复合磨损套管爆裂失效机理及剩余强度预测

超深井、水平井、大位移井等复杂油气井服役工况异常恶劣,套管复合磨损严重,将对井筒完整性构成巨大威胁,且磨损套管剩余强度难以精准预测。为此,基于塔里木盆地塔中北坡顺南区块501井套管磨损数据及P110管材应力—应变本构关系,建立了充分考虑钻杆本体和接头联合造成的磨损模式、夹角、磨损重叠深度及磨损深度的复合磨损套管有限元力学模型,并开展了多种复合磨损模式下套管弹塑性变形、屈服、裂纹萌生、扩展及爆裂行为模拟,得到了不同复合磨损套管应力分布、剩余抗内压屈服强度及爆裂强度。研究结果表明:(1)月牙夹角在0°~90°时,应力干涉削弱应力集中,月牙夹角在90°~180°时,应力干涉增强应力集中,这种交互作用机制导致磨损套管剩余强度随着月牙夹角增加而先增加后降低;(2)裂纹萌生并起始于等效应力最大的位置即磨损月牙中心,并垂直于最大环向应力沿径向从套管内壁向外壁扩展,且裂纹一旦萌生,裂纹将迅速扩展并发生爆裂失效;(3)灰色关联度分析确定了复合磨损套管剩余强度对磨损深度、月牙夹角、复合磨损形式、月牙重叠深度的敏感性,分析结果表明磨损深度是决定套管剩余强度的主控因素。结论认为,该认识为套管强度设计与优化提供了技术参考,并对准确预测复合磨损套管剩余强度和确保井筒安全及完整性具有重要意义。

小当量近场爆炸冲击下CFRP层合板失效机理及吸能特性

为研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在小当量近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性,对CFRP层合板分别开展了自由场爆炸试验和扫描电镜试验。同时,建立采用3D Hashin失效准则的复合材料层合板损伤模型,针对近场爆炸冲击下CFRP层合板的动响应行为进行了数值模拟,结合试验结果分析了CFRP层合板在近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性。结果表明:CFRP层合板迎爆面与背爆面失效模式存在差异,层合板迎爆面受到冲击波直接作用,出现基体开裂、纤维断裂或中心穿孔失效,分层出现在纤维⁃基体界面;背爆面由于反射拉伸波的作用,出现大面积的分层失效与裂片飞出,分层出现在基体内部。在层合板动响应过程中,高应力区域集中在穿孔区域边界,沿纤维方向分布,0°与90°铺层的应力水平高于±45°铺层。与迎爆面相比,背爆面处的层合板吸收转化大部分能量,约占总吸能的52%~56%。

集成电路固有失效机理的可靠性评价综述

ULSI/VLSI集成电路芯片的可靠性既与设计有关,也与工艺加工过程有关,即芯片的可靠性是设计进去、制造出来。设计是集成电路芯片可靠性的基础,工艺制造是集成电路芯片可靠性的实现。要使超大规模集成电路在特定的寿命期间内能够稳定地工作,必须对影响集成电路芯片可靠性的固有失效机理进行评价。评价的目的是确定磨损失效的机理,通过改进设计和工艺加工水平确保集成电路芯片在整个产品寿命期间有良好的可靠性。本文梳理了国内外集成电路芯片固有失效机理的可靠性评价标准,阐述了这些固有失效机理的产生机制,总结了不同固有失效机理的试验方法,提出了固有失效机理的可靠性评价要求。这些标准、方法和可靠性评价要求具有很强的时效性,集成电路芯片固有失效机理的可靠性评价将在工艺开发、建库及工程服务中发挥作用,并有助于推动国内合格生产线认证的开展。

陶瓷封装球栅阵列焊点失效机理研究

研究了陶瓷封装球栅阵列(CBGA)的焊点在长期使用后开裂的失效机理,提出了改善此类元器件焊点可靠性的有效措施。通过X-ray分析、显微剖切、扫描电镜和能谱分析(SEM&EDS)等手段,研究分析了CBGA封装器件焊点失效的机理与成因;基于失效机理,提出了针对性的改善措施,并验证了相关措施的有效性。研究结果表明,由于CBGA器件本体与印制板之间存在较大的热膨胀系数差异,导致焊点在长期使用后出现了热疲劳开裂失效,通过更换焊球类型以增加焊点高度可以显著地改善焊点的可靠性。

IGBT动态雪崩失效机理仿真分析

IGBT在关断过程中所发生的动态雪崩现象是导致其失效的重要原因之一。为研究IGBT动态雪崩失效机理,利用Silvaco软件对其进行仿真分析。通过对动态雪崩击穿机制、电流密度分布和温度分布的仿真分析,得出动态雪崩可以产生移动的电流丝和移动十分缓慢或固定不动的“死丝”。引起器件失效的是动态雪崩形成的死丝,死丝会导致IGBT内局部温度的急剧增加,最终因局部温度过高烧毁器件导致IGBT的失效。在此基础上分析了死丝产生的原因并进一步提出防止IGBT动态雪崩失效的具体措施。

在役变压吸附器的失效机理分析

变压吸附器是制氢装置中的关键设备,长期服役于交变载荷工况。国内已发生多起变压吸附器开裂和泄漏事故。对变压吸附器的失效机理进行分析后可知:当变压吸附器在大气温度运行时,氢脆的影响可以忽略;采用疲劳裂纹扩展速率曲线的第二阶段对疲劳寿命进行评估时,氢对疲劳裂纹扩展的影响可以忽略。变压吸附器的主要失效机理为机械疲劳,通过有限元法、疲劳损伤累积理论和断裂力学性能测试等方法可以预测变压吸附器的疲劳寿命。

连接器接触件机械磨损失效机理的实验研究

连接器接触件的机械磨损是其电接触性能劣化的主要原因。通过开展连接器机械插拔模拟实验,测试连接器机械插拔过程中接触电阻和插入力的瞬时波形,并分析反复插拔条件下接触电阻的稳定值和插入力的退化趋势,获得失效后插针表面的微观形貌特征和元素成分,从而提出机械磨损失效机理。所得结论可为连接器的高可靠长寿命设计提供参考。

正交三向织物增强铝基复合材料的高温拉伸力学行为与失效机理

针对真空压力浸渗制备的正交三向织物增强铝基复合材料,采用实验与数值模拟方法研究了高温(400℃)下的准静态拉伸力学响应及损伤演化与失效行为;根据纱线微观组织和织物结构分别建立了微观和细观尺度代表性单胞,基于组分材料的温度相关的性能参数构建微观单胞有限元模型,计算获得不同温度下纱线的横向和轴向力学性能,进而采用包含基体、纱线、界面的细观单胞有限元模型分析了复合材料热应力和高温拉伸力学行为。结果表明:室温下复合材料存在与织物结构相关的非均匀分布的残余应力,纳米压痕法测得的残余应力与模拟值基本一致,高温状态下残余应力得到释放并使基体和纱线分别处于压应力和拉应力状态;复合材料的高温拉伸模量、极限强度和断裂应变的实验均值分别为107.1 GPa、657.1 MPa和0.78%,均匀化计算的高温拉伸曲线与实验曲线总体上吻合。拉伸初期纱线交织处的基体和界面首先发生损伤,捆绑纱弯曲部位出现局部失效,但复合材料表现出线弹性力学行为。随着拉伸应变增大,捆绑纱和纬纱先后发生断裂,且二者与基体之间的界面出现脱黏现象,拉伸曲线开始表现出非线性特征。拉伸后期经纱失效区域的扩展使得拉伸切线模量明显下降,经纱的轴向断裂最终导致复合材料失去承载能力。数值模拟和断口分析表明,纬纱和捆绑纱因横向开裂而形成较平整的断裂面,经纱轴向断裂后拔出长度参差不齐,其断口存在纤维拔出及其周围基体撕裂破坏的微观特征。

复杂力热载荷下推力室内壁失效机理研究

大推力氢氧火箭发动机在经过多次试车后,推力室内壁会产生不同程度的裂纹,严重影响发动机的工作可靠性。为了分析复杂力热载荷下推力室内壁的失效机理,本文根据发动机实际工作过程涉及预冷-工作-后冷-松弛四个阶段,分别计算了经过单次和多次工作循环的内壁应力应变情况,并针对试车分解后的内壁材料进行断貌分析和金相检查。仿真与材料分析结果表明:内壁面的失效机理为疲劳和棘轮共同作用下导致通道中心点处残余拉应变不断累积,不断向外鼓起,而内壁材料在高温下会出现晶粒粗化和再结晶现象,导致材料性能出现不可逆的下降,加速了结构失效,最终产生裂纹。

温压耦合作用下锚固界面变形失效机理

深部地层高地温、高地应力环境使巷道围岩树脂锚固支护结构稳定性降低,围岩变形有效控制问题亟待解决。因此,研究温度与压力耦合作用下锚杆杆体-树脂锚固剂界面变形破坏机理十分必要。首先,根据两淮矿区深部支护工程现状并结合室内不同温度环境下拉拔试验结果,发现高地温环境下树脂锚固体变形破坏加剧;进一步分析锚固体受拉拔荷载作用轴向、径向破坏模式,将第一锚固界面破坏分为弹性围岩-剪切-滑移型、未贯穿-剪胀滑移破坏及贯穿-剪胀滑移破坏等3种模式。其次,基于弹塑力学分析受围岩应力作用锚固界面不同破坏类型的界面受力状态,考虑高温环境下树脂锚固剂层力学强度弱化,建立温度-围岩应力耦合作用的第一界面失效破坏力学计算模型;分析围岩应力、环境温度及弹性模量比等因素变化对第一界面锚固性能影响的规律,发现第一界面极限轴向荷载随温度升高而降低,围岩处于裂隙发育或裂隙贯穿状态时,围岩应力对第一锚固界面剪切破坏影响程度较未产生裂隙时大幅度增高。最后,结合室内拉拔试验数据对比验证所推导计算方程式的合理性。研究可为深部巷道围岩稳定性控制及锚固支护参数设计提供理论依据。

水下冲击波载荷作用下复合材料层合板的动态失效机理

为了研究复合材料层合结构的水下抗冲击特性,基于水下爆炸冲击波等效加载装置,结合三维数字图像相关方法,开展了碳纤维增强复合材料层合板动态响应以及失效特征的试验研究;讨论了水下冲击波载荷下复合材料层合板计及流固耦合效应的动态响应过程;分析了水下冲击波载荷水压峰值、衰减时间以及板厚度变化对复合材料层合板失效特征产生的影响。结果表明,水下冲击波载荷作用下层合板的动态响应过程因涉及板的面内弯剪波传播与流体空化二次加载的相互作用,响应阶段可划分为面内波传播、边界控制响应、二次加载3个阶段;当层合板发生破坏,层合板边界处纤维剪切破坏及靠近边界范围的纤维拉伸破坏均出现在响应第一阶段,响应第二阶段中破坏现象不明显,响应第三阶段则受板厚和载荷的影响可能在板中心因弯折出现纤维断裂;当层合板受较小冲量水下冲击波加载时,外表面不会出现明显失效,但响应过程中结构内部的纤维及基体破坏引起了气背面的残余变形,也降低了结构剩余强度影响承载能力。

卫星展开机构用热刀切割器大气失效机理分析

目的分析图案化电阻Pt薄膜在大气环境下使用寿命下降的原因。方法基于此,选取现有型号热刀切割器图案化电阻薄膜,制备不同厚度Pt/Ti膜,重点考察大气环境下薄膜表界面形貌、成分、晶体结构随温度的变化规律及其对电阻率特性以及力学性能影响。结果大气高温下,Ti过渡层从底层扩散至表面与Pt形成合金,部分Ti扩散至表面被氧化,合金化与氧化导致薄膜电阻率先升高后降低。同时,充当Pt薄膜与基底之间“黏合剂”的Ti过渡层扩散耗尽,导致Pt薄膜与氮化硅基底结合力降低。结论以上因素最终导致了图案化薄膜热刀大气高温环境下切割寿命下降。

锂离子电池微过充循环老化特性与失效机理研究

锂离子电池在实际工作中会因为电池组的不一致性或充电系统故障而出现微过充现象,长期循环会引发安全隐患。为探究微过充循环对锂离子电池老化特性及其失效机理的影响,将电池分别过充至不同截止电压,应用电化学阻抗谱、弛豫时间分布和容量增量分析等技术对其进行老化分析,并结合拆解后电极的扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)表征加以验证。实验结果表明,与正常循环相比,微过充循环会显著加速电池老化,导致电池比容量衰减速度加快;随着循环次数的增加,电池内部的可用锂离子和活性材料不断消耗,电池各类阻抗明显增加,其中4.5 V微过充循环电池的电荷转移电阻较初始状态增加了196.15%;微过充循环还会加剧电池极化现象,降低材料的循环稳定性;微过充循环后,电池的活性材料逐渐从集流体上脱落,正极材料的活性颗粒破裂,负极材料表面固体电解质界面(SEI)膜增厚,F、P元素含量显著增加。

TiAl合金低周疲劳失效机理综述

TiAl合金具有优异的比强度和高温稳定性,被广泛应用于航空航天领域。随着社会发展对飞机发动机运行稳定性和可靠性的要求越来越高,TiAl合金的低周疲劳性能和失效机理越来越受到关注。本文综述了近30年来TiAl合金低周疲劳方面的研究进展,包括应变范围、温度、合金成分、组织类型、片层取向、微观变形等对TiAl合金低周疲劳行为的影响机理,重点阐释了测试条件与TiAl合金微观结构的交互作用对疲劳失效行为的影响规律。

镍钴锰三元锂离子电池不同电压下浮充失效机理及热安全研究

三元锂离子电池由于优异的电化学性能在储能领域得到广泛应用。本研究采用商用18650型镍钴锰酸锂/石墨体系电池作为实验对象,分别在4.2 V、4.4 V和4.6 V的电压下进行浮充实验。通过对新鲜电池及不同电压工况下浮充电池的容量测试、容量增量分析、阻抗测试以及拆解电池后电极材料的XRD、XPS和SEM表征,研究NCM电池浮充失效机理;通过新鲜电池及不同电压工况下浮充失效电池的ARC测试,研究浮充对NCM电池热安全性影响。实验结果表明,浮充电压越高,电池老化速度越快,4.6 V浮充下电池的平均容量衰减速率达1.166%/d。高电压浮充加剧了电池内部电解液与电极之间的界面反应,导致SEI膜增厚,阻抗增加;高电压浮充也导致了正极集流体的腐蚀,使得Al析出并沉积到负极,造成电池容量进一步衰减;浮充后电池自加热起始温度(T_(onset))明显降低,电池热安全性降低。本工作基于NCM电池浮充过程分析、浮充失效材料表征及热失控实验研究,将为了解浮充对锂离子电池的性能和热安全性影响提供理论依据和技术指导。

基于硅凝胶灌封温循载荷下的键合丝疲劳失效机理仿真分析

针对某型混合集成电路在温度循环试验后出现的硅凝胶灌封区域键合丝疲劳失效,对键合丝的键合强度和疲劳断裂失效进行了试验分析,建立了单根键合丝和硅凝胶局部灌封区域的有限元简化模型,拟合了硅凝胶材料的本构模型参数,基于ANSYS Workbench软件对不同胶体材料参数条件和温循载荷作用下的键合丝应力分布情况进行了热力耦合仿真分析,并基于仿真结果对混合集成电路的硅凝胶灌封工艺进行了优化和加严温度循环试验。仿真和实验结果表明,键合丝第一键合点颈部和第二键合点根部的应力值较大,存在明显的塑性应变,与疲劳断裂失效分析一致;通过减小硅凝胶的热膨胀系数和灌封体积的方式进行工艺优化后,键合丝的应力值显著减小,样品经过温度循环试验后实测良率从167%提升至100%。研究结果对于提高硅凝胶灌封区域中的金丝键合疲劳强度有一定的指导意义。

钠离子层状氧化物空气失效机理与改性策略

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、安全性高等优势,可以作为锂离子电池在大规模储能领域的有益补充[1,2]。正极材料在很大程度上决定了整个钠离子电池体系的能量密度,其中,钠离子层状氧化物(Na_(x)TMO_(2),其中TM主要为过渡金属,x≤1)凭借钠资源的广泛可得性、易规模化生产以及在过渡金属元素选择上的高灵活性(采用成本效益更高的铁和铜替代高成本的镍和钴元素)等特性,具有显著的成本效益,已成为一类主要的正极材料[3]。

无纺结构麻纤维复合材料疲劳性能及失效机理

近年来,以可持续性为特征的麻纤维因其在环境可接受性和商业可行性方面的优势而备受关注。以麻纤维代表之一的洋麻毡为增强材料,不饱和聚酯(UP)为基体,采用手工叠层和模压成型的方法制备了洋麻/UP复合材料。设计低周疲劳(低速低循环疲劳)和高周疲劳(高速多循环疲劳测试)来探讨其疲劳性能和疲劳极限,重点观察不同疲劳测试条件下麻纤维的断裂形态和失效机理。

腐蚀条件对7050航空铝合金断口形貌及失效机理的影响

为研究腐蚀条件对7050航空铝合金失效形式的影响,分析不同腐蚀时间和腐蚀溶液浓度对7050航空铝合金试样断口宏观及微观形貌、能谱、金相组织的影响,并进一步分析其失效机理。结果表明:在3.5%NaCl溶液和5%NaCl溶液的腐蚀环境下,7050航空铝合金试样中的Al元素含量会随着腐蚀时间的增加而逐渐降低,而5%NaCl溶液中腐蚀的试样含有更多的O元素;腐蚀时间和腐蚀液浓度的增加会使得7050航空铝合金损伤机理发生转变,还会使试样产生更多的由腐蚀产物堆积的局部腐蚀点和深色狭长的被腐蚀晶界。

燃气聚乙烯管道电熔接头泄漏事故失效机理分析

针对聚乙烯管道电熔接头泄漏事故,对焊缝进行了相控阵超声检测,并通过缺陷处电熔接头拉伸剥离试验,进一步分析了焊接接头的失效机理。结果表明:管件的过焊,使得管件与套筒之间的电阻丝区发生错位,形成熔合区未完全熔合的状态,聚乙烯材料发生大量断链反应,造成本次泄漏事故。最后,对新建管道现场施工和检验给出了建议。