锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法技术

本发明专利技术公开了一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，涉及计算材料科学领域。该方法模拟得到的共晶组织与实验仪器采集得到的共晶组织形状极为相似，并能在主流有限元CAE软件和平台(如ANSYS，MARC，ABAQUS，MSC/PATRAN，COMSOL等)实现共晶组织的加载、求解和分析；该方法可以弥补现有锡基二元共晶合金微观组织检测技术的不足，实现其微观组织物理和力学行为的表征。此方法将蒙特卡罗法与有限元方法结合，提高了共晶组织建模效率，实现共晶组织的加载求解和分析，为共晶组织特征分析和可靠性分析提供了一种新方法，很好的解决了共晶结构微观组织建模和性能表征的难题。

【技术实现步骤摘要】
锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法
本专利技术涉及计算材料科学领域，且特别涉及一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法。
技术介绍
锡基二元共晶合金钎料被广泛应用于电子元器件和设备的微互连焊点中。随着电子工业中高密度封装技术的不断发展，电子器件和系统小型化的趋势越来越明显，导致焊点尺寸的持续减小，焊点钎料基体呈现出明显的微观组织(二元共晶组织，两种固相机械的混合物)不均匀性。国内外研究人员普遍认为，焊点是电子产品和设备中最为薄弱的部分。研究发现二元共晶组织不均匀性会对焊点电迁移、热迁移及力学可靠性等造成明显影响。然而，由于试验测试方法和仪器检测精度的限制，微小区域电流密度、温度梯度及应力应变等的大小和分布的测量和表征极其困难甚至无法实现，因此关于二元共晶组织微区电流密度、温度梯度或应力应变等的大小和分布的研究和报道十分匮乏。由于试验手段的局限性，有限元方法被用于微区电流密度、温度梯度或应力应变等的大小和分布的评估。传统有限元建模方法是基于点、线、面实体建模，用户利用软件界面操作或命令通过确定点、线、面和体的坐标关系建立几何模型，然后通过划分网格得到有限元模型。或者是在AUTOCAD、UG、SOLIDWORKS和PRO/E等计算机辅助设计平台上建立好几何模型，然后导入有限元CAE软件，最后划分网格得到有限元模型。但是，二元共晶组织形状和结构极其复杂，传统有限元建模方法要花费大量时间和精力，甚至无法实现建模。因此，先前绝大多数研究将焊点二元共晶组织匀质化处理，即不考虑两种共晶相(共晶组织中的相)物理和力学性能的差异。已有报道指出，相场法、元胞自动机法、蒙特卡罗法可以实现复杂形状和结构二元共晶组织的数值建模。然而，这些方法并不能实现对其复杂物理和力学载荷下的求解分析。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，此方法将蒙特卡罗法与有限元方法结合，提高了共晶组织建模效率，实现共晶组织的加载求解和分析，为共晶组织特征分析和可靠性分析提供了一种新方法，很好的解决了共晶结构微观组织建模和性能表征的难题。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，其包括：S1：按照物相比例随机生成初始模型，认为系统的能量由界面能决定，且在进行能量计算采用的是不超过局部5×5范围界面能；S2：通过晶界迁移和长程扩散降低体系能量，通过位点及其随机选择的相邻位点取向值符号判断发生晶界迁移还是长程扩散。发生晶界迁移时的概率为：发生长程扩散的概率为：其中η为区间[0,1]之间的一个预设值或随机值；S3：消除噪点；使主相噪点和第二相噪点相互抵消，没有抵消掉的噪点，继续发生长程扩散，且要求长程扩散不产生新的噪点；S4：根据简单有限元模型的单元编号及排列方式，规定像素编号和排列方式；S5：生成有限元CAE软件可以识别的脚本文件，且脚本文件中含有每个像素的编号以及所对应的物相信息；S6：用CAE软件读取脚本文件，根据脚本文件每个像素的物象信息赋予有限元模型中相同编号单元的材料属性和单元类型信息，生成包含不同单元类型和材料属性信息的复杂有限元模型；S7：对包含不同单元类型和材料属性信息的复杂有限元模型进行加载和求解分析，得到模拟结果。详细地，在步骤S1中，系统能量由界面能决定，按照以下方式进行界面能计算：S11：计算局部5×5区域界面能时，考虑各向异性，垂直方向界面能是水平方向界面能的3倍，对角线方向界面能是水平方向界面能的2倍；S12：设水平方向边界界面能为E0，则垂直方向的界面能和对角线方向的界面能分别为3E0、2E0，然后根据界面能公式计算能量。详细地，在步骤S2中，晶界迁移按照以下方式进行：S21：发生晶界迁移时，开始随机选择一个位点i和它周围的5×5区域，如果位点i落在边界区域，则位点i的周围区域小于5×5区域，计算初始的5×5区域或小于5×5的界面能Eb1；S22：比较i位点的取向值与它周围随机一个相邻位点j的取向值的异同情况；若符号相同值不同时，将这个相邻位点j的取向值赋值给i位点，使i和j位点取向值相同，然后计算改变前和改变后的局部区域(即5×5或更小阵列)的界面能Eb1和Eb2，界面能的改变量ΔE＝Eb2-Eb1，若ΔE小于或者等于零时，晶界迁移发生的概率P为1，否则，晶界迁移不发生，保持晶界迁移前的状态。详细地，在步骤S2中，长程扩散按照以下方式进行：S23：发生长程扩散时，随机选取位点i的取向值与它周围随机一个相邻位点j的取向值出现异号时，且使该位点i与相邻位点j的交换位置，即i所在位点发生位置移动且只能在不同符号，也即只能在异相的位点中发生移动，直到碰到相同符号，也即碰到同相的位点而停止运动；S24：比较前后界面能的变化量ΔE；若ΔE小于或者等于零时，长程扩散发生的概率为1，否则发生的概率为η，其中η为区间[0,1]之间的一个预设值或随机值。详细地，在步骤S3中，消除噪点按照以下方式进行：S31：如果一个位点的8个相邻位点中有5个或更多(即超过一半)的异相位点时，则定义该位点为噪点，循环读取矩阵中每个位点，可统计出两种相的噪点，最终使两种相中的噪点构成两个一维噪点数组；S32：将两个一维噪点数组中的部分元素一一对应交换取向值，使得数组元素里面的负值变为正值，正值变为负值，保持物相守恒，然后剩下的部分噪点则继续通过长程扩散来消除。详细地，步骤S32具体按照以下方式进行：两种相的噪点中，A相有a个元素，B相有b个元素，当a>b(a≤b)时，那么取两个数组前b(a)个元素一一对应交换取向值，让数组元素里面的负值变为正值，正值变为负值，保持物相守恒，剩下的a-b(b-a)个噪点则继续通过长程扩散来消除。详细地，在步骤S4中，规定像素和排列方式按照以下方式进行：通过CAE软件查看简单有限元模型的单元编号和排列方式，当单元的编号和排列规则确定后，将按单元的编号和排列规则对图像像素进行编号和排列，从而使有限元模型中的单元与像素形成一一映射关系。详细地，在步骤S6中，生成包含不同单元类型和材料属性信息的复杂有限元模型按以下方式进行：通过CAE软件将脚本文件中的材料属性和单元类型信息转递给字符组合所对应的单元，使像素与其相同编号的单元的物相信息关联，根据物象信息赋予或修改简单有限元模型中的单元信息，生成包含复杂单元类型和材料属性信息的有限元模型。详细地，在步骤S7中通过位置对应关系进行三维重构和单元节点耦合，施加边界约束条件，可以实现复杂模型在有限元CAE软件中的求解分析，得到模拟结果。本专利技术实施例的锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法的有益效果是：(1)初始模型按照真实物相比例随机生成。(2)认为系统的能量由界面能决定，在计算界面能时采用的是不超过局部5×5范围界面能，而不是全部范围的界面能，提高了计算效率。(3)长程扩散时，考虑了最终扩散位置邻居物相环境。(4)所生成的脚本文件为纯文件格式，编程和加工方便，通用性强，该脚本文件可在被CAE软件。(5)提高了共晶组织建模效率，实现共晶组织的快速加载求解和分析。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，其特征在于，其包括：S1：按照物相比例随机生成初始模型，认为系统能量由界面能决定，且在进行能量计算采用的是不超过局部5×5范围界面能；S2：通过晶界迁移和长程扩散降低体系能量，通过位点及其随机选择的相邻位点取向值符号判断发生晶界迁移还是长程扩散；发生晶界迁移时的概率为：

【技术特征摘要】
1.一种锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，其特征在于，其包括：S1：按照物相比例随机生成初始模型，认为系统能量由界面能决定，且在进行能量计算采用的是不超过局部5×5范围界面能；S2：通过晶界迁移和长程扩散降低体系能量，通过位点及其随机选择的相邻位点取向值符号判断发生晶界迁移还是长程扩散；发生晶界迁移时的概率为：发生长程扩散的概率为：其中η为区间[0,1]之间的一个预设值或随机值；S3：消除噪点；使主相噪点和第二相噪点相互抵消，没有抵消掉的噪点，继续发生长程扩散，且要求长程扩散不产生新的噪点；S4：根据简单有限元模型的单元编号及排列方式，规定像素编号和排列方式；S5：生成有限元CAE软件可以识别的脚本文件，且所述脚本文件中含有每个像素的编号以及所对应的物相信息；S6：用CAE软件读取所述脚本文件，根据所述脚本文件每个像素的物象信息赋予有限元模型中相同编号单元的材料属性和单元类型信息，生成包含不同单元类型和材料属性信息的复杂有限元模型；S7：对包含不同单元类型和材料属性信息的所述复杂有限元模型进行加载和求解分析，得到模拟结果。2.根据权利要求1所述的锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，其特征在于，在步骤S1中，按照以下方式进行界面能计算：S11：计算局部5×5区域界面能时，考虑各向异性，垂直方向界面能是水平方向界面能的3倍，对角线方向界面能是水平方向界面能的2倍；S12：设水平方向边界界面能为E0，则垂直方向的界面能和对角线方向的界面能分别为3E0、2E0，然后根据界面能公式计算界面能。3.根据权利要求1所述的锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，其特征在于，在步骤S2中，所述晶界迁移按照以下方式进行：S21：发生晶界迁移时，开始随机选择一个位点i和它周围的5×5区域，如果位点i落在边界区域，则位点i的周围区域小于5×5区域，计算初始的5×5区域或小于5×5区域的界面能Eb1；S22：比较i位点的取向值与它周围随机一个相邻位点j的取向值的异同情况；若符号相同值不同时，将这个相邻位点j的取向值赋值给i位点，使i和j位点取向值相同，然后计算改变前和改变后的局部区域(即5×5或更小阵列)界面能Eb1和Eb2，界面能的改变量ΔE＝Eb2-Eb1，若ΔE小于或者等于零时，晶界迁移发生的概率P为1，否则，晶界迁移不发生，保持晶界迁移前的状态。4.根据权利要求1所述的锡基二元共晶合金微观组织的模拟及有限元求解分析方法，其特征在于，在步骤S2中，所述长程扩散按照以下方式进行：S23：发生...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦红波，刘天寒，郭磊，文泉璋，李祎康，梁正超，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45