博世扇贝纹对亚微米硅通孔中应力的影响

硅通孔(TSV)是三维(3D)集成中的关键互连技术。采用博世(Bosch)工艺刻蚀TSV,尤其是亚微米直径的TSV时,侧壁产生的扇贝纹会引起TSV中的应力集中。利用有限元单元生死技术分析亚微米TSV制备过程中的应力变化,并对应力的影响因素进行了分析。研究了TSV节距、扇贝纹高度和宽度、阻挡层材料参数、工艺温度和工作温度等因素对TSV内部应力的影响,并选择了4个主要因素进行正交实验分析。研究结果表明,减小扇贝纹宽度、增大扇贝纹高度、降低工艺温度均能有效缓解扇贝纹附近的应力波动幅度,其中扇贝纹宽度对应力波动的影响最大。通过上述分析,对影响亚微米TSV应力的主要因素进行了排序,从而为TSV制备过程中的参数优化提供了指导。

SLM成形多层多道金属薄壁件温度场有限元模拟

针对高强铝合金A17075选区激光熔化(selective laser melting,SLM)过程中未知的熔池变化规律和层间作用影响产品成形效率和精度的问题,研究不同工艺参数(激光功率和扫描速度)对各成形层熔池形态和温度场的影响。利用有限元分析软件ANSYS建立金属薄壁件SLM成形的多层多道温度场有限元模型,同时,利用APDL(ansys parametric design language)语言编程模拟了激光热源的加载、激光功率与扫描速度,采用“单元生死”技术描述金属粉末材料的动态增长过程,得出瞬态温度场的分布状况。结果表明,激光功率与扫描速度各自影响不同的温度场因素,适合Al7075粉末的SLM工艺参数为功率250~300 W,速度800~1000 mm/s。本文得到了激光功率和扫描速度的合理范围,为高强铝合金SLM实际实验提供理论参考。

焊后热处理改善管道直焊缝残余应力的数值模拟研究

以X80钢级Φ1219 mm直缝埋弧焊管为研究对象,采用有限元软件ABAQUS,通过顺序耦合算法和移动热源子程序及生死单元形式,对钢管直缝焊和经热处理后焊缝的残余应力进行了数值模拟,分析焊后热处理对焊缝残余应力的改善作用。结果表明,焊缝等效最大残余应力和轴向拉应力均出现在外层焊缝的中心处,局部焊后热处理能降低焊缝的残余应力,等效峰值应力由560MPa左右降低到约430MPa,降低了23.2%;焊缝轴向拉应力也由450MPa降低到370MPa。焊后热处理对残余应力分布影响不大,但能使焊接接头的应力变得更为均匀。

深埋TBM施工输水隧洞结构的三维仿真分析

考虑围岩材料的弹塑性,引入有限元程序中的生死单元,建立了可模拟隧洞开挖过程的围岩三维仿真模型,求得了深埋隧洞围岩变形的分布模式;并在此基础上,采用接触模型和库仑摩擦模型模拟管片接头的非线性连接作用,建立了TBM隧洞管片结构的三维仿真模型,分析在不同工况(施工期、运行期、检修期)、不同围岩类型以及不同衬砌时机下管片的应力应变特征,为输水隧洞的适时衬砌和安全运行提供了依据。

基于单元生死的焊接温度场模拟计算

在用有限元进行焊接温度场的数值计算中,通过控制单元的生死,来模拟焊缝的形成和焊接热量的输入,计算结果与焊接温度测试结果很接近。表明本计算方法能够准确计算焊接温度场,是一种实用的工程计算方法。

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟

计算了不同激光功率条件下粉末粒子到达基体前的温升情况,并将粉末粒子到达基体前的温度作为初始条件,采用生死单元法对单道和多道激光熔覆温度场进行了研究.利用熔池尺寸和形貌,验证了模型的可靠性.结果表明,粉末粒子温升和激光功率呈线性关系,单道熔覆层的温度变化呈一个锯齿状,升温过程近似呈直线上升,降温曲线近似呈双曲线的一支,而多道熔覆过程中,温度场呈后拖的偏椭圆状.节点上的热循环经过逐渐增大的峰值,峰值温度最终趋于稳态.

T形焊接接头的三维有限元模拟

应用ABAQUS软件,对多道焊T形接头的温度场和应力场进行了数值模拟。选用三维实体单元,考虑了材料物理性能随温度和相变的影响,采用内部热生成和振幅曲线的加载方法模拟焊接热源的移动,运用单元生死技术模拟多道焊过程。获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程,对计算结果进行了分析。

孔隙煤岩损伤破坏行为的数值模拟

利用ANSYS有限元软件,构建了孔隙煤岩细观单元的二维数值计算模型;提出了一种针对孔隙煤岩复杂几何模型的网格优化措施,实现了整体映射网格与局部自由网格相结合的划分方法,提高了生成单元的质量以及求解效率;借助单元生死技术模拟了孔隙煤岩的脆性损伤破坏过程,研究了孔隙率及孔隙形态对煤岩整体力学行为的影响。研究表明,孔隙煤岩的损伤破坏行为和孔隙率、孔隙位置、孔隙形态等几何参数有关。孔隙集中的区域会出现应力或应变集中的现象,随着孔隙率及孔隙长短轴比增大,煤岩细观单元损伤现象更加明显,弹性模量下降,煤岩强度急剧下降,且损伤阈值也有所下降。

电子束快速成形温度场模拟

利用ANSYS软件模拟电子束快速成形过程的温度场分布情况,电子束能量输入用高斯面热源表示,由于快速成形过程在真空室中进行,因此只考虑热辐射散热。同时模拟了单圆扫描、多个圆同时扫描和多个圆依次扫描的温度场分布.结果表明,对于成形一定宽度的圆筒,多个圆从外到里依次扫描的方式比较理想,用较小的束流就可以达到熔点以上温度,扫描范围与成形范围趋于一致,得到的成形件表面均匀平整,成形精度较多个圆同时扫描时容易控制.利用"生死单元"技术模拟了层层堆积快速成形的过程,从中可以了解快速成形过程的温度场变化情况,以优化工艺参数.

TC4管状零件内壁加工残余应力计算及其有限元分析

针对残余应力对加工零件使用性能有严重影响以及TC4材料难以用X射线法进行残余应力测量的现状,提出了一种通过测量外壁应变来计算TC4管状零件内壁加工残余应力的方法。为验证该方法的正确性,在有限元软件中对模型内壁进行分层施加预定的随深度变化的残余应力,并用生死单元技术将内层单元逐层"杀死"来模拟实际实验中应力层被腐蚀的过程。根据外层不断变化的应变以及推导出的计算公式来计算内壁随深度变化的残余应力,并将计算得到的残余应力与之前所施加的应力进行对比,可发现该方法求得的残余应力值准确度较高,由此可以得出结论:该方法可用于测量实际零件的残余应力。

焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响

应用热弹塑性有限元理论,采用"生死单元"技术,模拟在多道焊焊接工艺条件下,厚壁核压力容器与接管间马鞍形焊缝处焊接残余应力的分布规律,着重分析坡口型式和计算中所采用的"焊接层数"对残余应力计算结果的影响。结果表明:采用双U型坡口相比于I型坡口有利于降低等效残余应力;计算中采用不同的"焊接层数"对双U型坡口焊缝焊接残余应力的计算结果存在一定影响。

HFW焊管排辊成型焊接过程的有限元模拟

在HFW焊管的成型过程中,焊接质量直接影响着最后成品钢管的质量好坏,要得到质量好的钢管,消除因高频焊接产生的热应力是一项很重要的工序。故在生产前,利用ANSYS建立HFW焊管的焊接后热应力的三维有限元模型具有指导意义。利用ANSYS参数化语言APDL,建立HFW焊管的有限元模型,添加热源和边界条件,综合考虑焊管材料的热物性,并利用生死单元技术和循环语句实现热源的移动,从而获得HFW焊管在焊接过程中的温度场和应力场分布并对其进行分析,对应力场分析发现焊缝处的应力较小,而焊缝处过热区的应力较大。

厚板对接多道焊温度场的三维数值模拟

采用三维有限元法模拟厚板对接多道焊的温度场分布.计算过程中考虑了温度对材料相变和热物理特性的影响,采用了“生死单元”的技术,实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充.同时采用热电偶实时测量厚板对接多道焊的温度场.结果表明,温度场计算值与试验测量值十分吻合,为全焊接阀体球阀的阀体焊接工艺参数的确定提供了重要的手段;同时从温度场变化趋势可以得出,为了控制多道焊的焊接温度,在保证焊接质量的前提下,应尽量减小前几道焊接线能量.

焦炭塔工作过程温度场仿真分析

利用ANSYS有限元分析软件对焦炭塔一个循环工作过程进行了瞬态温度场模拟。以塔底、塔顶进出口介质随时间变化检测温度沿高度方向线性拟合所得的温度作为热分析边界条件,换热边界温度为时间和高度的复合函数,实现了进油和水冷阶段的动态换热内边界模拟。应用生死单元技术实现焦炭塔进油生焦过程模拟。分析表明,预热及蒸汽冷却阶段焦炭塔各处温度变化均匀。进油生焦阶段由于油气混合相不断攀升,导致与壁面接触时壁面温度迅速增高。水冷阶段短时间内温度变化幅度大,温度变化速率高,热梯度变化规律复杂。

CO_2气体保护焊温度场的三维数值模拟与分析

采用商用ANSYS软件的二次开发语言,选用适宜于CO2气体保护焊的双椭球热源模型,建立了Y型坡口的两块钢板对接多层多道焊模型,分别采用三种不同"单元生死"技术对其温度场分布规律进行数值模拟及对比分析,验证了模拟过程中采用逐步、逐层激活焊缝单元的"单元生死"技术的必要性.得到了模型在各时间点的温度场分布,绘制了典型位置的热循环曲线,据此可掌握和预测实际焊接过程以及焊接之后焊件的组织、性能以及残余应力的变化情况.

ANSYS软件在土坝渗流稳定计算中的应用

根据基本方程及定解条件的比较分析,将ANSYS软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析,并采用死活单元技术,通过迭代算法计算自由水面位置(浸润线),解决了土坝渗流稳定问题的求解。该方法可以解决复杂边界、多种介质的渗流问题,为工程应用提供极大的便利。

应用X射线衍射法测定轴类工件中的残余应力

根据测试距车轴表面2mm深度处残余应力的要求,推导了剥层测残余应力的修正公式,利用生死单元法模拟了车轴车削的过程,验证了该修正公式的正确性,并采用X射线衍射法测定了距某车轴表面2mm深度处的轴向和周向残余应力。结果表明:X射线衍射法和修正公式能有效测出距车轴表面2mm深度处的残余应力;轴向残余应力最大值(绝对值)和周向残余应力最大值(绝对值)分别出现在0°测点和90°测点,其值分别为-139.15MPa和-105.21MPa,轴向残余应力和周向残余应力各点的差值均小于EN13261标准规定的40MPa。

焊接过程数值模拟热源模式的比较

焊接热源模式是焊接数值模拟研究的一个重要内容。文中简要介绍了焊接过程数值模拟热源的各种加载模式:高斯分布函数、双椭球分布函数、生死单元方法。针对具体算例,采用3种不同的热源加载模式进行三维焊接温度场的数值计算,并比较不同方法计算焊接温度场结果的差异。结果表明,生死单元方法是一种简单的热源加载模式,其计算效率优于其他2种加载方法。

地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究

地下结构地震破坏过程模拟是研究地下结构抗震性能的有效手段,通过人工边界条件设置将围岩土体的自重应力作为动力响应模拟的初始状态,实现了地下结构地震响应静-动力耦合数值模拟。基于有限元分析软件ABAQUS,将极限剪应变作为破坏标准,采用生死单元法模拟了地下结构的地震破坏过程,通过结构埋深考虑了初始地应力对地下结构抗震性能的影响。模拟结果表明,地下结构的抗震性能存在一个最不利埋深,即最容易地震破坏的埋深,当结构的埋深超过最不利埋深时,结构的极限抗震能力增强,若结构产生地震破坏,则结构埋深越深即初始地应力越高其破坏程度也越强。

钢结构施工力学状态非线性分析方法

施工力学问题分析的难点在于结构时变、材料时变和边界时变的模拟。该文剖析了单元生死技术模拟施工过程的基本原理,从数学和物理上揭示了单元"杀死"、"漂移"和"激活"的机理。探讨了施工过程模拟的分步建模技术。对单元生死技术和分步建模技术的计算模型和精度进行了对比研究。基于经典梁单元,采用FORTRAN语言编制了这两种算法下的分析程序。算例分析表明:两种方法的理论及所编制程序正确,是施工力学问题求解的有效方法。