基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.      

封闭加固型计算机冷板/卡槽界面热阻分析与优化

温度过高是导致电子产品可靠性降低的重要原因,而大量军用机载计算机因防护要求需采用封闭加固设计,芯片产生的热量只能通过冷板和机箱卡槽的接触面传输到箱体再散播到周围环境中,因此,锁紧界面间存在的接触热阻成为影响机载计算机芯片散热效率的重要因素。首先通过实验分析了接触压力和表面粗糙度对6061-T6铝合金接触热阻的影响,然后针对某型机载加固型计算机板卡装配结构进行了有限元分析,最后以减小接触热阻为目的进行了优化设计。结果表明,接触压力的增加和表面粗糙度的减小都可以使铝合金接触热阻显著减小,但通过加大载荷或减小表面粗糙度来减小实际装配结构的热阻效果却十分有限,最多只能降低约10.5%。压力云图和热阻云图分析发现,引起上述现象的原因在于装配结构自身特点导致界面上存在严重的非均匀接触,良好接触区只占总界面的很少部分。通过优化原有机箱卡槽镂空部分的尺寸,可以有效改善接触区的压力分布,最终可以使热阻降低约24%,同时还使界面最大接触压力降低约37%。     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.      

圆柱夹层多孔材料的主动散热性能研究与优化设计

通过推导不同边界条件的圆柱状夹层多孔材料散热指标,研究了一种特殊结构的圆柱状夹层多孔材料主动散热问题。这种圆柱夹层材料的每一层胞体个数相同,胞体尺寸随着外径的增大而增大,从而保持每一层胞体的相对密度相同。通过计算两种不同换热边界条件下圆柱夹层多孔材料的散热性能,比较并分析了与夹层材料层数相对应的最大散热效率和最优相对密度等指标,并最终得到这些工况下的最优质量。通过分析得到,无论哪种边界条件,正六边形胞体的夹层结构散热性能优于其他构型。同时当为达到某一限定散热效率值时,正六边形胞体结构的质量最小,正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。     

裂尖区内耗散热温度场的非接触式测量

在裂纹扩展过程中,由于材料内部的不可逆变形造成热耗散,所以在裂纹尖端区域内必须存在一个由内耗散热所形成的温度场。本文给出了测定这个温度场的方法和实测结果,讨论了内耗散热对裂纹扩展速度的影响,为研究材料的热力耦合效应提供了实验依据。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真（英文）

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性。MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等。而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性。通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构。通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形。对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃~60℃)温度漂移特性。此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性.MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等.而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性.通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构.通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形.对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃～60℃)温度漂移特性.此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果.     

吸收湿气对微电子塑料封装影响的研究进展

微电子塑料封装中常用的聚合物材料因易于吸收周围环境中的湿气而对器件本身的可靠性带 来很大影响, 本文回顾了封装材料中湿气扩散、湿应力及蒸汽压力的产生这3个互相联系过 程的研究情况, 从理论分析、特征参数描述及其实验测定、有限元模拟分析的角度来分别予 以介绍.从已有的理论分析与实验结果中可以看出, 塑封材料吸收湿气会给器件的可靠性带 来诸多影响, 湿气的吸收、扩散、蒸发等过程, 实验测量, 以及由湿气带来的其它相关问题正 成为微电子封装可靠性研究领域中的新热点, 受到越来越多的关注与重视.     

多相材料传热微结构的多目标优化设计

提出基于散热弱度的材料微结构热传导性能的预测方法,分别从理论和数值上验证该方法与均匀化方法的等效性;推导出微结构等效热传导系数的灵敏度计算格式,建立传热微结构拓扑优化的数学模型.以二维、三维多相材料等效热传导系数的加权组合为目标,采用凸规划对偶优化算法和二次型周长约束进行材料微结构的设计和材料分布的棋盘格控制.数值算例表明基于散热弱度的传热材料微结构设计是可行、有效的,可以为实际的材料设计提供依据.     

柔性电子封装结构中夹杂对延展性的影响分析

以岛-桥型柔性电子封装结构为研究对象,从封装材料中夹杂的刚度、位置、封装方式三个方面探讨了夹杂对柔性电子结构延展性的影响。有限元分析结果表明:随着夹杂刚度的增大,桥的最大主应变增大,整体结构最大延伸量可减小30%;夹杂埋藏位置越深,桥顶局部的整体应变水平越大,最大延伸量可减小20%;相对"硬"封装情形,相同的夹杂对"软"封装中桥的最大延伸量的影响更严重。本文所得结论对于柔性电子器件结构的设计和材料选用具有参考和指导意义。     

确定温度分布和热应力的一种新的全息方法

本文提出了一种能获得被测模型温度场和应力场的新方法,当一个二维光弹性模型受热载荷时,用这种方法能同时在两幅全息图上记录三个信息,从而使温度场与应力场的分离成为可能。     

平行间隙的热楔承载机理分析

本文研究了在4类表面温度边界条件下的热密度楔和热黏度楔对承载能力的影响,指出平行间隙内的油膜也具有承载能力,并与传统的几何楔进行了比较,分析了热密度楔和热黏度楔的关系及其重要性.除了用传统的表面温度差原理来解释平行间隙的承载机理外,还通过数值分析提出了1种补充理论,指出即使2个平行表面之间没有温度差但因油膜内部温度分布不均匀油膜也会产生承载力.     

Thermal Conductivity of Soils at Very Low Moisture Content and Moderate Temperatures

An analysis of soil thermal conductivity data shows that, at very low moisture content, this property first varies insignificantly and then begins to increase from a certain critical moisture content, whose value tends to depend on clay mass fraction. Two simple models evaluating the critical moisture content were developed; the first one is a fraction of the permanent wilting point; the second one is a simple linear function dependent on clay mass fraction. An insignificant variation of soil thermal conductivity is observed at 20°C, within a water pressure head ranging from 1×10³ to 1×10³m, while for higher temperatures (45–50°C) from 5000 to 100000m. Three extensions of the enhanced thermal conductivity model by Sundberg, namely SUN-1, SUN-2 and SUN-3, were proposed and tested. They produce an average root mean square error of 27%, 24% and 30%, respectively, with respect to experimental data. SUN-1and SUN-2 predictions could be further improved if better estimates of thermal conductivity at the dry state and the permanent wilting point were provided. SUN-3 is a simple model which does not require information about the PWP and critical moisture content. All SUN models have a potential for implementing the latent heat transfer component.     

轴对称热冲击SIF过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关,由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析,计算过程大大简化,计算效率得到极大提高,本文将热权函数与有限元法直接耦合,给出了基于刚度阵导数法的轴对称问题的热权函数计算格式,实例计算表明,本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。     

Flow of couple stress fluid with variable thermal conductivity

The steady flow and heat transfer of a couple stress fluid due to an inclined stretching cylinder are analyzed. The thermal conductivity is assumed to be temperature dependent. The governing equations for the flow and heat transfer are transformed into ordinary differential equations. Series solutions of the resulting problem are computed. The effects of various interested parameters, e.g., the couple stress parameter, the angle of inclination, the mixed convection parameter, the Prandtl number, the Reynolds number, the radiation parameter, and the variable thermal conductivity parameter, are illustrated. The skin friction coefficient and the local Nusselt number are computed and analyzed. It is observed that the heat transfer rate at the surface increases while the velocity and the shear stress decrease when the couple stress parameter and the Reynolds number increase. The temperature increases when the Reynolds number increases.     

生物医学传热学的研究进展

概述了生物传热学在现代生物医学工程领域和相关领域内的研究现状及其自身的研究特点，指出了其中尚待解决的问题及应用前景，并对现有生物传热学模型的建立方法和生物热物性测试技术的优缺点进行了综述．     

热冲击应力强度因子过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关。由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析,计算过程大大简化,计算效率得到极大的提高。本文将热权函数与有限元法直接耦合,给出了基于刚度阵导数法和Gauss-Chebyshev积分的热权函数计算格式。实例计算表明,本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。     

光纤陀螺的热分析与热设计方法

光纤陀螺随温度变化产生的热噪声及热致非互易性相移误差直接影响其使用精度。为解决温度问题,分析了光纤陀螺工作的热环境,根据光纤陀螺的体积功率密度选择了自然冷却方法,包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或组合。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性及温度变化产生误差的机理,指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的温度场分布及最高温度,并对光纤陀螺的热设计方法进行研究,包括光纤线圈的热设计、光电器件的安装方式、控制电路的热设计等。由最后热仿真与测试结果可知,热设计方法合理可行。