1.2.4 结构优化设计概述

优化设计（optimal design）是指选定在设计时力图改善的一个或几个量作为目标函数，在一定约束条件下，以数学方法和电子计算机为工具，不断调整设计参量，最后使目标函数获得最佳的设计。第二次世界大战期间，在军事上首先应用了优化技术。1967年，美国人R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。1970年，C.S.贝特勒等用几何优化解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。

结构优化设计（optimized design of structure）是指工程结构在满足约束条件下按预定目标求出最优方案的设计方法。传统的结构优化设计，实际上指的是结构分析，其过程大致是假设—分析—校核—重新设计。重新设计的目的也是要选择一个合理的方案，但它只属于分析的范畴；且只能凭设计者的经验作很少几次重复以通过“校核”为满足。结构优化指的是结构综合，其过程大致可归纳为：假定—分析—搜索—最优设计四个阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优（包括满足各种给定的条件），如若不是，则按某种规则进行修改，以求逐步达到预定的最优指标。

1.2.5 热力耦合分析简介

热应力问题实际上是热和应力两个场之间的相互作用，故属于耦合场分析问题。与其他耦合场的分析方法类似，ANSYS提供了两种分析热应力的方法：直接法和间接法。直接法是直接采用具有温度和位移的自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析结果；间接法则是先进行热分析，然后求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中[4,5]。

1.2.6 直接法/间接法进行热应力分析

直接法：ANSYS运用直接法进行热应力分析主要采用耦合单元，其中包括热—应力耦合单元、热—应力—电和热—应力—磁耦合单元。

间接法：先采用常规热单元进行热分析，然后将热单元转换为响应的结构单元，并将求得的节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析，因此在整个分析过程中存在热单元与结构单元的转换问题[6]。

1.3 本课题的主要工作

1.3.1 本课题的研究手段

（1）利用SolidWorks三维建模软件，建立所需计算的设备的三维实体模型。

（2）查阅相关书籍资料了解结构热分析的手段方法，然后将上述模型导入ANSYS软件。利用ANSYS软件模拟运算相关参数条件下设备内部的应力、温度的分布情况。

（3）将所学理论知识结合相关文献分析计算结果，进行优化设计。文献综述

（4）将优化后的结果重新计算并再次根据计算结果进行优化，如此反复，得出优化结果。

1.3.2 本课题所得到的成果

    通过对资料调研和阅读，了解研究热弹性力学问题的基本方法，补充学习相关的力学知识和数学计算方法。使用SolidWorks建模并用ANSYS数值计算模拟温度场和应力场最后对本问题在不同的芯片和电源布置方案下，对PCB基板：