一种采用柔性缓冲垫块的双面散热SiC MOSFET双向开关模块研究

随着功率模块朝着高温、高功率、高密度方向发展,这对模块的封装结构提出了新的要求。较传统的引线键合结构,双面散热结构由于具有高散热能力和低寄生电感等特点受到广泛关注。但是双面散热结构材料间热膨胀系数的差异使之承受较大的热-机械应力,降低了功率模块的可靠性。因此,为设计具有低热-机械应力双面散热双向开关,本研究首先使用仿真分析了芯片布局对模块散热性能以及寄生电感的影响,在此基础上提出了一种具有低杨氏模量的柔性缓冲垫块,综合仿真及试验初步证明其降低热-机械应力、提高模块可靠性的可行性。

计及硅橡胶应力松弛的电缆接头界面压力演变仿真研究

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立有限元模型,确定了电缆中间接头硅橡胶-交联聚乙烯界面的初始压力分布情况;其次通过力学理论计算的解析解以及预置压力传感器的实测结果对有限元分析结果进行验证;之后结合硅橡胶的热机械老化实验结果,提出一种将老化过程中硅橡胶应力松弛转化为过盈量变化的方法,得到了考虑老化过程中应力松弛与弹性模量变化的多参量有限元分析方法,并成功应用于电缆中间接头绝缘硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的分析。分析认为,硅橡胶的老化同时导致应力松弛和弹性模量增大。综合考虑弹性模量和应力松弛的仿真结果表明:对中间接头硅橡胶在100℃、125℃、150℃下分别经过2040 h、1680 h、1200 h热机械老化后,界面压力从0.156 MPa分别下降到0.129 MPa、0.125 MPa、0.107 MPa。这说明应力松弛对于界面压力的影响更显著,界面压力随着老化时间的增加而下降,同时温度升高会显著加快中间接头界面压力的衰减过程。该文研究结果可为提升电缆中间接头设计与运行可靠性提供理论依据。

PQF连轧过程轧件三向应力有限元分析

为提高无缝钢管产品质量,依据实际连轧生产工艺,基于Abaqus软件建立5机架PQF连轧三维热力耦合有限元模型,结合连轧过程的特点对模拟结果进行了分析。结果表明,受各道次轧辊位置、变形量、轧制速度等工艺参数的影响,连轧时孔型顶部和辊缝处的径向、周向、轴向应力分布状态并不相同,管内、外表面的轴向应力状态也有差异。进一步对相应规律进行了总结,并讨论了各向应力产生变化的原因及其影响。荒管尺寸参数和轧制力的模拟结果与实测结果相吻合,验证了模型的可靠性。研究结果对连轧过程相关工艺的设计与优化具有参考价值。

基于不同Ta10W渗镀层厚度的火炮身管热力耦合数值分析

采用双辉等离子渗金属技术于火炮身管内膛渗镀抗烧蚀涂层,是延长身管武器寿命的重要手段之一。为探究Ta10W渗镀层对火炮发射传热过程以及应力分布的影响规律,该文以某125 mm口径火炮为研究对象,通过热力耦合数值分析法,根据内弹道时期火药高温高压燃气的动态变化过程定义热力载荷以及边界,从而获得在高速热流工况下,Ta10W渗镀层厚度为0.04~0.10 mm时,火炮身管的传热变化过程以及应力分布特点。结果表明:随着渗镀层厚度的增加,弹后炮尾的最高温度呈下降趋势,不同厚度产生的应力差值在身管中段会大于身管尾部,同时在炮尾的涂层与基体结合处产生应力集中,0.04 mm、0.07 mm和0.10 mm厚度Ta10W层的应力最大值分别为891.4 MPa、884.3 MPa和879.1 MPa。

裂隙岩体渗透率与应力耦合对EGS采热性能的影响

在增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)热开采过程中,储层渗透率受应力的影响而动态变化。为揭示裂隙岩体渗透特性和应力之间的耦合作用对系统采热性能的影响,建立双重介质热流固(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合模型,分析基质和裂隙渗透率随应力动态变化时储层THM三场变化规律。结果表明:在热应力与水压力共同作用下,基质渗透率逐渐减小,裂隙渗透率呈指数式增加,采热速率主要由裂隙渗透率的动态变化决定,但如果忽略基质渗透率的动态变化,预测的裂隙渗透率比实际提高41.8%,热突破时间提前,会低估近2年的系统运行寿命。因此,同时考虑裂隙和基质渗透率与应力的耦合作用对合理评价EGS系统使用寿命有重要意义。

燃料电池密封结构粗糙表面模型应力分布研究

研究燃料电池密封结构的接触行为对燃料电池电堆的安全运行有着重要意义。基于粗糙表面接触理论,以质子交换膜燃料电池密封结构为研究对象,建立了具有表面形貌的密封垫三维模型,使用有限元软件研究了压缩率对密封结构接触行为的影响,分析了应力分布影响规律以及接触面积的变化。质子交换膜燃料电池稳定运行时的理想温度为80℃,因此研究了温度对密封结构接触行为的影响。结果表明,随着压缩率增大,密封垫的Mises应力、接触压力以及接触面积均会增大,当压缩率为12%时,密封垫应力分布最均匀;随着温度升高,密封结构的应力分布和接触面积均会增大,因此在燃料电池工作时应该避免燃料电池过热。该结果为燃料电池密封结构的设计与优化提供了参考依据。

饱和黏土中能源群桩热力特性模型试验研究

为研究饱和黏土地基中静钻根植能源群桩不同运行方式的热力特性,采用自行设计的模型试验系统,测试温度条件下模型单桩和群桩的热力响应。通过埋置传感测试元件,得到桩顶位移、桩身应力、桩和桩周土温度、桩周水平土压力及孔隙水压力。结果表明:由于桩间热扩散,加热桩会对周围非加热桩造成影响,导致非加热桩桩身温度增加、桩顶位移上升,能源群桩的平均换热性能较单桩低;制冷工况下群桩的桩顶位移变化绝对值大于加热工况,需要考虑以确保安全性;由于群桩效应,与单桩相比,能源群桩桩顶位移变化更大,桩身附加温度应力更小;能源群桩的热力特性受运行能源桩数量影响,运行数量越多,温度对能源群桩的热力特性影响越显著,桩周土压力、孔隙水压力变化值越大。

地下水对CAES地下储气库气密性和围岩稳定性影响

压缩空气储能(CAES)储气库密封和稳定是保证电站安全稳定运行的基础,储气库受力影响因素众多,且特性复杂,长期运行过程中气密性和稳定性的精准预测和评估一直是热点和难点。以考虑渗漏和传热过程的压缩空气热力学模型为非稳态边界、以热流固耦合理论为核心建立了储气库多物理场耦合下气密性和稳定性联合分析模型,探讨了洞周围岩中的地下水对储气库气密性和稳定性的影响。研究成果表明:(1)地下水的存在可使储气库每个循环气体损失量降低78%;(2)衬砌结构主要受拉应力作用,顶部和底部出现了应力集中现象,需进行加密配筋;(3)岩体中存在地下水有助于强化储气库内的气体密封效果。

着装人体热应激评估中热生理模型的研究进展

在消防及工业场景中,穿戴防护服的作业人员于高温热环境下工作,可能面临体温升高、脱水、疲劳及中暑等热应激问题。相较于真人实验、假人测试及热应力预测模型,热生理模型具有建模灵活、预测稳定等优势,已被广泛应用于高温环境中的热应激评估。文章从人体建模仿真、人体-环境传热模型和服装传热模拟三个方面,归纳了热生理模型评估的影响因素,并展望了未来研究的发展方向。首先,结合生理学、神经科学等领域的研究,以提高高温环境下人体热调节模拟的准确性;其次,整合动态传热系数于人体与环境传热模型,克服模型区段差异和高温热传递模拟的挑战;最后,进一步细化服装模型,并加强与热生理模型的结合。

高强钢激光熔透焊接接头残余应力数值分析

为探究高强钢大功率激光单道熔透焊接接头中的残余应力及塑性应变分布规律,基于峰值指数递增双锥体热源模型对焊接接头进行热-弹-塑性有限元分析,发现采用该热源模型仿真计算的温度场与实际焊缝轮廓吻合较好,关键参数对比最大误差为-3.45%;焊接接头残余应力沿着焊缝中心至两边呈对称分布,沿路径L2在起焊与止焊处的应力分布波动较大,这与节点温度历程曲线相一致;焊接接头在焊缝区发生了塑性应变,而远离焊缝区范围内未发生塑性应变。沿路径L1的焊缝区最大塑性应变峰值及峰值梯度均为等效塑性应变;沿路径L2在起焊及止焊处的纵向、横向及等效塑性应变波动幅值较大,且等效塑性应变峰值最高,横向塑性应变峰值梯度最大,它们的值分别为0.064及0.079。

基于热固耦合的核级大气排放阀抗震分析研究

应用有限元法建立某核级大气排放阀抗震分析力学模型,通过模态分析确定阀门的固有频率大于33 Hz,因此采用等效静力法计算地震响应,并与自重、压力及外部机械载荷等产生的应力进行组合,得到结构在事故工况下的一次应力。采用单向热固耦合分析方法,计算结构在温度载荷作用下的二次应力(热应力),并与一次应力组合得到结构在事故工况下的总应力。应力评定依据ASME III规范,结果表明大气排放阀在地震作用下能够保证结构完整性,抗震性能满足规范要求。此分析对核电厂类似设备的抗震鉴定具有一定的参考价值。

枞树形榫结构参数对应力的影响

航空发动机枞树形榫结构在工作时的应力状态较复杂,容易发生疲劳破坏。本文通过有限元分析研究拉削角、楔形角、接触长度对榫结构应力的影响,为榫结构的设计和优化提供参考。根据四齿枞树形榫结构的几何特点,提取典型设计参数建立枞树形榫结构的参数化模型;考虑榫结构在实际工作中的受载形式及温度的影响,采用三维接触分析方法建立枞树榫结构热-力耦合分析流程;通过调整拉削角、楔形角和接触线长度的取值,计算榫齿接触区域应力分布情况,得到各设计参量对结构应力的影响规律。结果表明:拉削角增大会导致榫槽局部应力集中加剧以及榫头两侧榫齿应力差值增大,楔形角增大会导致榫头榫槽承担的应力载荷增加,接触长度增大会导致接触应力减小;航空发动机枞树形榫结构在设计时,拉削角在20°以下,楔形角18°、20°为宜,接触长度应适当增大。

基于ABAQUS的X70管线钢连铸板坯空冷的热力耦合分析

随着管线钢连铸板坯热送热装占比的升高,切割后的连铸板坯在相变、热应力以及温度的耦合作用下易形成质量缺陷,造成巨大的经济损失。以X70管线钢为研究对象,通过综合考虑材料热物性参数随温度的非线性变化及边界条件的设定,利用ABAQUS有限元分析软件对X70管线钢4 500 mm×2 300 mm×300 mm连铸板坯的单坯冷却过程进行热力耦合数值模拟分析。结果表明,铸坯重心平均散热速率为0.076℃/s,表面中心为0.084℃/s,表面与心部温差区间为100~210℃,并随着时间逐步减小。铸坯边部应力值为25 MPa,边部300 mm以内热应力大致相同,在200 MPa以内。结合温度场变化情况应尽量缩短切割到加热炉的时间,或增加保温措施以防止因热应力过大形成质量缺陷。

隧道的温度应力及由其引起的裂缝开展规律的研究

在隧道与围岩介质相互作用的基础上 ,推导了岩石隧道温度应力的计算式 ,并给出了由温度应力引起的裂缝间距和宽度的计算公式 ;分析了影响温度应力的各种因素 。

玉米干燥过程中颗粒内部应力分析与预测

通过对玉米干燥过程中应力裂纹产生机理的研究,分析了玉米在干燥过程中的热应力和湿应力,系统地分析了玉米颗粒内部应力的产生及分布状态,应用广义Maxwell模型建立了干燥过程中玉米颗粒内部应力模型;依据干燥应力模型,模拟了玉米颗粒内部各位置的径向应力和切向应力。结果表明:温度梯度和湿度梯度对内部应力影响显著,最大径向应力主要集中在角质胚乳中,最大切向应力主要集中在角质胚乳表面。

激光航海惯性组件温度场与热变形有限元模拟

激光捷联惯性组件是航海惯性导航系统的核心部件,惯性组件的温度变化直接影响系统的导航精度。本文利用ANSYS模拟了激光捷联惯性组件的温度场、热应力场和热变形。首先介绍了我们设计的激光捷联惯性组件的结构特征,建立了有限元模型,然后详细介绍了有限元分析中边界条件的处理及换热系数的计算方法,最后给出了激光捷联惯性组件的稳态温度场、瞬态温度场分布情况。实验测试结果与仿真分析结果吻合,计算误差小于2%。利用热-结构耦合法仿真分析了激光捷联惯性组件的热应力场和热变形情况。本文的研究结果可以为激光航海捷联惯性组件温度补偿中测温点的选取、捷联惯导系统变温过程中的标定、惯性组件的热设计以及进一步优化设计等提供参考依据。

片状热容激光器热效应有限元分析

基于激光介质的非均匀内热源模型,利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA)重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下,当增益介质不能够被全口径泵浦时,也会出现严重的热效应,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大;而当全口径泵浦时,介质表面热形变大大减弱,较小的拉应力存在于介质内部,而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明,介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因,而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关,它对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。

导流槽阴极热应力分布计算和结构优化

使用ANSYS有限元计算软件建立了75kA导流型铝电解槽热应力分布的计算模型,对聚铝沟位于槽中部导流型铝电解槽阴极内部的热应力分布进行了计算研究,为了减小阴极内部应力的集中,对电解槽结构进行优化。研究结果表明:采用典型的截面为矩形的聚铝沟和普通方钢作为阴极钢棒时,在聚铝沟处的阴极炭块和涂层以及阴极炭块内部炭糊与阴极钢棒端部接触之处存在较大的应力集中,从而可能造成阴极炭块开裂以及涂层与阴极炭块分离;采用半圆形截面聚铝沟能缓解角部的应力集中,但在聚铝沟圆弧底部的炭块和涂层中各存在1个x方向的正应力集中,最大值分别为-6.65×107Pa和-4.97×107Pa;采用小直径圆弧角的聚铝沟要比采用半圆形或矩形截面的聚铝沟更能改善此处涂层和炭块中的应力分布,而采用端部为半球形的阴极钢棒能有效地减小阴极炭块内部由于阴极钢棒热膨胀产生的应力集中。

湘南荷花坪地区王仙岭岩体地球化学特征及成矿作用

王仙岭岩体由两期花岗岩组成,早期花岗岩发生钨锡矿化,晚期花岗岩无矿化显示。本文对两期花岗岩主量、稀土、微量元素特征、形成构造环境及其与成矿关系等方面进行对比研究,认为成矿花岗岩与不成矿花岗岩主要区别在于早期花岗岩富含电气石,B、F、Cs含量高,其岩浆分异演化程度高,电气石中Fe含量约占8.99%,F含量约占2.10%,而晚期花岗岩不含电气石或电气石含量很少,岩浆演化程度相对低。深层原因为王仙岭早期花岗岩形成软流圈地幔上涌峰期,壳-幔作用强烈,深源流体丰富,而王仙岭晚期花岗岩形成软流圈地幔上涌峰期之后,壳-幔作用较弱,成矿作用强度可能与壳-幔作用强度呈正相关性。

基于有限元法和锁相热像法对含缺陷构件的应力分析与疲劳性能评估

基于有限元法研究含盲孔缺陷构件的应力集中系数Kt随盲孔深度h和盲孔直径的变化规律。利用锁相热像法的热弹性分析模式(E-Mode)研究盲孔附近的应力分布,预测不同深度盲孔的Kt,与有限元结果相比较发现吻合良好。通过Altair Li软件中的耗散模式(D-Mode)和Altair软件分别研究构件在疲劳过程中的固有耗散量和温度信号的变化规律,以评估疲劳损伤的演化过程。以固有耗散和温度信号的变化规律作为疲劳损伤的指标,快速预测带盲孔试件的疲劳极限,进而预测试件的疲劳缺口系数Kf。理论计算的结果证明了锁相热像法的有效性。