电子封装热应力数值分析

针对目前电子封装的封装密度越来越高、封装厚度越来越薄、封装体在基板上所占面积越来越大,发热引起的失效越来越严重等问题,以晶体管瞬态热应力分析为例,建立热力耦合力学模型.利用ansys研究电子封装热失效问题,得到温度场、应力场和变彤场的分布规律.温度和应力的主要规律包括两点,一是温度和应力都在角点处变化明显,应力比较集中.温度从上到下逐层变化,逐渐减小,并且层与层之间温度变化不大,模型中间部分温度层厚度几乎相同,下半部分同一温度层有规律的变化.二是当温度较高时,在受约束面上和角点处应力值较大,并且在模型的角点和中部出现应力集中现象.     

三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.     

反应堆控制棒驱动机构温度场数值模拟

控制棒驱动机构(control rod driver machanism,CRDM)是反应堆中最重要的组件之一.在工作时CRDM线圈通电产生的热量以及内部高温冷却剂传递的热量会导致其温度过高,造成老化甚至失效.本文以ACP100反应堆为例,对不同环境温度下的CRDM外部流场进行三维数值模拟,得到其外壁面空气温度及对流换热系数.将上述结果作为边界条件分段施加到单根CRDM上,考虑内部冷却剂的自然对流流动对CRDM进行热流固耦合分析.结果表明,CRDM内部沿轴向及由内向外存在较大温度分布梯度;在提升、传递和夹持线圈中夹持线圈温度最高,在不同环境温度下3个线圈温度均小于线圈限制温度.本文提出的温度场分析方法和分析结果可为后续CRDM结构设计及可靠性评估提供参考.     

堆积体地层隧道围岩注浆效果水-力耦合分析

根据饱和非饱和渗流理论,结合公路隧道工程实例,通过渗透力与应力耦合的三维有限元模拟,分析了注浆层厚度、围岩与注浆层渗透系数比对堆积体地层隧道涌水量以及对围岩和支护结构的影响.分析结果表明:①注浆层厚度对涌水量影响较小,注浆层渗透系数对涌水量影响很大,控制注浆层渗透系数在1.0E-9 m/s以下可以有效地满足隧道施工和安全运营的需要;②水-力耦合效应使围岩应力、位移、塑性区范围及支护结构应力增大,注浆对其具有明显的改善作用.     

热电有限元模型应力分析研究现状及方法介绍

旨在分析热电模块及系统内部应力分布情况的热-电-结构耦合问题近年来得到了产业和学术界的广泛关注,该类问题以有限元模型分析为主要手段,研究内部应力云图及曲线的分布及变化情况,对设计热电模块时预防和减少应力集中提供直观有效的帮助.本文总结了国内外热电有限元模型应力分析的最新研究进展,介绍了热电有限元模型应力分析的基本原理,模型建立过程及相应部件物性参数的选择依据,利用有限元分析软件计算得到的应力分布及变化的结论,以及对热电模块结构进行优化设计的方法.     

应力腐蚀和压力溶解对双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

引入裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型,针对一个假设的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定2种计算工况：（i）裂隙开度随应力腐蚀和压力溶解而变化（基岩的孔隙率亦是应力的函数）;（ii）裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力耦合的二维有限元分析,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔（裂）隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布等情况.结果主要显示：应力腐蚀引起的闭合速率要高于压力溶解引起的闭合速率6个数量级,且2种因素产生的闭合速率随时间先增加后减少,并趋于稳定;随着时间的推移裂隙开度由初始值下降并趋于残余值,而粗糙面接触率亦由初始值上升并趋于其名义值;当考虑应力腐蚀和压力溶解时,近场的负裂隙水压力上升很高;2种工况的岩体中的应力量值及分布差别很小.     

结构的刚-热弹耦合稳定性问题研究

对于刚-热弹耦合动力学这类学科交叉问题,尚无现成的控制方程可以利用.由于变分原理是从总体上把握事物,便于应用功能转化原理和能量守恒定律来研究问题.应用刚-热弹耦合动力学的变分原理,不仅可以建立刚-热弹耦合动力学的控制方程,而且可以为刚-热弹耦合动力学的有限元建模提供方便.本文根据功能转化原理和能量守恒定律,建立刚-热弹耦合动力学变分原理,给出刚-热弹耦合动力学变分原理的驻值条件,得到刚-热弹耦合动力学的控制方程,并且,将以上成果转化为非惯性坐标系中的静力学问题.作为该理论的应用,研究了结构的刚-热弹耦合稳定性问题.在非惯性坐标系中,给出两向应力状态刚-热弹耦合临界应力.最后,讨论了有关问题.     

波浪作用下粉土特性分析*

利用弱非弹性介质模型,推导了波浪作用下有限深海床内部孔隙水压力、应力以及土骨架和孔隙水位移关系.针对3种海洋土,分析了土床内孔隙水压力、应力、应力角、位移的分布以及弹性波随加载波周期的变化.结合前人的实验结果,讨论了在粉土质海床中所呈现的共振现象.从理论上探讨了该现象发生的力学机制,提出了土床中硬土层的存在是决定土床中是否可能发生共振的必要条件,并且可以预测共振发生的可能区域.     

改善复杂形状的热成形先进高强钢汽车结构件成形性的工艺开发和机理分析

针对具有形状要求的先进高强钢(AHSS)汽车结构件热成形时经常发生破裂现象,从其各处分布的不同应力方式对样件微观结构、厚度分布和力学性能影响作用存在差异的角度分析,首次利用高速加热炉、急冷处理室和带有冷却水道模具的一体化实验设备,通过在冲压前设计急冷处理新方法,即由现有工艺的奥氏体化后直接冲压成形,转变成先经急冷处理,然后到700°C左右成形,其目的是:使得样件上以拉应力为主的加载区,因具有较好硬化指数n值而获得较好成形性;以压应力为主的某些抑制马氏体相变区域,因提前的急冷处理而在微观奥氏体母相中增加马氏体新相形核的几率,获得致密的组织结构,以改善强韧性.实验证明,通过冲压前的急冷处理,样件更为完整,未出现开裂现象;微观具有明显细化的马氏体排列形态;宏观硬度分布均匀,且都在460 Hv以上,能够满足高强度、高韧性的性能要求.从而,验证了该急冷方法的科学有效,并突破了国内现有热成形AHSS易开裂的瓶颈问题,为建立我国自有知识产权、复杂形状的热成形AHSS结构件生产工艺路线提供了依据.     

基于自热修正的SOI NMOSFETs热载流子注入效应寿命预测方法

自热效应SHE（self-heating effect）是SOI MOSFETs可靠性研究的关键问题之一.在热载流子注入HCI（hot carrier injection）应力下会导致自热效应加剧,低估器件工作寿命,使得寿命预测不准.本文提出了一种基于直流HCI应力下的0.18μmPD-SOINMOSFETs可靠性寿命预测方法.通过栅电阻法提取沟道中因自热效应产生的温度,采用自热修正后的衬底电流/漏电流比率模型预测PD-SOI NMOSFETs在正常工作电压下的寿命值,预测结果与未消除自热影响预测出的寿命值存在较大差异,说明自热修正在寿命预测中不可忽略,否则会低估器件的工作寿命.     

超声测量结构内部瞬态温度场的重建方法研究

固体结构内部瞬态温度场的无损测量在航空航天、机械制造与材料加工等领域都具有十分重要的作用.本文基于超声波传播速度与温度的相关性,建立了超声测量各向同性材料内部瞬态温度分布的模型,从反演角度入手,将瞬态非均匀温度场的重建问题转化为热边界的反演和热传导正问题计算的问题,应用参数辨识中的共轭梯度法,发展了一种高分辨率的温度场重建方法,并通过数值仿真系统分析算法的精度、抗噪性和稳定性等特性,最后,进行了实验验证与分析.研究表明:基于超声渡越时间反演得到的热边界条件,符合物理实际,重建得到的结构内部瞬态温度分布精度较高、实时性好、适用性强,有利于促进超声无损测温技术的发展,具有重要的工程应用价值.     

沿海高层建筑玻璃幕墙风致应力现场实测研究

沿海地区受台风的影响,高层建筑玻璃幕墙容易发生破坏.目前关于玻璃幕墙抗风性能的各种研究方法都具有一定的局限性.在台风登陆时,受大气压变化、温度变化和暴雨的冲击作用的影响幕墙整体会发生振动和变形,使得幕墙玻璃实际的应变和应力分布情况与模型试验和风洞试验的情况大不相同.本文对厦门沿海某高层建筑的玻璃幕墙进行了现场实测研究,获得了台风登陆过程中幕墙玻璃表面的风压情况及大量风致应力数据,并分析了幕墙玻璃上的风压与应力或应变的关系,总结了应力分布情况.     

包层模块几何特征对MHD流动和流道插件力学行为的影响

在国际热核聚变反应堆中,液态包层是能量转换的关键部件,位于包层模块内的流道插件(FCI)的主要作用是绝缘和绝热,流道插件的几何尺寸对包层内MHD流动特性、传热性能和结构安全性有很大影响.本文应用相容守恒格式的有限体积法分析磁场作用下金属流体的流动行为和温度场特点,并采用顺序耦合的方式,用有限元方法分析流场和温度场对结构的应力应变产生的影响.详细研究了流道插件厚度和间隙区宽度对MHD流动传热的作用,并引入无量纲数定量分析包层的传热效率.研究结果表明,插件厚度和间隙区宽度非线性、非单调地影响着传热效率、MHD压降、第一壁温度和流道插件的热应力.通过对大量计算数据的分析,本文建立了MHD压降与间隙区宽度的关联式;综合热效率、压降、第一壁温度和结构热应力作用,推荐了包层结构设计方案.本文为包层模块的优化设计提供了理论基础.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

基于FLOWMASTER的制冷剂充注量对制冷系统性能影响的仿真研究

在分析制冷系统作用及基本原理的基础上,使用一维流体系统仿真软件FLOWMASTER的元件库建立了制冷系统仿真模型.用能量方程、动量方程和连续性方程联舍起来进行耦合求解,得到系统的温度和压力分布,进而得到流速及换热量等其它参数.在此基础上研究了制冷剂充注量对制冷系统性能的影响,得出了制冷量及COP（Coefficient of Performance,性能系数）随充注量变化的曲线,提出制冷剂的充注量要以制冷量达到设计要求时,系统的COP达到最大为原则.     

环路热管启动特性的实验研究

通过大量的实验研究了蒸发器内气液分布、反重力工作高度、启动热载荷的大小、热沉温度等因素对启动的影响, 描述并分析了4种不同蒸发器内气液分布情况下的启动现象, 给出了系统温度变化曲线图, 分析了启动的难易程度. 根据实验数据得出结论: (ⅰ) 对于液体干道内充满液体的启动情况, 储液器温度上升的主要原因并不是漏热, 而是回路压力升高所致. (ⅱ) 热载荷大有利于启动. (ⅲ) 未完全绝热时小热载荷下热沉温度不影响启动. (ⅳ) 环路热管在反重力情况下启动时, 当蒸汽槽道存在蒸汽时, 所需启动时间、启动温升增大; 而蒸汽槽道充满液体时, 所需时间、过热度和启动温升都减少. 实验还观察到了反重力启动时呈现两种启动方式的特别现象.     

中高频激励下微振动流体阻尼器解析模型

航天器执行机构工作时产生的高频微幅扰振严重影响成像精度.针对中高频激励下微振动流体阻尼器,采用解析方法,考虑流体的压缩性及阻尼孔道内黏性损失,建立微振动流体阻尼器中高频激励下动力学解析模型,给出压差力在时域解析表达式,分析阻尼孔尺寸、流体黏度、激励幅值对动力学特性影响,结果表明,压差力中包含瞬态分量、阻尼力分量以及弹性力分量,阻尼力分量提供阻尼力,弹性力分量提供刚度,瞬态分量随时间衰减.孔径、孔长、阻尼液黏度变化会导致刚度和阻尼变化,激励幅值变化对刚度和阻尼没有影响.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系,建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程;使用迦辽金方法对方程离散处理,采用四阶龙格．库塔法求解微分方程;三阶活塞理论用于气动力分析;使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合,既分析气动热对结构刚度的影响,又分析气动弹性对气动热的影响;2）结构温度随飞行时间的积累效应;3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响;4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比,发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险,这一点在精确分析中应当予以重视．     

晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片中温度和热应力的影响

微观温度分布不均匀将降低氧化锌(ZnO)非线性电阻片的冲击能量吸收能力. 采用二维Voronoi网络(Voronoi diagram)模型, 从微观角度分析了氧化锌非线性电阻片中的电流、温度和热应力的分布. 结果表明: 在击穿区(中电场区), 流经电阻片的电流集中于少数晶粒连结而成的通道, 导致电阻片吸收冲击能量时内部能量吸收不均匀, 引起局部高温和很大的热应力, 造成电阻片发生穿孔或破裂损坏. 另外讨论了晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片内部温度和热应力的影响.     

深部岩体传热机理的研究现状与进展

基于国内外深部工程普遍面临的高温状况,探讨了深部高温的形成机制与影响因素。围绕岩体导热性质研究、水热耦合迁移问题和工程环境对传热的影响三个方面阐述了深部岩体传热机理的研究现状,目前的研究成果主要体现在建立了深部工程的热交换理论体系、矿山地热学的理论体系和地下工程制冷降温系统的热力学基础。在总结分析的基础上,确立了深部岩体流固耦合传热问题的研究思路：开展深部工程区域的的渗流场监测和开展岩体的流固耦合传热实验和建立岩体在应力-渗流-温度耦合条件下的传热模型,揭示深部岩体的传热机理。