材料力学 教学中的编程实践1)——————应力状态分析

介绍了利用Excel中的VBA语言进行材料力学教学中的编程实践,制作交互式的动画,让抽象的概念和枯燥的理论知识变得形象和生动化。 通过动画及其工程应用展示,能够帮助学生培养解决复杂工程问题的能力。 此外,由于该编程入门简单,也可以通过实践性的大作业帮助学生提升编程能力和计算机的应用水平,从而能够更好地适应科技的发展和复合型工科人才培养的需求。     

芯片封装焊球连接疲劳寿命预测分析--能量法和有效应变法之比较

研究了目前常用的两种芯片封装焊球连接的寿命预测方法一能量法和有效应变法。对焊球连接的材料本构关系进行了对比分析，并利用FORTRAN语言编制了相应的材料本构模型子程序，将其与有限元仿真工具ANSYS耦合，实现了将焊球连接的材料本构模型用户子程序导入到ANSYS的材料库。在此基础上模拟了三维芯片叠层球栅阵列尺寸封装的焊球结构，在热循环条件下(-40～ 125℃的工作状态，并分别利用能量法和有效应变法对焊球连接的寿命预测进行了比较分析，最后对两种方法作出了评价。     

多物理场下FCBGA焊点电迁移失效预测的数值模拟研究

随着微电子封装技术的快速发展,焊点的电迁移失效问题日益受到关注.基于有限元法并结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(flip chip ball grid array,FCBGA)进行电-热-结构多物理场耦合分析,详细介绍了封装模型的简化处理方法,重点分析了易失效关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布,发现电子流入口处易产生电流拥挤效应,而整个焊点的温度梯度较小.基于综合考虑"电子风力"、温度梯度、应力梯度和原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法,并结合空洞形成/扩散准则及失效判据,分析FCBGA焊点在不同网格密度下的电迁移空洞演化过程,发现原子密度积分算法稳定,不依赖网格密度.采用原子密度积分法模拟真实工况下FCBGA关键焊点电迁移空洞形成位置和失效寿命,重点研究了焊点材料和铜金属层结构对电迁移失效的影响.结果表明,电迁移失效寿命随激活能的增加呈指数级增加,因此Sn3.5Ag焊点的电迁移失效寿命约为63Sn37Pb的2.5倍,有效电荷数对电迁移寿命也有一定的影响;铜金属层结构的调整会改变电流的流向和焊点的应力分布,进而影响焊点的电迁移失效寿命.     

平面结构可靠性预测的随机边界元逆分析法

在结构可靠性计算的随机边界元理论和逆分析法基础上,用随机边界元方程结合改进的卡尔曼滤波算法来预测结构的可靠性,提出了用于平面机械结构可靠性预测的边界元逆分析法理论;并将方法应用于同时存在未知缺陷和随机边界载荷模型,进行了结构可靠性预测,在识别缺陷的同时预测出随机边界载荷的分布参数及结构体上各点的结构可靠度指标,给出了平面结构模型的数值示例。     

耦合船体横摇的减摇水舱流体运动和减摇效果预测

减摇水舱用于减小船体的横摇运动。由于水舱内部结构复杂,导致流体晃荡呈非线性。为了降低预测水舱特性和减摇效果的难度,采用计算流体力学VOF模型来分析水舱中流体的晃荡,在时域内,运用数值方法完成船体非线性横摇运动的实时仿真,其中耦合了水舱中流体和船体的运动。船体随机横摇时,进行水舱流体流量和力矩的功率谱分析,得到减摇频率范围及减摇前后的效果。结果表明,在其减摇频率范围内,减摇水舱具有良好的减摇能力,验证了此方法的可行性。     

多物理场下FCBGA焊点电迁移失效预测的数值模拟研究

随着微电子封装技术的快速发展, 焊点的电迁移失效问题日益受到关注. 基于有限元法并结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(flip chip ball grid array, FCBGA)进行电-热-结构多物理场耦合分析, 详细介绍了封装模型的简化处理方法, 重点分析了易失效关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布, 发现电子流入口处易产生电流拥挤效应, 而整个焊点的温度梯度较小. 基于综合考虑“电子风力”、温度梯度、应力梯度和原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法, 并结合空洞形成/扩散准则及失效判据, 分析FCBGA焊点在不同网格密度下的电迁移空洞演化过程, 发现原子密度积分算法稳定, 不依赖网格密度. 采用原子密度积分法模拟真实 工况下FCBGA关键焊点电迁移空洞形成位置和失效寿命, 重点研究了焊点材料和铜金属层结构对电迁移失效的影响. 结果表明, 电迁移失效寿命随激活能的增加呈指数级增加, 因此Sn3.5Ag焊点的电迁移失效寿命约为63Sn37Pb的2.5倍, 有效电荷数对电迁移寿命也有一定的影响;铜金属层结构的调整会改变电流的流向和焊点的应力分布, 进而影响焊点的电迁移失效寿命.      

无铅焊料的力学性能研究及ANAND本构参数确定

根据ASTM E8M-04标准,对两种无铅焊料91.5Sn8.5Sb和95.5Sn3.8AgO.7Cu分别在15℃、75℃、150℃温度下和10-5s～10-2s十种应变速率下进行了一系列恒定应变速率的拉伸试验.分析了这两种无铅焊料的粘塑性力学行为.实验表明这两种无铅焊料具有温度和应变速率相关性.采用统一型Ahand粘塑性本构式,描述了这两种无铅焊料的非弹性率相关的变形行为,并基于非线性拟合程序确定了Anand粘塑性本构式的九个材料常数.结果表明Ahand式能有效描述无铅焊料的粘塑性行为,可应用于电子封装无铅焊点的可靠性模拟和失效分析.     

用于设计灵敏度分析的弹粘塑性边界元法

基于一致切线算子概念的弹粘塑性隐式边界元方法,进行了弹粘塑性设计灵敏度分析.采用了Perzyna经典粘塑性本构模型,针对包含各向同性硬化和运动硬化的混合硬化模型,导出了弹粘塑性灵敏度分析的径向返回算法和一致切线算子.利用直接微分的方法,建立了设计灵敏度分析的弹粘塑性边界元增量方程,导出了弹粘塑性径向返回的灵敏度公式.给出了在不同粘塑性流动参数下的三个典型算例的结果,与ANSYS结果相吻合,证明了方法是正确的.     

金属互连焊球的电迁移试验设计研究与灵敏度分析

综合考虑多种电迁移驱动机制, 基于ANSYS软件和FORTRAN程序提出电迁移失效算法, 导出了电迁移灵敏度分析方程, 并建立相应的数值算法. 在此基础上考虑设计变量为激活能、初始自扩散系数和材料力学性能参数等对金属互连焊球进行电迁移灵敏度分析, 同时基于三维有限元分析的全因子试验设计法对CSP封装结构的电迁移寿命进行仿真预测.     

耦合船体横摇的减摇水舱流体运动和减摇效果预测Fluid motion and stabilization effect prediction of anti-rolling tank coupled ship rolling

减摇水舱用于减小船体的横摇运动。由于水舱内部结构复杂,导致流体晃荡呈非线性。为了降低预测水舱特性和减摇效果的难度,采用计算流体力学VOF模型来分析水舱中流体的晃荡,在时域内,运用数值方法完成船体非线性横摇运动的实时仿真,其中耦合了水舱中流体和船体的运动。船体随机横摇时,进行水舱流体流量和力矩的功率谱分析,得到减摇频率范围及减摇前后的效果。结果表明,在其减摇频率范围内,减摇水舱具有良好的减摇能力,验证了此方法的可行性。