基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

基于ANSYS的电力耐张线夹监测装置热-结构耦合有限元分析

耐张线夹是架空输电线路的重要组成部件之一,其损坏导致电力系统安全运行成本的增加,因此需要大量相关监测装置。设计了一款耐张线夹监测装置,用于耐张线夹运行状况的监测。利用ANSYS对装置进行环境载荷下的热-结构耦合的有限元分析,记录监测装置在不同安装接触情况下各部位的应力和变形,所得结果表明面接触安装方式优于点接触和线接触。选取面接触安装方式与NY400型耐张线夹三维模型完成装配,进行引流板接触位置180℃情况下的瞬态热有限元分析,获取监测装置对引流板接触位置温度变化的响应情况。

7FDL-16柴油机气缸盖热结构耦合应力分析

通过CATIA软件进行三维建模,利用Space Claim模块提取流体域,在Fluent模块设置流体边界条件并仿真流动,先后导入Ansys Workbench稳态热和静应力分析模块,设置热边界条件和应力载荷,得到气缸盖的温度场以及热结构耦合应力分布云图。热结构耦合应力分析可得:热应变最大处在火力面鼻梁区,最大变形量为0.002 1 mm,应力最大处在两排气门之间的鼻梁区,最大应力值为398 MPa,安全系数为2.71,满足实际结构工作的要求标准。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

热-力-电耦合下天线罩电性能仿真及分析

在实际飞行工况下,热力载荷会改变高速飞行器天线罩原有的电磁特性,从而影响制导性能。提出了一种基于六面体网格划分的热-力-电耦合模型及仿真方法,可准确表征高速飞行工况下天线罩介电温漂和结构变形对电性能的影响。基于天线罩热-力-电共享网格模型,首先通过瞬态热仿真得到天线罩响应温度场,通过静力分析得到天线罩结构变形场。然后,将天线罩介电温漂和结构变形准确传递到其电磁仿真模型中,并采用三维射线跟踪法计算其电性能。最后通过一个典型算例对高速飞行工况下天线罩电性能的变化进行仿真和分析,结果表明电性能变化非常明显,也进一步说明了所提方法的可行性和研究的必要性。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

三维体声波滤波器芯片电-力-热耦合建模与仿真

为了直接、高效地建模和分析实际复杂的三维(3D)体声波(BAW)滤波器结构电-力-热耦合效应,文章采用一种基于有限元方法的电-力-热耦合算法。首先,建模BAW滤波器的3D几何模型,设置几何结构内部的材料属性以及材料参数。其次,构建基于有限元(FEM)算法的固体力学和静电场耦合的电-力耦合算法。然后,在电-力耦合算法基础之上考虑BAW滤波器内部由于压电材料在工作过程中机械损耗产生的热耗散问题,建立直接求解的电-力-热耦合算法。该电-力-热耦合算法使用COMOSL软件内部的一种新型自主化的画网格技术。最终,得出一个工作带宽在2.27~2.44GHz,带内损耗在3dB以内,带外抑制在-20dB以下的BAW滤波器内部电-力-热耦合仿真结果。

高速电主轴热结构耦合特性的有限元分析

分析了电主轴的各种热源及其发热量,建立了基于热-结构耦合的电主轴有限元分析模型,计算出电主轴复杂的热边界各种状况下的对流换热系数,利用有限元分析软件ANSYS对电主轴的温度场及其主轴的热变形进行仿真分析并进行实验验证。针对设计实例,提出了改善电主轴热态特性的措施,对改进后的电主轴进行有限元分析表明改进措施具有良好效果。

压电智能结构有限变形下热-机耦合的有限元分析

采用有限元方法研究了结构在热载荷作用下变形与热传导之间的耦合特性。分析表明,结构变形较小,非线性效应很弱时,变形对材料的热传导系数影响很小,对结构的温度分布几乎没有影响;当变形增大,非线性效应增强时,变形对材料的热传导特性影响显著,热载荷作用下结构的温度变化和变形与现行不考虑热-机耦合效应所得结果产生明显差异。因此,为实现压电智能结构形状(振动)的精确控制,分析及实施控制时须考虑热-机耦合及变形对热传导系数的影响。

斜面型自补偿油封的热-结构耦合分析

传统唇形油封在使用过程中,存在不耐高温、耐磨性能差、摩擦生热高、使用寿命短等问题,为此,提出了一种使用斜面型自补偿油封代替传统的唇形油封的方法,利用数值分析软件进行了油封的热-结构耦合分析,探究了摩擦温度对油封热应力的影响规律。首先,利用数值分析软件建立了斜面型自补偿油封的动力学模型,采用热-结构耦合的分析方法,进行了油封温度场的求解;然后,引入温度场对油封应力进行了求解,对比分析了相同工况下唇形油封和斜面型自补偿油封温度场的区别;最后,搭建了高压高转速密封实验台,使用PT100温度传感器、瞬态液晶测量等新技术,进行了密封点-面测温,开展了斜面型自补偿油封温升特性的实验研究。实验结果表明:斜面型自补偿油封摩擦温升较唇形油封低,唇形油封的高摩擦生热性及材料的高弹性造成了唇形油封热应力集中,影响了唇形油封的使用寿命;在相同工况下,斜面型自补偿油封较唇形油封摩擦温升低,转子转速每增加1000 r/min,唇形油封的温度平均上升16.9%,斜面型自补偿油封的温度平均上升14.1%;转子转速在3000 r/min~4000 r/min时,斜面型自补偿油封稳定时的温度比唇形油封低21.1%~26.3%。研究结果表明:在相同工况下,斜面型自补偿油封的温升要低于唇形油封;斜面型自补偿油封的低摩擦温升,对于提高密封的使用寿命具有指导意义。

裙座与壳体堆焊成型结构的热—结构耦合分析

当立式设备的裙座与壳体的连接采用堆焊结构时,因实际制造过程中受空间限制,容易出现多种成型情况,通过对4种成型情况进行热—结构耦合应力分析,得出结论:在实际制造时应满足结构1成型要求,当堆焊位置空间受限,较难实现结构1堆焊结构时,可采用整锻件结构,加工出筒体与裙座的过渡段,保证连接位置圆滑过渡。

考虑热障涂层及冷却结构影响的某F级燃气轮机火焰筒数值研究

以某F级燃气轮机燃烧室火焰筒为研究对象,考虑热障涂层及冷却结构对火焰筒气动传热影响,基于流热固耦合方法对额定工况下的火焰筒进行了内部流场、温度场和应力场分析,并将数值分析结果与火焰筒实际损伤情况进行对比。结果表明:数值分析结果的火焰筒高应力区域与火焰筒实际损伤区域基本吻合,采用流热固耦合方法可以预测火焰筒实际损伤情况;不同位置的热障涂层陶瓷层隔热效果相近;基体和热障涂层陶瓷层在冷却结构附近的区域均为高应力区域。

瞬态流固耦合作用下天然气发电内燃机排气歧管结构优化设计

天然气发动机用于发电用途后,工作时间长,排气温度高。车用柴油机改制成燃气发电内燃机后,为了进一步改善燃油经济性和提高排气歧管的可靠性,通过一、三维仿真建模对排气歧管结构进行优化。研究认为原机排气歧管为了兼顾低转速的性能,管径设计较小,在1500 r/min时排气背压较大,不适宜应用在改制后的燃气发电内燃机。本研究经过一维数值计算,通过优化管径可以降低线工况下的燃气消耗,并且提高了工作功率。其次通过逆向建模方法和Fluent UDF模块建立流固耦合瞬态仿真模型,耦合计算了5个工作循环中的3个时间点,并且提出了2种排气歧管的结构优化方法,进行了排温瞬变过程中的热负荷分析和对比。结果表明增加加强筋结构的方案在节省材料的基础上可进一步减少热变形量,有利于提高排气歧管的寿命,满足燃气发电内燃机的设计要求。建模和优化方法可为燃气发电内燃机排气管的设计提供参考。

3D堆叠封装硅通孔结构的电-热-结构耦合分析

硅通孔(TSV)技术作为三维封装的关键技术,其可靠性问题受到广泛的关注。基于ANSYS平台,通过有限元方法,对3D堆叠封装的TSV模型进行了电-热-结构耦合分析,并进一步研究了不同的通孔直径、通孔高度以及介质隔离层SiO_2厚度对TSV通孔的电流密度、温度场及热应力分布的影响。结果表明:在TSV/微凸点界面的拐角处存在较大的电流密度和等效应力,容易引起TSV结构的失效;增大通孔直径、减小通孔长度可以提高TSV结构的电-热-机械可靠性;随着SiO_2层厚度的增加,通孔的最大电流密度增大而最大等效应力减小,需要综合考虑合理选择SiO_2层厚度。

面向短时/断续工作制的电机系统固–液相变热管理技术及应用发展

固–液相变现象表现出的潜热特性可有效平抑瞬时温升,将其应用于航天航空、奔越式机器人、新能源汽车、数控机床等电机热管理系统,可有效提高短时工作制或断续周期性工作制(S2—S8)下运行的伺服电驱动系统的瞬态性能。为了总结归纳固–液相变材料的电机系统热管理技术及其应用现状,该文针对固–液相变材料特性、系统数值计算与仿真模拟、样机实验测试方法、相变热管理系统结构等4个方面开展调研,并提出亟待解决的关键技术问题。研究发现:目前阶段石蜡和低温熔盐是适合电机系统的最佳相变介质,但仍存在导热系数较低的问题,需通过改性强化解决;通过机壳灌注相变材料,可有效实现温升平抑,但尚缺乏有针对性的热路拓扑设计;采用焓–多孔方法是模拟相变过程的理想手段,但糊状区参数的取值缺乏理论指导;最后,固–液相变过程的测试中侵入式传感器易对电磁、热、流场的自然演变过程产生干扰。

特种低温容器径向支撑结构热力耦合模拟分析

对于采用环氧玻璃钢管和不锈钢管组合结构作为特种低温容器径向支撑,为了验证其低温应用安全性,根据热弹性耦合理论,利用有限元软件ANSYS对该支撑结构进行了静态载荷下的热力耦合分析,在此基础上进一步完成垂向10g冲击载荷下环氧玻璃钢管结构应力分析.仿真结果表明:径向常-低温大温差以及静载作用下,径向支撑结构不会出现大漏热、大应力分布情形;环氧玻璃钢管非常适合作为低温容器中承受垂向压缩载荷作用的结构隔热支撑件,即使在强冲击载荷作用下仍可以保障隔热支撑效果.

基于热-结构耦合效应的阀体可靠性分析

为了保证核电系统安全阀的可靠性,在充分考虑阀体与高温高压介质和外部环境间的热交换作用的基础上,建立阀体三维稳态热-结构耦合分析模型,并选择合适的网格密度,采用有限元多物理场方法对阀体进行热-结构耦合分析;在此基础上采用概率有限元分析模块,选择蒙特卡洛模拟方法对阀体进行可靠性分析。结果表明,在工作环境下安全阀阀体的结构可靠度满足要求,但是原阀体的结构可靠度裕量较大;灵敏度分析表明宽度尺寸L是影响阀体内部最大应力的主要参数,在保证一定可靠度前提下通过减小宽度尺寸L改进原阀体的结构设计。考虑到螺纹孔的深度和空间分布,尺寸参数L可减小到290mm,体积减小17.9%,有效提升安全阀技术水平。

基于热-结构耦合的干气压缩机出口输气管道应力分析

结合高温高压管道在生产中的重要性,利用大型有限元分析软件ANSYS对输气管道的温度场和应力应变场的变化进行分析研究。采用具备符合高温高压管道受力特点的ANSYS单元,对管道进行热结构耦合的应力分析,掌握了管道在内压恒定、不同温度载荷下的应力分布规律。计算结果表明,当管道温差过大时,外壁所受应力较大,应进行必要的保温措施,从而防止管道泄漏或破裂等恶性事故的发生。

重载减速箱有限元热-结构耦合分析研究

针对重载减速箱存在的热载荷引起的热变形问题,应用有限元热-结构耦合分析方法,对箱体结构进行热态特性分析,给出箱体的稳态温度场分布,将分析结果作为箱体热-结构耦合分析的边界条件,建立了耦合分析模型,计算出箱体在热和结构载荷共同作用下箱体的应力分布和位移云图。研究结果表明,重载减速箱变形是结构载荷与热载荷共同作用的结果,其中热载荷是控制箱体变形,保证重载齿轮传动精度与可靠性不可忽略的重要因素。

ITER CTB盒冷屏的支撑结构与传热耦合分析

根据ITER装置对CTB盒技术性能的要求,对CTB盒中冷屏的支撑部件进行了结构和传热的分析和设计。对结构形式的选择、结构强度的理论计算和支撑结构总的热损失进行了设计和计算,用ANSYS软件对该结构的非线性接触结构-热耦合问题进行了仿真分析。研究结果表明,球支撑结构既能够满足系统对支撑的结构安全要求,在有压接触情况下的漏热量符合ITER设计文集的规定。