单晶铜在不同温度下的纳米切削机理研究

目的虽然纳米切削是21世纪超精密加工技术的重要发展方向之一,但现有的纳米切削机理仍不完善。因此,采用数值模拟方法,从晶体结构、力学和粒子运动等方面对纳米切削机理进行补全。方法首先,基于分子动力学方法对纳米尺度下的单晶铜进行了拉伸模拟,总结其在不同温度下的韧脆性特征;其次,对纳米尺度下的单晶铜进行了切削模拟,系统性地研究了切削过程中晶体结构、切削力、应力应变分布,以及原子运动特征在不同材料韧脆性下的变化规律。结果拉伸模拟结果表明,低温下单晶铜脆性特征显著,但仍具有一定的韧性。随着温度的升高,单晶铜脆性减弱,韧性增强。切削模拟结果表明,靠近工件自由面的材料沿主剪切方向发生持续的剪切滑移和周期性的长距离错动,形成多种晶体结构有序分布的块状切屑。靠近刀具的材料在推挤作用下由晶体结构变为非晶结构,之后持续流动形成切屑。随着切削温度的升高,块状切屑中的长距离错动频率提高,通过剪切形成的块状切屑尺寸减小,而通过推挤形成的流动状切屑厚度增加。结论切屑的形成方式包括剪切和推挤2种类型。低温下,剪切切屑形成过程占据主导地位,切屑呈现明显的块状。随着温度升高,切屑形成机理从剪切向推挤转变。

3D IC中全铜互连热应力分析

三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)技术相比于二维封装形式具有互连长度短、异构集成度高、功耗低以及封装尺寸小等特点.因为铜基体具有优异的导电性、抗电迁移性和机械性能,全铜互联结构替代了焊球作为连接结构应用于3D IC中.本文通过数值模拟研究了含有全铜互连和微流道结构的3D IC模型在循环温度载荷下的热可靠性,分析了全铜互联高度对模型内部热应力的影响.结果表明,全铜互连部分的最大热应力与铜柱所处的空间位置相关,离模型中心越远,铜柱内的变形越大.同时,最危险铜柱内部应力分布和变形情况表明,由于铜柱上下端面所受载荷性质不同,铜柱在热载荷作用下的Mises应力大致呈左右及上下对称分布.这会导致铜柱的潜在失效模式是轴向压缩和剪切共同作用下的断裂或损伤.另外,最大Mises应力随铜柱高度的增加而逐渐减小,当铜柱高度为300 gm时最大Mises应力趋于稳定,可以为全铜互连可靠性设计提供参考.

金属正交切削模型研究进展

鉴于切削加工巨大的经济和工艺价值,建立切削过程的理论模型,用以预测切削状态,对于优化切削条件、提高加工效率具有重要意义。国内外学者致力于该领域的研究,并在过去的几十年里建立了许多经典的正交切削模型。然而由于切削过程异常复杂,现有的切削模型并不能满足人们对切削过程精确预测的要求。因此,总结并了解已有的切削模型,对于建立更为有效的切削过程预测模型具有重要的指导和启示作用。系统回顾近几十年来在正交切削领域具有代表性的力学模型,重点介绍Merchant、Piispanen、Shaw、Lee和Shaffer、Hill、Fang、Oxley及Atkins等人的工作,阐述各自模型的主要理论、成果及其联系。最后,对正交切削模型的发展方向进行简要探讨。

高速切削TiAl6V4温度和切削力动态变化规律研究

切削温度和切削力是反映高速切削加工过程的两个重要物性指标,是高速切削研究的主要内容。本文基于实验验证的有限元数值模拟技术,系统研究了高速切削TiAl6V4过程中切削温度与切削力随切削速度的变化规律,揭示了其中的物理起源,并对Salomon假设的存在性进行了初步探索。研究结果表明,刀具与切屑接触区温度总是随着切削速度的增加而上升,而工件加工表面温度则在切削速度达到一定临界值后随切削速度增加而降低。另一方面,切削速度的增加将引起主、次剪切区温度上升以及刀—屑接触长度的缩短,进而导致切削力减小。

材料强化因素对切削过程中尺寸效应的影响

针对航天航空常用材料TiAl6V4的正交切削过程开展了一系列的有限元模拟,进行了相应的切削实验用以验证模拟的可靠性。基于系统的数值仿真,考察了切削过程中主次剪切区的平均应变、应变率、温度随切削厚度的变化规律,集中研究了材料应变、应变率强化及热软化因素对切削过程中"尺寸效应"现象的影响。研究结果表明,材料应变和应变率强化因素对"尺寸效应"没有太大影响,而材料热软化作用是导致"尺寸效应"形成的重要因素。另外,随着切削厚度的减小,主剪切区温度降低以及刀具和切屑间单位接触长度非线性增加是造成"尺寸效应"的主要原因。

温度对Ti-6Al-4V切削比能尺寸效应的影响

切削比能的尺寸效应现象是切削机理研究中最具挑战的问题之一,关于它的形成机理目前尚未达成共识,尤其是切削温度对尺寸效应的影响更是鲜有研究。文中对钛合金Ti-6Al-4V开展了不同初始温度下的正交切削实验,建立了正交切削有限元模型,探讨了温度对切削比能尺寸效应的影响。研究结果表明:尺寸效应现象与温度密切相关,工件初始温度越低,尺寸效应越显著;在主剪切区两端沿剪切方向存在两个温度梯度区,其长度与切削厚度无关;温度梯度区的存在使得主剪切区的平均温度随切削厚度的减小而下降,致使工件材料流动应力相应提高,从而导致切削比能的非线性上升。

川气东输沿线某边坡治理方案

川气东输管线途经滑坡地质多发区,而管道施工容易引发滑坡灾害,对管线及人员器械造成极大威胁。为减少滑坡灾害的发生,基于流固耦合原理,在考虑渗流效应的作用下,利用有限差分软件FLAC2D和FLAC3D建立了川气东输沿线罗针田边坡的二维及三维力学模型和几何模型。通过边坡在管沟开挖前后不同状态下的稳定性分析得到了边坡的稳定系数及应变云图和位移曲线,结合工程地质条件提出相应的抗滑措施。对边坡进行了6级烈度的抗震分析,给出了综合稳定性评价。

油气井套管射孔有限元动态仿真

对油气井射孔作业中射孔弹发射和弹体挤进过程进行了动态有限元数值模拟和分析。弹丸挤进过程是一个高速冲击、大变形、带过盈配合的接触问题,以弹丸穿甲有限元模拟为基础,采用ANSYS软件的LS-DYNA模块对实体模型进行试算,运用Ls-Prepost模块进行瞬态分析,形成了一套弹丸完井射孔动态模拟方法。模拟结果与实际地面的打靶试验结果基本一致,从而验证了仿真方法的有效性。

一种低周疲劳损伤演化模型及裂纹成核缺口敏感性分析

本文提出了一种低周疲劳的损伤演化模型。根据APL X65钢的疲劳实验结果,回归确定低周疲劳损伤参数。利用ABAQUS二次开发损伤UMAT子程序,模拟X65钢缺口试样疲劳损伤演化规律,统计裂纹萌生寿命与最大应力之间的关系,分析裂纹萌生寿命对缺口形貌的敏感性。分析表明,疲劳裂纹萌生寿命对缺口深度非常敏感,相同缺口深度下,增大缺口根部半径R或张开角度θ会减缓疲劳损伤的累积,同时缺口板材厚度对裂纹萌生位置有一定的影响。最后根据模拟结果确定了缺口试样疲劳裂纹萌生寿命表达式。

SnAgCu焊料蠕变行为试验及微电子功率模块热疲劳失效检测

焊料良好的力学行为是微电子芯片高可靠性的重要保证。在交变温度载荷作用下,焊料层的蠕变特性往往直接决定电子芯片的使用寿命。因此开展焊料蠕变行为测试,了解电子芯片热疲劳失效机理是力学专业学生理解并应用力学理论解决工程实际问题的有效尝试。该文结合国家新旧能源转换背景,研发了一组芯片焊料蠕变测试与损伤检测平台,开展了SnAgCu焊料蠕变性能及微电子功率模块的热疲劳失效行为研究,为工科学生创造了良好的创新型实践条件。教学实践结果表明,此次实验有助于学生掌握材料蠕变行为的检测原理、过程以及在微电子芯片热疲劳评估中的应用,加深了学生对专业知识在工程实际应用的认识,提升了学生的学习兴趣。

Ti-6Al-4V合金高速切削仿真Johnson-Cook本构参数优化

为了获得能准确描述工件材料在高速切削过程中高温、高应变率、大变形耦合作用下的塑性流动行为的Johnson-Cook(J-C)本构参数,使其适用于高速切削仿真。采用响应曲面近似法和多目标优化方法对Ti-6Al-4V合金的J-C本构参数进行优化,并将其应用于高速切削模拟仿真。结果表明,优化后的本构参数能够在很广的切削速度范围内准确地描述工件材料在切削过程中的塑性流动行为,由此模拟得到的切屑形貌与平均切削力可以和实验结果很好地吻合。

微针鳍散热器结构参数模拟及优化

通过数值模拟研究了交错式微针鳍散热器的散热效应,分析了针鳍阵列间距和高度对散热器壁温和压降的影响。结果表明,压降随针鳍间距和针鳍高度的减小而呈非线性增加;壁温随针鳍间距的增大而上升,随针鳍高度的增加则呈现出波动趋势。基于上述研究,进一步利用响应表面近似法对微针鳍的横向间距、纵向间距和高度进行了优化,优化后压降最大可降低61.11%。

应力三轴度对聚乙烯材料损伤及断裂的影响

通过实验和有限元模拟相结合的方法研究了应力状态对聚乙烯材料(polyethylene,PE)损伤和断裂的影响。首先,以1 mm/min的速度拉伸4种有缺口的PE圆棒试样直至断裂;其次,在有限元模拟中采用一种唯象型损伤本构模型,重现实验测得的工程应力-位移曲线;第三,通过不考虑损伤和考虑损伤的有限元分析分别得出PE材料有损伤和无损伤的真实应力-应变关系,并建立基于真实应力衰减的损伤演化模型;最后,通过上述模型进一步分析不同有缺口试样的应力三轴度分布规律,研究应力三轴度对损伤演化、临界损伤参数和临界断裂应变的影响。研究结果表明:PE材料有明显的缺口效应,屈服应力随缺口半径减小而增加;试样横截面上的应力三轴度分布并不均匀,并且随着应力三轴度增大,应力三轴度最大位置由中心点向外移动到离中心点2/3半径的位置;当应变小于0.3时,有损伤与无损伤真实应力随着应力三轴度减小而增大,当应变大于0.3时,损伤与无损伤真实应力随着应力三轴度增大而增大;应力三轴度越大,损伤起始越早,演化越快,但断裂应变越小。

基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10%时,渗流-应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。

从实测温度探求宝瓶大坝面板后渗压成因

基于原型监测成果,特别是实测温度成果,对宝瓶大坝蓄水以来面板后垫层料内形成的高渗压水头进行了分析判断,确认了其真实可信,探求了其形成和发展的原因。研究结果表明,面板后高渗压水头来自坝前库水,板间缝是渗漏通道。面板局部也有破损,虽因在坝前铺盖层以下渗漏并不严重,也应作为隐患之一加以关注。

高速切削实验平台在力学实验教学中的应用

传统的力学实验已无法满足研究生创新性实验教学的需要。为了使研究生在科学研究中掌握实验分析的基本方法和技能,本文基于Hopkinson压杆加载技术建立了一套高速切削实验系统。该实验系统作为一个科研平台,能够实现切削过程的瞬态冻结并完成变形场和切削力的实时测量,可为高速切削机理研究提供基础实验数据。同时,该实验系统也是一个综合性的实验平台。基于该平台,可以完成金相分析、光栅光纤测力、变形场测量以及塑性本构分析等力学实验教学。高速切削实验平台将力学实验与科学研究相结合,有利于培养研究生独立分析与研究的能力,为研究生未来的科研工作打下基础。