作。

PEI 材料的抗拉強度為 σu = 168.9 MPa，而受力狀態中最大應力為 σ_max = 31.751 MPa，最小應力 σ_min = 0 MPa，應力振幅 σ_a = 15.8755 MPa 平 均 應 力 σm = 15.8755 MPa， 將 上 述 各 值 帶 入 Modified

Goodman公式

（3.6）

求得疲勞極限Se = 17.522 MPa，與PEI 材料之應力－週期曲線比較之 下，此元件能超過10⁸次以上的運作。接著以浴缸曲線來評估產品之 可靠度，若到達第8000個循環時，此元件之可靠度為

（3.7）

由上式得知，上蓋之可靠度為0.999，該元件之設計符合受力需求。

Y Mises

σ 158 MPa

FS = = = 4.976

σ 31.751 MPa

( )

cover cover 8

R = exp λ t = exp 8000 = 0.999 10

⎛ ⎞

− ⎜− ⎟

⎝ ⎠

e

15.8755 15.8755

+ = 1

S 168.9

在文檔中 中文摘要 (頁 39-50)