飞秒激光微通道加工研究进展

综述了基于飞秒激光微通道制造的研究现状,包括加工机理、工艺技术方面的研究进展,重点介绍了飞秒激光改性辅助化学刻蚀和液体辅助飞秒激光烧蚀两大主要制造方法上的研究成果,概述了目前面临的主要问题与挑战,展望了未来的发展趋势.     

双层Y形分叉仿生微通道换热性能及优化设计

针对电子器件的小型化和集成化的趋势以及较高的散热要求,基于仿生思想,设计了双层Y形分叉仿生微通道并研究其传热性能。对于分叉角和分级数进行了优化,得到最佳分叉角为60°,分级数为2。设计双层逆流微通道热沉对电子芯片进行冷却;并构建三维层流流场的计算模型,采用有限体积方法进行数值模拟。结果表明:在相同换热面积下,入口速度为1 m/s时,Y形通道较之平直通道压降减少了37.67%,加热面平均温度降低了7.66℃,同时最大温差降低了6.51℃,温度更加均匀,能很好地提升电子器件的使用寿命和散热性能。相对于单层通道,双层逆流Y形微通道热沉具有更小的压降、更均匀的温度,最高温度下降了3.1℃。双层Y形仿生微通道的设计不仅提高了散热容量,而且有效降低了泵功消耗,可以为电子器件的散热设计提供参考。     

微通道散热器的性能实验

对四种空气冷却的微通道散热器进行了实验研究。结果表明它们在４０℃温升和４９０Ｐａ压差下可传递１．６，４．８和７．４Ｗ／ｃｍ＾２的热流，其中一试件达２８ｗ／ｃｍ＾２（７０℃温升。８７０ＫＰａ压差）。四个试件有很大高宽比通道，分别达１６，２５，５０和６７，可有效地降低压差。实验结果用多孔介质模型进行了处理，表明Ｎｕ－Ｒｅ关系具有Ｎｕ＝ｃＲｅ＾ｎ（ｃ，ｎ是常数）的形式。但ｃ，ｎ随槽宽增大分别增大和减小。     

锯齿型微通道内流流场的微尺度粒子图像测量

利用微通道粒子图像测速技术在Re=150时,对断面尺寸为800 μm×800 μm的两种锯齿型微通道流动进行了研究.采用3 μm荧光示踪粒子、10倍显微物镜和14位灰阶CCD相机获得了清晰的粒子图像,通过多幅图像平均的方法消除示踪粒子布朗运动的影响,使用滤光装置提高图像信噪比.对两种锯齿形微通道流动的整场测量发现:微通道内流体在各齿之间流动结构基本一致,尖角和圆角齿形微通道在转弯内侧都存在一个低速旋涡区,圆角齿形微通道旋涡区占据范围相对尖角通道更大;在尖角齿形流道的尖角处,除存在一个完整的大涡外,还发现在大涡上部存在一个与大涡方向相反的叠加涡,叠加涡流动结构不稳定,流速更低,流体中所挟带杂质更容易在该区域沉积形成堵塞,从而导致微流道结构的改变.     

微通道气体流动的格子波尔兹曼模拟

通过隐式格子波尔兹曼方程,并采用壁面平衡边界条件以及二阶关系,模拟了微通道气体流动中的非线性压力和壁面滑移速度,模拟结果与Arkilic的解析结果十分吻合,验证了格子波尔兹曼方法在滑移流区的有效性。     

气泡在含障碍物微通道内的特性研究

采用气液两相流格子Boltzmann方法研究含障碍物的微通道内气泡在浮力作用下上升的特性,主要研究了障碍物润湿性对气泡的变形、分裂、合并等行为的影响.研究发现当障碍物表面亲气时,气泡穿过障碍物时会发生严重变形,并有部分气泡吸附在障碍物表面.因此,气泡会发生分裂.部分留在障碍物表面形成一层均匀的气膜,部分可以顺利穿过障碍物,而障碍物吸附的气泡质量和壁面润湿性相关.当障碍物表面亲水时,尽管气泡在障碍物的挤压下发生严重变形,但在气泡通过障碍物的过程中,气泡和障碍物之间仍然有4个左右网格的距离,因此,全部质量的气泡可以顺利通过障碍物.此外,研究结果还表明障碍物表面亲气程度越强,气泡变形越严重.     

微通道内流的微尺度粒子图像测速技术实验研究

采用微流动粒子图像测速技术Micro-PIV对0.4~0.8 mm的方形截面微通道流场进行了研究.实验选取3μm的荧光染色微球作为示踪粒子,使用532 nm激光、12位灰阶电荷耦合器件(CCD)相机及10倍显微物镜得到粒子图像.通过背景噪声处理技术提高了图像信噪比,并采用系综相关及回归算法得到了微通道截面的速度分布,测量的空间分辨率达到23.68μm×23.68μm×15.64μm.为了消除壁面随机粗糙分布的影响,采用沿流向进行空间平均方法得到了充分发展的方形截面微通道速度分布.将测量结果与方形截面理论幂函数速度廓线进行比较发现:微通道近壁区流场受到扰动的强弱和流道尺寸直接相关,除近壁区外的大部分区域速度分布与矩形截面流道理论速度分布符合良好.     

仿Morpho蝴蝶翅膀微纳结构的优化设计

鉴于Morpho蝴蝶翅膀呈耀眼蓝色光泽与蝶翅表面的微纳结构有密切联系,提出了一种服务于仿生微纳制造的优化设计方法.根据生物结构的形状与尺寸,结合微纳制造中的工艺约束,建立了便于制造的仿生模型.使用严格耦合波分析对仿生模型进行光学仿真计算.在此基础上,以提高仿生结构的蓝光波段（特征波长为470nm）反射率为目标,利用遗传算法对仿生模型进行了优化设计.所得到的最优结构反射率波峰均位于470nm附近,且反射率明显高于仿生结构.为了分析最优结构的蓝光波段高反射率机理,研究了不同层数最优结构的几何特征,计算了部分结构的磁场强度分布,确定了结构中影响反射率的主要参数.     

微柱体对微通道热沉综合性能影响的数值分析

为强化微通道热沉的传热性能,设计一种内置微柱体的微通道热沉,并采用数值方法研究微柱体对微通道热沉内流体流动、传热及综合性能的影响。分析了进口雷诺数、微柱体的错位量对内置微柱体微通道热沉(微柱通道)的压降、热阻和努塞尔数的影响,并与光滑微通道热沉(光滑通道)进行对比。采用热阻与泵功的关系、熵产原则及性能评价准则对微通道热沉的综合性能进行评价。结果表明,微柱通道压降和努塞尔数随雷诺数增大而增大,热阻反而减小;在研究的雷诺数范围内,微柱通道压降比光滑通道的平均高84.3%,热阻平均低27.8%,而努塞尔数平均高54.5%;有错位量的微柱通道热阻比无错位量的平均低8.9%,而努塞尔数平均高12.6%;微柱通道综合性能优于光滑通道,且有错位量的微柱通道更优。     

一种X光多层膜的设计方法

为了解决X光多层膜理论设计与实际镀膜反射率不一致的问题,基于物理学关于X光在多层膜界面散射的最新理论,提出一种数学模型,编制了软X光多层膜的设计程序。在考虑界面粗糙度、膜层配比、膜层周期多个实际参数条件影响下,多层膜反射率与入射X光波长的关系曲线。其设计结果与传统的设计方法相比,不但理论先进,能够给出最佳结构参数的设计结果,而且能够给出膜厚误差、配比误差对反射率的影响,同时考虑了多层膜的所有参数,使反射率设计结果更接近于实际镀膜结果。     

全三维优化技术在IC动力涡轮设计中的应用

采用全三维优化设计技术对间冷循环燃气轮机动力涡轮进行了优化设计。在一维优化、S2流面优化设计的基础上,应用多级局部优化进一步提高总体性能,联合采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行三维局部优化,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解,通过优化设计,调整了级的载荷分配,改善了叶片的载荷分布,重新设计的涡轮效率较原型提高了1%。     

CMOS集成电路设计中的功耗优化技术

对近年来发展起来的ＣＭＯＳ（互补型金属－氧化物－半导体）集成电路的各种低功耗设计方法进行了分析和比较。阐述了在电路级、逻辑级、寄存器传输级以及行为级。算法级和系统级等不同层次上的功耗优化的理论和方法,并且对在各个层次上功耗优化所能达到的功耗改善的极限以及可改进的潜力作了进一步的探讨。     

基于多学科设计优化的共轨管设计优化

基于多学科设计优化方法,以某型高压共轨柴油机匹配的共轨管容积最佳、压力波动最小、质量最小和进油口位置最佳为目标函数建立共轨管多学科设计优化体系,并在充分考虑各学科间耦合作用的基础上,采用模拟退火算法对多学科设计优化模型进行优化求解。研究结果表明:共轨管的容积由原设计值21.991 cm3减少到21.756 cm3,减小了1.07%;总质量由1.250 kg减少到1.165 kg,减小了6.8%;压力波动幅度由6 MPa降低至5 MPa,降幅为16.7%;优化后共轨管的整体性能得到提高,能够满足高压共轨燃油喷射系统的要求。     

强激光反射镜膜层损伤理论研究

从热传导方程出发，利用格林函数法给出了多膜层温度分布以及损伤阈值解析函数表达式，并以Si/SiO2膜系为例，在激光波长为1.315μm情况下，计算了硅镜膜层度分布，激光损伤阈值随光照时间变化的关系曲线，结果表明：激光照射镜面中心处的温度明显高于其他区域，当强激光辐射时间小于0.5s时，损伤阈值与激光辐照时间密切相关，大于等于0．5s后损伤阈值随光照时间的增加而渐渐降低。     

基于高精度模型的机翼气动结构多学科设计优化方法

利用低自由度协同优化方法对轻型飞机机翼进行了气动/结构多学科设计优化,气动和结构两个子系统实现了并行,其中气动分析采用CFD软件Fluent,结构分析优化采用有限元软件MSC.Patran＆Nastran。建立了基于Catia、Gambit和Fluent等通用软件的气动自动化分析模型。提出了利用三系数四次响应面模型拟合机翼上的升力分布以实现不同子系统并行和气动力的传递。以气动自动化分析模型和三系数四次响应面气动载荷分布模型为基础,提出了面向高精度气动分析的气动分析代理模型的建立方法。机翼优化结果表明LDFCO/V1方法可以成功地利用高精度模型实现机翼气动/结构多学科设计优化。     

零件设计过程多学科协同优化

基于传统零件设计与优化遵循顺序过程无法达到面向载荷—结构—工艺的全局最优,对轴类零件的过程设计多学科优化进行研究;以质量为系统级目标函数,以集中载荷截面的弯矩和扭矩、安全系数变化、切削加工去除材料总量为学科目标函数,建立过程协同优化模型,以遗传-粒子群算法进行求解,并以某电动助力转向器(EPS)输出轴为研究对象进行优化计算.研究结果表明:输出轴质量减小5.5％,在300N·m扭矩或80N·m助力转矩2种状态下优化后最大变形分别减小4.2％和9.6％,最大应力分别减小4.4％和10.1％.     

混沌最优化算法在结构最优化设计中应用

针对非线性约束问题,提出了一种新的、可行的混沌最优化算法———三次载波混沌最优化方法;并将此算法用于工程结构优化设计中。计算结果表明,与已有的直接搜索方法相比,该算法简单,容易实现,求解精度、收敛速度和可靠性较高,满足约束的效果较好,是解决优化问题的有效方法。     

强激光反射镜体结构对镜面热变形的影响

对于高功率激光器谐振腔反射镜在高能光辐照下的热变形问题,通过对不同镜体结构的热变形的效果分析,说明镜体结构决定了热变形的效果.比较了不同的镜体结构镜面热变形的有限元软件计算结果,得到较优的镜体结构:对于圆形的Si反射镜,去掉光照背面中心区域以外的环形区域有利于减小热变形,环形区域保留5 mm厚比较适宜;光照背面的中心区域的直径大小为40～60 mm比较适宜.结果还表明,通过优化镜体结构的方式对减小镜面热变形是非常有效的.热台架实验结果与数值模拟结果相符.     

多目标拓扑优化下电动汽车头部结构优化设计

为了优化某全概念设计的新型纯电动汽车头部结构,采用有限元仿真与正交设计相结合的方法,在保障碰撞安全性的前提下,以实现最优比吸能和轻量化为目标,对纯电动汽车头部进行优化,并将优化得到的头部结构进行碰撞安全性分析验证,从而确定满足目标的最优结构。