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多道次混合激光-电弧焊接316L钢的微观组织与残余应力数值模拟及实验研究
摘要： 在多层焊接中，焊道间的相互作用对整体接头性能影响显著。因此，针对316L不锈钢多层混合激光-电弧焊接开展了实验研究与热塑性分析，提出合理热源模型分别模拟混合激光-电弧焊接（HLAW）与激光束焊接（LBW）。温度场及残余应力分布的模拟结果均通过实验测量验证且吻合良好。在此基础上，结合模拟结果与冶金分析，根据温度历程对多层焊缝组织进行分区，解析了重熔区（RZ）析出羽毛状铁素体的形成机制。该羽毛状铁素体能提高焊缝层间位置的显微硬度。此外，通过模拟与X射线衍射（XRD）测量多层焊缝厚度方向的残余应力，间接揭示了重熔区晶粒尺寸及取向的变化规律。
关键词： 残余应力、微观组织、有限元分析、混合激光-电弧焊接
更新于2025-11-28 14:24:20
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相变温度和预热对多道次多层激光金属沉积残余应力的影响
摘要： 为研究相变温度和预热对多层多道激光金属沉积（LMD）残余应力的影响，采用具有不同相变特征的五种合金分别进行了有/无预热的多次多层LMD试验，并通过钻孔法测量其残余应力?；谑笛榛竦玫奈锢硇阅苁?，建立了包含相变效应的有限元模型。结果表明：低温固相变具有拉应力松弛效应，会形成压应力区，且该松弛效应随相变温度升高而减弱；与单道LMD不同，高温固相变在多次多层LMD过程中未表现出显著的拉应力松弛效应。当固相变温度较低时，预热仅能在有限程度上改善应力场均匀性；但当预热使热循环最低温度超过固相变起始温度时，固相变的拉应力松弛效应可得到充分发挥。
关键词： 有限元分析、预热、相变温度、残余应力、激光金属沉积
更新于2025-11-28 14:24:20
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超稳定扫描隧道显微镜的设计准则、构建及用于光谱成像的性能定义
摘要： 光谱成像扫描隧道显微镜是研究量子材料的有力技术，能够以亚原子分辨率提供局部电子结构信息。然而由于大多数光谱测量无需探针反馈，该技术对环境振动极为敏感，因此需要配备低振动设施的实验室及高度刚性的显微镜结构。本文报道了一种用于光谱成像测量的超稳定扫描隧道显微镜（STM）的设计与制造，该设备可在超高真空和低温（4K）条件下运行。我们基于现有蓝宝石主体材料设计，通过有限元分析计算显微镜主要部件来指导零件几何形状的设计选择，从而进一步提升刚性。采用该策略构建的STM头部，其粗调进给机构的实测最低共振频率超过f0=13kHz——达到先前报道值的三倍且与计算结果高度吻合。这使得我们在无需专用低振动实验室的情况下，实现了约6飞米/√赫兹的平均振动水平。通过在关联金属Sr2RhO4上进行的形貌与光谱测量，我们展示了该显微镜的性能，以高信噪比呈现了实空间与倒易空间中的准粒子干涉图样。
关键词： 超高真空、低温、光谱成像、有限元分析、超稳定、扫描隧道显微镜
更新于2025-09-23 15:23:52
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纳米压痕下烧结银纳米颗粒本构行为的有限元分析
摘要： 采用有限元（FE）模拟作为评估电子器件封装结构机械可靠性的基础工具。然而，由于传统拉伸试验在微小尺寸下难以实施，烧结银纳米颗粒（AgNP）力学性能的测定仍具挑战性。本研究利用球形纳米压痕法测量不同重量比（0.0、0.5、1.0和1.5 wt.%）碳化硅微粒增强烧结银纳米颗粒的载荷-压深响应。为描述这种非均质材料的弹塑性行为，通过有限元分析模拟压痕行为，并通过拟合平均载荷-压深响应确定修正幂律模型参数。为克服唯一性问题，采用连续刚度测量技术直接测定杨氏模量，所提出的本构模型可对烧结银纳米颗粒提供合理精确的力学估算。通过关联扫描电镜（SEM）观察的形貌与有限元模拟获得的本构参数，探讨了碳化硅含量对烧结银纳米颗粒的影响。
关键词： 纳米压痕、有限元分析、本构模型、碳化硅微粒、烧结银纳米颗粒
更新于2025-09-23 15:23:52
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[美国机械工程师学会（ASME）2018年电子与光子微系统封装与集成国际技术会议暨展览 - 美国加利福尼亚州旧金山（2018年8月27日星期一）] ASME 2018年电子与光子微系统封装与集成国际技术会议暨展览 - 针对热循环条件下PBGA封装的有限元分析改进方法
摘要： 焊点可靠性研究是电子封装领域的重点课题之一。焊料合金在热循环作用下会呈现高度非线性的材料特性。采用实验方法研究焊点行为既耗时又困难。当具备精确的材料模型时，有限元分析能更高效地解析焊点行为。随着有限元算法和计算机技术的发展，电子封装组件的分析方法已从二维分析演进至三维分析，完全三维分析所需的假设条件大幅减少。本文通过比较不同有限元分析方法（涵盖多种二维与三维建模技术），重点分析其在仿真精度与效率方面的优缺点。我们建立了典型BGA封装的多个模型进行研究，包括传统网格连续模型（二维切片模型、三维切片模型及三维四分之一模型），以及采用多点约束(MPC)和子模型法(全局/局部模型)的先进模型。所有有限元分析均采用Anand粘塑性模型描述焊点材料行为。针对三维网格连续模型，提出了兼顾仿真精度与计算效率的最优分析方案：通过网格过渡技术保持不同密度区域的网格连续性，并优化载荷步长以缩短总仿真时间。对于采用MPC连接异质网格的分析，提出了两种改进策略——建议接触单元配比与多MPC接触对应用以降低整体网格密度。同时开发了基于子模型的改进仿真策略，在全局与局部模型间实现网格质量与载荷步长的最佳平衡。此外，还改进了适用于能量疲劳准则的焊点几何简化方法。最后，针对PBGA封装中焊点行为的有限元预测，给出了最优分析方法的比较建议。
关键词： 3D模型，有限元分析，PBGA，多点约束，子模型法，3D切片模型，全局-局部模型，2D切片模型
更新于2025-09-23 15:21:21
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[美国机械工程师学会2018年电子与光子微系统封装与集成国际技术会议及展览 - 美国加利福尼亚州旧金山（2018年8月27日星期一）] 美国机械工程师学会2018年电子与光子微系统封装与集成国际技术会议及展览 - 温度、应变率和时效对SAC无铅焊料泊松比的影响
摘要： 在本研究中，我们对SAC无铅焊料的泊松比进行了数值与实验相结合的研究。泊松比（PR）是众多材料本构模型中的基本力学性能参数。尽管该参数常被忽略，但它在有限元方法（FEM）计算中具有重要影响。相较于其他材料特性，SAC无铅焊料泊松比的取值研究相对不足，在有限元分析中通常默认取值为?=0.3。本研究揭示了焊点泊松比取值对BGA组件热循环有限元结果的影响——有限元模型中的可靠性预测基于Morrow-Darveaux能量疲劳模型，建模对象包含间距为0.4mm和0.8mm的5/10/15mm三种尺寸PBGA组件（采用SAC305焊料）。这些封装件承受-40至125℃的时变循环温度场，假设其在25℃室温下处于无应力状态且制造过程未引入残余应力。仿真结果表明：当泊松比取值范围为0.15<?<0.40时，焊料塑性功变化超过20%，预测可靠性差异达50%以上。 通过微拉伸/扭转试验机对SAC305（96.5Sn3.0Ag0.5Cu）试样进行单轴拉伸应力-应变测试以测定实际泊松比，测试参数包括：两种应变率（0.0001和0.00001 sec?1）、四个测试温度（25/50/75/100℃）以及125℃下的多组时效时长。采用应变片配合LabVIEW软件自动采集轴向与横向变形数据，通过线性回归分析确定泊松比值。实验矩阵系统研究了温度、应变率、合金成分及凝固冷却速率对焊料泊松比的影响规律：泊松比随温度升高而增大，随应变率增加而减?。唤下哪汤淙此俾驶崾共此杀壬?；等温时效导致的微观组织粗化同样会引起泊松比增大。
关键词： 有限元分析，无铅焊料，可靠性，数据采集，PBGA封装
更新于2025-09-23 15:21:21
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激光喷丸对激光增材制造316L钢的影响
摘要： 激光喷丸技术在传统制造业中应用广泛。然而在增材制造领域，零件初始应力常会削弱激光喷丸效果，导致难以获得理想的残余应力分布。本研究通过数值模拟与实验测试，探究了初始残余应力与激光喷丸诱导应力的相互作用。通过建立有限元模型预测激光沉积试样的应力分布及其受激光喷丸影响的演变状态，并对微观组织与力学性能进行了实验表征。结果表明：激光沉积试样中热致拉应力会影响激光喷丸在横向和纵向的作用效果。经激光喷丸处理后，增材制造试样的部分力学性能发生改变——表面及1毫米深度处的硬度分别提升7%和22%，屈服强度提高16%，而抗拉强度与延伸率未见显著变化。
关键词： 有限元分析、激光喷丸、激光增材制造、残余应力
更新于2025-09-23 15:21:01
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负群速度导波检测新方法：建模与实验
摘要： 开发了一种利用具有不同空间周期的声学隔离叉指换能器（IDT）系统来检测压电板中正向与反向声波的新方法。该方法在Y-X切割铌酸锂板中传播的A1和SH1压电声模上进行了验证。理论分析表明：SH1模式在整个频段内均表现为正向波；而A1模式在截止频率附近其色散关系随频率降低会从正向波平滑过渡为反向波。为实验观测该转变过程，在单块铌酸锂板上制备了19个不同周期的IDT。通过测量这些IDT电气阻抗实部的频率特性发现：SH1模式的谐振频率随空间周期增大呈单调递减，该特性符合正向波特征；A1模式的谐振频率则先随IDT周期增大而降低，达到零群速度频率后开始回升，此行为可解释为从正向波区域向反向波区域的平滑过渡。采用有限元法计算各换能器对所研究波型的阻抗实部频率特性，其结果与实验数据高度吻合。
关键词： 叉指换能器、前向与后向板声波、相速度与群速度、色散关系、有限元分析、阻抗特性
更新于2025-09-23 15:21:01
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等离子转移弧熔覆NiCrBFe填充粉末对激光束焊接制备的Grade 2钛与Ti 6Al-4V合金异种接头显微组织及拉伸性能的影响
摘要： 本研究探讨了采用60%Ni30%CrB10%Fe填充粉末的等离子转移弧熔覆（PTAC）工艺对激光束焊接钛Gr.2与Ti6Al-4V异种接头显微组织及拉伸性能的影响。激光焊接时采用1300W功率、200mm/min焊接速度及10mm焦点距离实现了全熔透焊接。拉伸试验表明所有断裂均发生在未处理异种焊接头及PTAC涂层试样的熔合区。通过Comsol软件进行失效分析，其结果与实验数据高度吻合。有限元研究显示实验与模拟结果的吻合度较优。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）分别对原始焊接接头、异种焊接头及PTAC涂层试样进行了显微组织和力学性能分析。XRD检测显示PTAC涂层试样存在轻微压应力。熔合区显微组织研究表明大量粗晶界转变为α-Fe相。涂层试样施加的平均热输入（Hi）促使α+β相结构转变为TiNi+TiCrFe相界面。PTAC涂层试样平均硬度达313HV，异种焊接头硬度为290HV。研究表明由于材料具有更优的拉伸和弯曲强度，涂层材料的耐蚀性得到提升。
关键词： 机械性能、等离子转移弧熔覆、有限元分析、NiCrBFe填充粉末、激光束焊接
更新于2025-09-23 15:21:01
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[美国机械工程师学会2018年智能材料、自适应结构与智能系统会议——美国德克萨斯州圣安东尼奥（2018年9月10日星期一）] 第一卷：多功能材料的开发与表征；自适应系统的建模、仿真与控制；集成系统设计与实施——基于电致伸缩PVDF三元共聚物的软体夹持器参数化设计
摘要： 如今，采用柔性机构而非刚性部件实现抓取动作的软体夹爪，因其材料选择灵活、高顺应性及与目标物体轻柔接触等优势（相较于传统刚性夹爪），正被广泛应用于工业、医疗和生物样本采集等日益扩展的工程领域。本研究基于简易驱动机制设计了一款三指夹爪，该夹爪对物体具有高顺应性且单位质量产生相对较高的驱动力。采用电致伸缩PVDF基三元共聚物作为自折叠驱动机构，通过建立有限元分析(FEA)模型预测两种抓取模式（包络抓取与平行抓取）下夹爪的折叠形变与抓取力，模型预测结果与实验数据高度吻合。随后构建设计优化方案，通过参数化设计以最大化夹爪自由偏转量与阻塞力为目标，选取主动/被动材料厚度及被动层特性作为设计变量。研究发现：对于给定胶带基底厚度存在实现最大自由偏转的最优三元共聚物厚度；阻塞力随三元共聚物或胶带厚度增加而持续提升；随着缺口长度增加，因执行器折叠行为更显著导致自由偏转增大，但执行器刚度降低会使阻塞力减小。自由偏转与阻塞力的权衡关系对特定应用场景的最优设计方案决策至关重要。
关键词： 软体夹持器、设计优化、基于电致伸缩PVDF三元共聚物、参数化设计、有限元分析
更新于2025-09-23 15:21:01