高精度惯性测量系统热应力分析与优化设计

针对高精度惯性测量系统内仪表结构正交性误差在使用过程中的不稳定性问题,重点开展了结构热应力分析与优化设计。通过构建系统结构热应力模型,并对关键性参数进行系统实测,得到更为精确的优化模型。用有限元分析软件ANSYS对其进行的仿真表明,计算出的结构变化特性与实测正交性误差变化量一致。对仿真结果的进一步分析表明,结构部件的材料线膨胀系数的差异导致仪表安装基面的热应力变形是影响惯性仪表正交性误差稳定性的主要原因。采用上述方法对某高精度惯性测量系统开展热应力分析与优化设计后,同等环境条件变化情况下,惯性仪表正交性误差变化量减少了一半(由10″减少至4.1″),有效减小了惯性仪表正交性误差受长期使用及环境变化的影响,提高了高精度惯性测量系统的综合性能。     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础.针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型.其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合.基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用La-place变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程.结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测.     

热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析

考察飞行器结构热应力对结构及其内声腔声-振耦合特性的影响,建立考虑热应力因素的声-振耦合动力学有限元方程,对一个典型飞行器结构考虑热应力时的声-振耦合动力学响应进行分析。计算结果表明,热应力的存在对耦合模型的固有频率影响较小,受热应力影响较大的区域主要集中在机头及机身等部位,其固有振动特性有较明显的变化。通过对比结构加速度与内声腔声压级的响应结果发现,热应力的影响主要表现为系统响应幅值及峰值位置的改变。     

基于分子动力学模拟的多晶结构微观热-力耦合行为的计算

基于分子动力学模拟,建立了一套可用于表征微观下多晶结构热-力耦合行为的算法框架。该算法的要点是将连续模型和分子模拟耦合起来,并使守恒定律在微观连续模型和原子层次上都得到满足,与利用传统的连续介质力学建立晶界与晶粒的本构方程相比,本模型中的连续流是通过原子模型准确计算得到的,从而避免了使用经验的本构方程。     

两微极磁热弹性固体分界面上波的反射与折射

给出了磁场、热场和弹性场多场耦合作用下微极广义热弹性固体的一般控制方程.该方 程既包含了磁场、热场和弹性场的耦合作用,又在其广义热传导方程中涵盖了耦合热弹理论 (C-D)及其5类推广(L-S理论,G-L理论,G-N(II,III)理论和C-T理论).运用该微极广义磁热 弹性控制方程,研究了在定常磁场作用下, 具有均匀初始温度的两理想接触微极弹性介质平面分界面上磁热弹性波的反射和折射现象.给出了分别在缺少磁场、热场作用或不同广义热传 导理论下反射或折射热波、纵向位移波、耦合横向和微旋转波与入射纵向位移波的振幅比随 入射角变化的关系曲线.对缺少磁、热和微极性以及热松弛时间时对应的反射、折射系数进 行了对比.结果表明磁、热和微极性以及热松弛时间对振幅比均有不同程度的影 响,与磁、热和微极性一样,热松弛时间对不同类型波的影响能力差别明显,但对同 一类型的反射波和折射波的影响相似.     

弹性介质中输流微管道的热弹性振动分析

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

高温下混凝土的本构模拟及破坏分析

针对已建立的高温下混凝土中化学-热-水力-力学耦合过程分析的分级数学模型,发展了混凝土的化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型。在已有的Willam-Warnke弹塑性屈服准则基础上发展了考虑脱水和脱盐引起的材料损伤及化学塑性软化、塑性应变硬化/软化和吸力硬化的广义Willam-Warnke本构模型,模拟高温下混凝土的材料非线性行为。为保证全局守恒方程的Newton迭代过程的二阶收敛率,导出了非线性化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型的一致性切线模量矩阵。数值结果显示了本文所发展的化学-热-水力-力学(CTHM)耦合本构模型在模拟高温下混凝土中复杂破坏过程的能力和有效性。     

单层微通道热沉拓扑结构对芯片中心热点的降温效能研究

通过热流固耦合模拟分析得到了不同微通道结构热沉基底的温度场及微通道内速度场,研究了相同入流功率下不同单层微通道拓扑结构对中心有高热流密度热点芯片的散热能力。结果表明:相同入流功率(0.05W)下,不同结构的散热能力排序由高到低为Y分形、弯曲散射、直散射(双侧出流)、直螺旋、直散射(单侧出流)、圆螺旋、树状分形、直槽结构;采用中心入流可有效降低芯片中心热点附近的温度,对于中心入流的散射结构,采用对称出流结构可提升其流动传热性能;Y分形结构具有良好的流动传热特性,对于热源面和中心热点均具有良好的散热效果。     

生物芯片压电微流体泵液-固耦合系统模态分析

对压电微流体泵粘性流体周期流动进行厚度积分平均近似,得到包含粘性的,非线性浅水波动方程,并采用有限元法得到微泵液体压强矩阵方程.液体压强矩阵方程和压电硅片振动有限元方程耦合,得到一个包含微泵进出口扩散管的液-固耦合系统振动方程.液-固耦合系统的模态分析结果表明,微泵液-固耦合系统的自然频率比不耦合的硅片振动自然频率低很多.随着微泵厚度的减少,液体附加质量和粘性阻尼对耦合系统自然频率的影响更加明显.同时发现,对应的压电片振型函数在液-固耦合前后没有明显变化.还给出硅片一阶模态的振幅-频率特征曲线.对薄型无阀压电微流体泵,浅水波模型合理地表达了微泵液体流动和压电硅片振动的相互作用,以及液体附加质量和粘性阻尼对微泵液-固耦合系统动力特征的影响.     

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.      

压电体内孔边裂纹的应力强度因子

本文研究含有Ⅲ型孔边裂纹压电弹性体的反平面问题.根据Muskhelishvili的数学弹性力学理论,并利用保角变换和Cauchy积分的方法,对含有圆孔孔边单裂纹和双裂纹的压电弹性体分别进行了分析.基于电不可穿透裂纹模型,得到了在反平面剪力和面内电载荷的共同作用下裂纹尖端应力强度因子的解析解.最后,通过数值算例,讨论了应力强度因子随裂纹长度变化的规律.结果表明:应力强度因子随着裂纹和孔的相对尺寸的增加而增加,并且单边裂纹的应力强度因子要比双边裂纹的应力强度因子大.     

某型液浮陀螺浮子结构的热应力分析

本文以液浮陀螺的浮子结构有限元模型为基础,对某种浮子结构进行了热应力分析,得出在陀螺浮子处于工作温度场的情况下,该浮子结构中的最大热应力值,指出其所用材料的不合理处,为以后陀螺仪设计时材料的选取提供重要数据依据。     

Numerical Analysis of the Influence of Thermal Stresses on the Nonlinear Thermomolecular Pressure Difference Effect

On the basis of a numerical analysis of the non-Navier-Stokes gas-dynamic equations for slow non-isothermal gas flows, the nonlinear thermomolecular pressure difference effect due to a large temperature gradient along the lateral surface of a capillary is investigated. It is shown that the magnitude of the effect is substantially different from the values calculated using the Navier-Stokes equations. For two models of molecular interaction (Maxwell molecules and hard spheres), the possibility of a quasi-one-dimensional interpretation of the effect for experimental estimation purposes is demonstrated. The solutions of the relaxation kinetic equation for flow in a plane capillary at small Knudsen numbers and the gas-dynamic equations for slow non-isothermal flows are compared and the range of their applicability is estimated.     

应力脉冲在SHPB实验中弥散效应的数值模拟与频谱分析

在评判不同材料的整形器对加载波形的改进效果的应用背景下,对比研究了不同形态的应力脉冲在霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)中的弥散效应。利用有限元软件LS-DYNA建立了杆件的三维有限元模型,在杆端分别施加矩形、三角形和半正弦形的应力脉冲,分析了波形振荡、前沿升时和应力峰值随传播距离的变化规律,并运用频谱分析的方法进行了理论解释。结果表明:三角应力脉冲和半正弦应力脉冲在各个方面都比传统的矩形应力脉冲表现出了更小的弥散效应;半正弦应力脉冲在传播过程中比三角应力脉冲更能控制其形态,能有效地减少弥散效应,提高Φ100mm SHPB实验精度,是岩石类非均质材料的理想加载波形;频谱分析的方法能从理论方面有效地解释应力脉冲信号在SHPB实验中的弥散现象。由此可见,波形整形设计的理想目标为具有较宽历时的半正弦应力脉冲。     

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。     

承压热冲击下RPV承载力影响因素的数值分析

为研究承压热冲击下含缺陷的核反应堆压力容器(RPV)的极限承载力,借助ABAQUS软件建立含表面裂纹的RPV的3D有限元模型.通过热-力耦合分析,分别得到筒体区和喷嘴区的瞬态温度场和应力场.考虑到实际RPV断裂试验工作具有相当大的危险性,使用扩展有限元法(XFEM)对裂纹的扩展情况进行数值模拟.通过对含有不同位置和尺寸裂纹、具有不同壁厚容器的极限承载力分析,得到满足强度条件的各临界裂纹尺寸.结果表明,当表面裂纹距喷嘴口的距离达到一定程度,其长度对RPV结构的极限承载力不构成影响.在喷嘴区,随裂纹距喷嘴口距离的减小,临界裂纹尺寸迅速减小,喷嘴口上仅允许深长比较小的浅表面裂纹出现.     

用于热应力分析的体－壳过渡元

以往体－壳过渡元中采用的一般三维应变状态下的初始热应变表达式，与过渡元规定的变形方式不一致。本文利用“相应体元”算出１５节，点过渡元热膨胀时因壳面上法线不伸长引起的应变，以此修正一般三维初始热应变，给出过渡元初始热应变的正确表达式。本文方法扩大了体－壳过渡元的应用范围。     

Numerical Simulation of a Turbulent Thermal

Ascent of a large-scale thermal in a standard atmosphere is calculated with the use of the Reynolds equations and the k model of turbulence, which takes into account temperature inhomogeneity and vorticity of the flow, and the Euler equations. Results of numerical calculations of a flow examined experimentally are presented. Gas-dynamic and turbulent flow parameters obtained in calculations and experiments are compared.     

晶体位错尺寸效应的多尺度分析

本文采用准连续介质多尺度方法,分析了面心立方（fcc）晶体铝阶梯孪晶界在不同尺寸情况下（试件尺寸长高比从1：1到8：1）受剪切作用的晶界变形。了解在不同尺寸下,晶界结构位错的成核过程,得到了大试件比值与小试件比值下作用力与应变的关系曲线及不同试件尺寸下应变能的变化曲线。其中随着试件比值的增加,作用力在应变比较小的时候变化情况相似,但当应变达到3％以后,呈现出明显的不同;应变能随试件长高比的增大而减小,各个试件在各自不同的加载阶段,应变能变化趋势同作用力变化趋势相一致。本计算揭示了不同尺寸下阶梯孪晶界在剪切作用下的微观机理,证实其尺寸效应性质。     

大直径SHPB弥散效应的二维数值分析

采用轴对称动态有限元HONDO程序对大直径SHPB装置中压杆横向泊松效应引起的应力波弥散进行二维数值分析,并从以下三个方面讨论波形弥散的影响：（1）SHPB装置中压杆直径和杆长对弥散结果（主要是升时）的影响;（2）压杆中的波形弥散对试件应力-应变曲线的影响;（3）弥散对试件应变率的影响。分析表明,在直径SHPB弥散效应对实验结果的影响很大,必须考虑。