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关键词： COMSOL仿真   Cu@Sn@Ag焊片   焊接工艺参数   焊片结构   应力场  

摘要： 更高功率密度、更小体积、更高集成度是电力电子器件的发展趋势。第三代功率半导体芯片广泛使用碳化硅和氮化镓芯片,研究满足高功率密度电力电子模块封装条件的芯片互连材料与技术是重要的科研方向。Cu@Sn@Ag(Ag包覆Sn包覆Cu)预置片具有低温焊接可高温服役,且成本较低廉的优势,是未来功率芯片互连材料中最具潜力的焊接材料。本文以Cu@Sn@Ag预置片瞬态液相扩散焊接Si C芯片和基板焊接过程为研究对象,基于Cu@Sn@Ag粉末热物性能测试结果,通过COMSOL有限元分析软件,对接头进行数值模拟,仿真分析了焊接工艺参数及焊接层的结构参数变化对焊接过程应力分布的影响,期望对Cu@Sn@Ag预置片的应用提供数据参考,本文的主要研究结论如下:1)对Cu@Sn@Ag焊料在不同的焊接温度、焊接时间的热-力学仿真结果表明:焊接温度在240℃～260℃时,随着焊接温度的增大,焊后焊层峰值应力逐渐减小,当焊接温度处于260℃～280℃时又略有增加,在260℃时应力最小,为3.5 MPa;焊接保温时间在30 min～120 min内,随着焊接保温时间的延长,焊层的应力变化小,120 min以上焊层处的应力开始明显升高;综合考虑器件服役性能的需求,Cu@Sn@Ag焊片用于回流焊接Si C芯片和DBC板时,焊接温度以260℃为宜,焊接保温时间应控制在60 min。2)焊接保压压力下的热-力学仿真结果表明:当焊接保压压力为1 MPa～5MPa时,随着保压压力的增大,焊层处的应力也逐步增大,从1.76 MPa增大至21.9 MPa,这主要是因为焊接施加的压力越大,焊接的变形量越大,从而增加了焊层瞬态液相扩散焊后的焊接应力,焊接保压压力以1 MPa左右为宜。3)基于COMSOL Multiphysics软件进行不同Cu@Sn@Ag预置片层厚、空洞存在位置对应力分布的影响,结果表明:焊层厚度为150μm时,整体上的焊接应力最小,最大应力值为1.7 MPa,为最佳层厚值。空洞附近处的应力大于边缘处的应力,且中心位置的应力值最大,最大应力值为2.47 MPa。4)不同Cu@Sn@Ag预置片空洞直径、空洞率、随机分布的空洞存在形式对应力分布的影响,结果表明,随着空洞尺寸的增加,应力先呈下降后上升的趋势,当60μm尺寸时的应力最小,焊接层上的最大应力值为11 MPa。随着焊片层上随机分布的空洞率的增加,整体呈逐渐增高的趋势,当随机分布的空洞的空洞率从1%增长到4%时,焊片层上的最大的应力从15.3 MPa增长到37.6MPa,增加了22 MPa。当焊片层中随机分布存在球形、椭球形、圆柱形空洞时,球形空洞的存在对焊接层上的应力最小,椭球居中,圆柱最大,应力值分别为12.4 MPa、60.1 MPa、217 MPa。

关键词： 液压管路   光纤光栅   应力分析   信号滤波   ANSYS  

摘要： 随着社会经济的发展,航空运输业在国民生活中发挥着日益重要的作用。发动机被喻为飞机的心脏,而液压管路系统则被称为航空发动机的血管。由于液压管路系统在恶劣的工作环境下工作,不时会造成管路破损甚至断裂,给飞机飞行带来极大的安全隐患。为了避免机毁人亡的惨剧,如何对液压管路的应力应变状态进行在线检测,就成了科技人员必须关注的重要内容。传统的应变测量方法如电阻应变片式等方法布置复杂,且易受电磁干扰,无法满足复杂管路系统分布式检测的要求。光纤光栅由于其具有应变传感特性,并且可复用进行串接多个传感器,目前在航空航天领域中被广泛应用于飞机机身、机翼以及内部结构的应变检测中。本文提出使用光纤光栅对航空液压管路表面进行应变检测。首先,结合光纤光栅的应变原理分析了光纤光栅传感器的封装方法。其次,研究了不同工况下液压管路的响应特性,为粘贴位置提供参考。最后,对光纤光栅的信号处理方法进行研究,进一步扩充光纤光栅使用数量。本论文的主要研究内容:分析国内外光纤光栅应变传感的研究现状,针对液压管路应变检测存在的问题,提出利用光纤光栅对液压管路应变进行分布式检测。结合液压管道应变检测原理,利用光纤光栅的应变传感特性,提出三层应变传递模型,对光纤光栅的应变传递理论公式进行推导,并对影响应变传递率的因素进行分析,得到了不同因素对应变传递效率的影响。采用ANSYS软件建立光纤光栅传感器测量液压管路应变模型,通过仿真分析来验证应变传递理论,为光纤光栅传感器的封装提供理论参考。建立液压管路系统中广泛使用的液压直管和液压Z型管模型,利用ANSYS软件分析液压管路在流固耦合以及基础激励下的振动响应状态。针对光纤光栅复用过程中,光纤光栅信号掺杂噪声,提出CEEMDAN联合改进阈值的小波滤波算法对光纤光栅信号处理。将过滤后的信号与传统的小波滤波以及EMD滤波的结果进行对比,并且利用信号的信噪比、均方差进行滤波效果的评价。

关键词： 复合离心铸造轧辊   卧式离心铸造   温度场   应力场  

摘要： 复合离心铸造在双层铸件或多层复合铸件的生产中有着广泛应用,目前该技术已经可以成熟的应用于复合钢管、复合轧辊等产品的铸造生产。但在双层及多层铸件的复合铸造工艺过程中,由于中间层与外层金属材料的组成成份不同会造成两金属层之间出现融合质量不良的缺陷,造成铸件破坏、剥落,这给相关的生产带来了很大的经济和材料损耗。所以如何使不同材料间实现良好的冶金结合是一个值得研究的问题。本文计算了复合离心铸造过程的温度场、流场和应力场,优化了离心铸造轧辊生产过程中的部分重要工艺参数,得出使复合离心铸造轧辊外层与中间层实现良好结合的工艺参数。本文的主要内容如下:(1)根据企业生产现场设备尺寸,完成了复合离心铸造轧辊铸造过程模拟所使用模型的三维建模。并使用分段模拟方法模拟了高铬铸铁轧辊复合铸造过程外层金属浇铸,中间层金属浇铸过程中的流场、温度场以及工艺优化后的应力场并模拟了轧辊芯部的重力铸造过程。(2)在轧辊的实际生产现场,在外层和中间层浇铸停转后使用测温枪以每五十秒为间隔测得轧辊外层和中间层实际浇铸过程中的温度,将测得的数据与有限元软件仿真计算出的数据做了对比,以校正模拟时的换热系数,最终得出的仿真计算温度与实测温度最大误差为26℃,验证了模型的准确性。(3)经过仿真计算,当外层铸件内表面温度最低点的温度为1035℃,中间层金属液浇铸温度为1600℃时,中间层金属液浇铸时间为50-60s中间层和外层铸件达到了冶金融合,且两层异质金属间并未产生混流。通过三因素四水平正交实验计算得出,外层铸件内表面温度最低点温度,中间层金属液浇铸温度,中间层金属液浇铸时间对外层铸件温度的影响顺序为:中间层金属液浇铸温度>外层铸件内表面温度最低点温度>中间层金属液浇铸时间,并对优化后的工艺条件做了应力仿真,从仿真结果来看,该过程不会出现应力破坏。

关键词： 砌石拱坝   温度场   应力场   等效应力   结构安全评价  

摘要： 砌石拱坝维护管理成本低昂,且具有较高的抗压能力和强大的稳定性。但它的缺点也十分明显——裂缝太多。本文以DL水电站砌石拱坝为研究对象,基于ANSYS有限元软件建立三维有限元模型对拱坝进行数值模拟分析,计算拱坝稳定温度场、准稳定温度场以及气温日变化下的瞬态温度场。在此基础上计算正常运行工况、设计洪水工况以及校核洪水工况下拱坝的位移、应力结果,并求解拱坝的等效应力。根据计算结果,从坝体应力、坝肩抗滑稳定及近坝岸坡稳定三个方面对DL砌石拱坝进行结构安全评价,并提出针对性的措施。文章的研究成果为DL水电站砌石拱坝运行期的维护管理提供理论支撑,为类似工程提供了参考,得出的主要结论如下: (1)拱坝上游坝面稳定温度自坝底至坝顶由11.3℃逐渐升高至22.9℃,坝体内部温度基本稳定,稳定温度在17.2～22℃。1月份拱坝上游坝面准稳定温度自坝底至坝顶由6.3℃逐渐升高至11.5℃。坝体内部温度相对稳定,为9.1～12.8℃。7月份拱坝上游坝面准稳定温度自坝底至坝顶由16.3℃逐渐升高至33℃。坝内温度相对较低,为22.4～29.9℃,坝体内部温差较大。气温变化过程中,坝体温度的变化有一定的滞后性。经历降温和升温两个阶段后,拱坝内部温度变幅为0.1～0.4℃。拱坝堰顶、下游坝面最低温度和最高温度相差16.2℃,坝内底部温度也相差5℃以上,温差较大。 (2)正常运行工况(工况1)、设计洪水工况(工况2)及校核洪水工况(工况3)下,拱坝位移基本对称于拱冠梁。拱坝横河向两侧向对岸位移,位移最大值为向左岸位移2.72cm,出现在工况3拱坝右边墩顶部;顺河向拱坝左、右边墩顶部附近向下游位移,位移最大值为向下游位移2.37cm,出现在工况3拱坝右边墩顶部;铅直向除拱坝上游面左、右边墩顶部附近外均下沉,下沉最大值为1.21cm,出现在工况3拱坝右坝端。三种工况下,拱坝最大拉应力为1.74MPa,出现在工况1拱坝上游面右坝端838m高程心墙处;最小压应力为-4.34MPa,出现在工况3坝趾左侧。 (3)工况1等效计算后拱坝的最大拉应力和最小压应力分别为1.42MPa和-2.89MPa;工况2等效计算后拱坝的最大拉应力和最小压应力分别为1.44MPa和-3.41MPa;工况3等效计算后拱坝的最大拉应力和最小压应力分别为1.54MPa和-3.49MPa;三种工况下拱坝等效后的拉、压应力峰值明显降低,且消除了拱坝的局部应力集中现象。在非应力集中区域,等效应力与有限元计算结果相差不大。三种工况下,按有限元等效应力计算的坝体主拉应力和主压应力均低于混凝土及浆砌体容许拉、压应力,坝体应力满足规范要求。 (4)对于基本荷载组合(工况1、工况2),拱坝拱冠梁剖面以及左、右重力墩剖面中混凝土心墙处最大拉应力为1.32MPa,出现在工况1拱坝左边墩剖面,低于基本荷载组合混凝土容许拉应力1.5MPa。最小压应力为-3.18MPa,出现在工况2拱坝拱冠梁剖面,低于基本荷载组合混凝土容许压应力-5.7MPa。对于特殊荷载组合(工况3),三个典型剖面中混凝土心墙处最大拉应力为1.19MPa,出现在拱坝左边墩剖面,低于特殊荷载组合混凝土容许拉应力2MPa。最小压应力为-3.31MPa,出现在拱坝拱冠梁剖面,低于特殊荷载组合混凝土容许压应力-6.7MPa。 (5)拱坝左右岸坝肩在各高程典型截面上的抗滑稳定安全系数在基本荷载组合下(工况1、工况2)最小值为3.17,大于规范要求的容许值3;在特殊荷载组合下(工况3)最小值为3.12,大于规范要求的容许值2.5,坝肩抗滑稳定性满足要求。 (6)近坝库岸不存在结构面组合形成的规模较大的潜在不稳定体,稳定性较好,不会对拱坝安全构成危害。

关键词： 镍钛合金心血管支架   光纤激光   温度场   应力场   切割工艺参数  

摘要： 心血管疾病严重威胁人类生命健康安全,已成为重大的公共卫生问题,支架植入手术是目前治疗该疾病的主要手段。镍钛合金由于独特的超弹性、热形状记忆特性以及优异的生物相容性,成为心血管支架制备的主要材料,但因其难加工的特性,通常使用激光切割法进行处理。本文以镍钛合金心血管支架为研究对象,最小化激光加工造成的热损伤,提高支架成形质量,为后处理提供方便为目的,建立了光纤激光切割镍钛合金心血管支架三维有限元模型,通过仿真与试验相结合的方式,模拟了激光切割过程中温度场、应力场的分布及变化情况,探究了不同工艺参数对热影响区厚度、切缝宽度和残余应力大小的影响规律,揭示了激光加工过程材料的去除机理,对优化切割工艺参数、提高支架成形质量具有重要的意义。本文主要研究内容如下:首先,对光纤激光切割过程涉及到的温度场、应力场基本理论进行分析,通过ANSYS有限元软件构建支架单次加工的几何模型,将光纤激光简化为体热源进行加载,并使用Jmatpro软件模拟材料的热物性参数,求解得到温度场分布和变化情况以及不同工艺参数对热影响区和切缝的影响规律。研究发现,切割过程中最高温度出现在热源中心处。各节点最高温度随平均激光功率的升高而增大,随切割速度的升高而降低。当平均激光功率P=90 W,切割速度v=5 mm/s时,管壁底部部分区域节点最高温度小于材料熔点,支架未被完全切透。以镍钛合金固相线温度作为临界温度,通过仿真预测的热影响区厚度随平均激光功率的增大而增大,随切割速度的增大呈现先减小后增大的趋势。采用生死单元和重启动技术对切缝进行模拟,预测的切缝宽度随平均激光功率的增大而增大,随切割速度的增大而减小。然后,在温度场的基础上通过间接热-力耦合的方式,进一步模拟了加工过程中应力场的分布和变化情况,探究了不同工艺参数对热应力的影响规律。研究发现,切割过程中热应力主要集中分布在切割边缘附近,形式上表现为拉应力。热源起始点处热应力最大,其余转角处:钝角位置散热快,温度梯度大,产生的热应力相对较大;锐角位置散热慢,温度梯度小,产生的热应力相对较小。加工完成后,残余应力随着平均激光功率的增大而增大,随着切割速度的增大而降低。最后,采用与仿真相同的工艺参数进行激光切割试验,验证仿真结果的准确性。从表面化学成分、热影响区、切缝宽度、熔渣和残余应力等方面进行分析,探究不同平均激光功率和切割速度对以上参数的影响规律。研究发现,试验与仿真预测的结果基本一致,平均激光功率为100 W,切割速度为5 mm/s时,支架的成形质量相对最好。激光切割作为整个镍钛合金心血管支架加工工艺中最关键的一环,加工完成后支架的表面质量很大程度决定了支架的使用寿命。本文通过对其加工过程进行有限元分析,深入研究温度场、应力场的变化规律,为实际加工时寻找最佳切割参数,最大可能提升支架成形质量提供了有益的借鉴。

关键词： 轮毂驱动系统   减速机构   结构设计   应力分析   疲劳寿命  

摘要： 分布式轮毂驱动电动汽车将驱动电机、减速机构等高度集成于车轮内。减速机构作为轮毂驱动系统的关键部件,其结构和性能将直接影响整车的行驶性和安全性。如何在有限的车轮空间内,实现减速机构与轮毂驱动系统其他部件的集成设计,是轮毂驱动系统设计所要解决的基础问题之一。同时,由于轮毂驱动车辆新型底盘的引用,使得减速机构服役过程中不仅承受离心力载荷和转矩载荷的作用,还会受到由于路面不平而引起的激振力载荷的作用,工作环境较为恶劣。研究多种载荷作用下减速机构的疲劳寿命问题对于轮毂驱动系统可靠性和耐久性的提升具有重要意义。基于此,本文以轮毂驱动系统减速机构为研究对象,进行减速机构结构设计和疲劳寿命方面的研究工作。论文的主要研究内容如下:(1)轮毂驱动系统减速机构设计。以轮毂驱动系统减速机构为研究对象,基于分布式轮毂驱动电动汽车的整车参数、动力性指标及轮毂电机的性能参数,确定轮毂驱动系统减速机构的传动比;之后根据轮毂驱动系统的结构特点和减速机构传动比,确定减速机构的布置方案和结构参数,并对其进行强度校核。最后建立减速机构三维数模对其进行运动学分析,检查减速机构是否存在运动干涉和验证结构设计的有效性,为之后基于减速机构的研究提供基础。(2)减速机构载荷的确定。基于前期设计的轮毂驱动系统减速机构和其实际的工作环境,对其进行承载分析,得到减速机构的承载位置和载荷类型。建立分布式轮毂驱动电动汽车的整车动力学模型,对不同行驶工况下的减速机构各承载点的载荷进行确定,获得减速机构在不同工况下各承载点载荷的时域变化曲线,为之后的减速机构的应力分析研究提供载荷。(3)减速机构应力计算和分析。首先基于前期设计的减速机构建立其应力分析模型,并验证模型的有效性。以不同行驶车速下减速机构承受的转速、转矩为载荷输入对其进行应力计算和分析,得到不考虑路面激励时减速机构的应力分布和变化规律。然后基于前期研究得出的不同行驶工况下的减速机构各承载点载荷,对减速机构进行应力计算和分析,得到路面激励下减速机构的应力分布和变化规律,并与未考虑路面激励的减速机构应力计算结果进行对比分析,获得行驶车速、路面等级对其应力分布和变化趋势的影响规律。(4)减速机构疲劳寿命预测。基于前期减速机构的应力计算结果和疲劳损伤理论,采用名义应力法结合减速机构材料的S-N曲线对减速机构进行时域疲劳寿命预测,得到不同行驶工况下减速机构的疲劳寿命预测结果,对比分析考虑路面激励和未考虑路面激励的疲劳寿命预测结果,获得行驶车速、路面等级对其疲劳寿命的影响规律,并基于多工况对减速机构进行疲劳寿命分析。

关键词： 无石棉垫片   氧化石墨烯   泄漏率   应力场   密封性  

摘要： 螺栓法兰装置由于结构简单、密封性能良好、成本低廉及易于拆卸等优势,在石油、化工、核能、航天航空、汽车、制药等行业的管道连接处得到广泛的应用,而垫片是静密封中确保机器设备和传送系统安全的一种基础部件,曾经广泛应用的石棉垫片因为其对人体有害而被禁用,无石棉垫片作为石棉垫片的替代品而被应用。随着时代进步,机器设备的结构越来越复杂、密封件的使用工况（介质内压和温度波动、密封介质改变等）也越来越复杂,对密封垫片的性能要求也越来越高。本文主要工作及结论如下:（1）通过实验方法研究无石棉垫片在不同温度和不同预紧载荷下的蠕变松弛过程。对比分析不添加和添加氧化石墨烯的两种试样,结果表明:添加氧化石墨烯比不添加氧化石墨烯无石棉垫片的蠕变松弛性能好,表明添加氧化石墨烯到无石棉垫片配方中,可增强垫片在常温和高温工况下的抗蠕变松弛性。（2）将不添加与添加氧化石墨烯无石棉垫片在不同温度及不同预紧载荷下垫片实验应力值代替工作垫片应力,提出垫片在不同温度和不同预紧载荷下长期使用时的泄漏率计算方法。当温度相同时,垫片的泄漏率随着预紧载荷的增加而减小;当预紧载荷相同时,垫片的泄漏率随着温度的增加而增加,并且垫片的泄漏率均小于密封等级T2的泄漏率2×10-3 mg/s/mm。（3）利用有限元仿真软件建立螺栓法兰装置有限元模型,通过实验与有限元仿真法相结合验证螺栓法兰装置模型的可靠性。在此基础上,通过有限元仿真软件模拟螺栓法兰装置在预紧和承压两种工况下的应力场和泄漏率。（4）通过对螺栓法兰装置稳态温度场分析,模拟实际工况下法兰、螺栓以及垫片的温度分布,利用热-结构耦合方法模拟不同介质温度对法兰、螺栓及垫片应力（由螺栓伸长转换成对垫片的压缩力）的影响以及介质内压波动对垫片应力和泄漏率的影响。结果表明:法兰最大应力和螺栓最大应力均是随着介质温度的升高而降低;垫片应力沿径向由内到外呈现递增的趋势,随着介质温度的升高,垫片应力有所减小,泄漏率有所增加;垫片应力沿外侧周向分布不均匀,呈45°为一个周期变化;介质内压波动次数越多,垫片内侧与外侧应力损失的越多,垫片密封效果越差。（5）通过对螺栓法兰装置进行了瞬态温度场分析,模拟垫片温度分布以及利用热-结构耦合方法仿真计算出垫片在不同升温速度、温度波动以及介质内压与温度同时波动工况下应力和泄漏率。结果表明:升温速度越快,垫片应力降低的幅度越大,泄漏率增加的幅度也会越大;温度波动会导致垫片内外侧应力降低,垫片泄漏率增加,密封效果下降;介质内压和温度同步波动时,垫片应力比仅有温度波动时的垫片应力小,密封性能更差。

关键词： 大展弦比模型   弯扭耦合   哈密顿原理   参数分析   应力分析   气动特性  

摘要： 长边无约束大展弦比矩形板,如大跨度的桥梁、大展弦比机翼、螺旋桨的叶片和太阳能的帆板等,都是工程中比较常见的结构。以往研究中,通常将这类大展弦比矩形板简化为Euler-Bernoulli梁模型或采用二维弹性板模型。然而,在展弦比居中时,无论采用Euler-Bernoulli梁模型或者二维弹性板模型都会存在一定的误差。其中,Euler-Bernoulli梁模型仅考虑展向弯曲运动,不能描述弦向绕展向轴线的扭转运动;二维弹性板模型考虑了弦向和展向的弯曲运动,也未考虑扭转。因此继续开展对长边无约束矩形板的动力学研究具有一定的工程价值和学术价值。本文聚焦于长边无约束矩形板振动特性问题,建立了两端简支大展弦比非线性弯-扭耦合振动模型,基于此,分析其弯扭耦合振动特性以及矩形板参数对其弯扭耦合振动特性的影响,具体研究内容如下:(1)通过广义Hamilton原理建立了两端简支大展弦比矩形板非线性弯-扭耦合振动模型,运用复模态法得到了弯曲振动和扭转振动的固有频率及模态。运用ANSYS对模型进行分析,将ANSYS结果与新建大展弦比矩形板模型、经典板模型以及梁模型结果进行对比,明确了大展弦比模型、经典板模型以及梁模型随展弦比变化的适用范围。(2)在验证大展弦比模型的基础之上,分析了展弦比、泊松比和厚度对弯-扭耦合振动特性的影响,并将其与ANSYS仿真结果和经典板模型结果进行对比。得到了大展弦比模型与ANSYS结果之间的差值和误差随展弦比、泊松比和厚度的变化趋势。经过对比发现,无论是大展弦比模型还是经典板模型,其高阶固有频率与ANSYS仿真结果之间的误差都要大于低阶固有频率与ANSYS仿真结果之间的误差。同时,大展弦比模型与ANSYS仿真模拟结果更加接近,两者之间的误差要远小于经典板模型与ANSYS之间的误差。(3)分别使用谐波平衡法和DQEM联合DQM法对自由边受到简谐激励的大展弦比模型展开非线性动力学研究。发现随着外激励的增大,幅频特性曲线向右偏转,幅频特性曲线呈现硬特性;并且随着外激励的增大,响应幅值增大。通过响应得到了大展弦比模型弯-扭耦合振动时各个位置处的相当应力幅值,将其与弯曲振动时各点的应力幅值对比可以发现,弯扭耦合会改变危险点的位置同时还会使大展弦比模型各个位置出的应力幅值得到大幅提高,从而加剧结构的破坏。(4)分析了大展弦比模型在气动荷载作用下的振动特性,得到了绕流升力和涡脱频率随风速的变化规律,分别使用了谐波平衡法和Runge-Kutta法对大展弦比模型气动特性进行了分析,研究了风速对大展弦比模型振动响应的影响。综上所述,本工作建立了两端简支的大展弦比矩形板模型,运用ANSYS仿真验证了模型的正确性,分析其与经典板模型、梁模型之间的区别,明确了参数对大展弦比模型振动特性的影响,研究了弯扭耦合受迫振动对其分布应力的影响,为平板问题的研究提供了一种新的简化模型,补充了平板理论研究领域内容,为工程实际应用提供了理论依据。

关键词： 化学镀铜   乙二胺四乙酸二钠   沉积速率   添加剂   应力  

摘要： 随着经济社会和数字化产业的迅速发展,以印制电路板为主的工业体系对半加成工艺提出了更高的要求。化学镀铜工艺作为半加成工艺中的关键步骤,不仅要求其生产出的印制电路板具有小型化、高传输率和高性能的特点,而且还要求生产流程简单易操作,可以满足工业化生产。本文基于以上要求,研究了化学镀铜工艺中添加剂对化学镀铜沉积速率、表面形貌和应力等的影响,获得了一种兼具较高沉积速率和较高质量镀铜膜的化学镀铜溶液。论文通过研究确定了以乙二胺四乙酸二钠为络合剂的化学镀铜体系,基础镀液的组成成分为:乙二胺四乙酸二钠（EDTA·2Na）30 g/L,五水硫酸铜（Cu SO4·5H2O）10 g/L,甲醛（CH2O）5 m L/L,溶液p H为12.5,通过实验确定化学镀铜温度为70℃。随后,本文研究了各类添加剂对化学镀铜沉积速率和铜膜质量的影响。首先对加速剂和稳定剂进行沉积速率和表面形貌的探究,实验发现在乙二胺四乙酸二钠体系的化学镀铜溶液中加入0.5 mg/L 2,6-二氨基吡啶沉积速率最高,可达到15.427μm/h,继续加入0.5 mg/L的2,2-联二吡啶时,发现二者有良好的协同作用,虽然沉积速率相比单一添加2,6-二氨基吡啶时有所下降,但依旧高于基础镀铜液的沉积速率,二者复合添加既提高了化学镀铜沉积速率又缩小了铜膜表面晶体的大小。为缓解化学镀铜膜氢脆现象,向镀铜溶液中加入了表面活性剂羟乙基磺酸钠,发现羟乙基磺酸钠可以与2,6-二氨基吡啶和2,2-联二吡啶形成良好的促进作用,使得反应所生成的氢气从铜膜表面脱落,降低了表面张力,缓解了氢脆现象,有利于化学镀铜质量的改善。在此基础上加入了消应力剂六水硫酸镍后,发现六水硫酸镍有改善镀铜膜质量、促进铜膜表面平整的作用,从而最终确定了乙二胺四乙酸二钠化学镀铜体系中各种添加剂的组分。通过线性伏安法对化学镀铜溶液进行电化学分析,从混合电位理论方面解释了各种添加剂复合添加对化学镀铜溶液的加速机理,发现添加剂是通过改变阳极氧化峰电流和阴极还原峰电流的大小来影响化学镀铜过程中的沉积速率。使用X-射线衍射（XRD）的方法对Cu（220）和Cu（311）两个晶面的铜膜进行应力测试,当六水硫酸镍浓度从0 mg/L增加到0.4 mg/L时,两个晶面均出现应力最小值,分别为-27.31 MPa和-27.16 MPa。使用原子力显微镜对化学铜膜表面粗糙度进行测试,发现六水硫酸镍的加入可以有效的降低铜膜表面的平均粗糙度（Ra）,使得所镀铜层平整。本文最终获得的化学镀铜液组成为:乙二胺四乙酸二钠30 g/L,五水硫酸铜10 g/L,甲醛5 m L/L,0.5 mg/L 2,6-二氨基吡啶,0.5 mg/L 2,2-联二吡啶,0.4 mg/L羟乙基磺酸钠和4 mg/L六水硫酸镍,施镀温度为70℃,镀液p H为12.5。此化学镀铜溶液可获得高达12.87μm/h得化学镀铜沉积速率,所得镀层光亮、粉嫩,微观形貌平整、致密,同时兼具较低得应力和粗糙度。

关键词： 加压釜   应力分析   疲劳寿命   流-热-固耦合  

摘要： 为处理复杂的矿产资源,提高金属回收率,便于后续资源化利用,加压浸出工艺作为高效的清洁冶金技术在国内外重金属行业被广泛应用,加压釜是加压浸出的关键设备,其强化传质、传热过程,是最理想的无泄露反应设备。本文研究的加压釜服役在温度、压力等多载荷变量和流体流动、流体-结构相互作用、固体结构应力应变等多物理场耦合的复杂工况下,承载周期性交变载荷,间歇操作频繁,容易产生疲劳破坏,酿成灾难性事故。因此,应某公司要求对设计的某型号加压釜进行应力分析和疲劳寿命研究,对于保障设备安全运行具有重要意义,同时也为后期结构优化提供参考。详细分析了各种载荷及可能出现的危险情况,对压力和温度进行排列组合,提出了加压釜在各种复杂情况下都能安全稳定操作的四种危险组合工况。运用计算流体力学数值模拟方法(CFD)对加压釜4种危险工况的釜内外流体的流动进行了详细的计算流体力学数值模拟分析,获得了釜体和夹套上压力和温度的分布规律。在此基础上,运用流-固耦合及流-热-固耦合分析技术分别将压力载荷和温度载荷耦合到加压釜固体结构上面,利用有限元分析方法分别对4种工况固体结构的变形和应力进行了有限元分析。结果表明:两种耦合作用下的应力与变形呈现相似分布规律,高应力区同时也是加压釜固体结构的易变形区。4种工况下应力最危险位置均出现在耳座处,变形最大位置分布在釜体与夹套底部区域及其连接部分。重力是影响加压釜应力和变形大小的主要因素,釜体内、外压及温度对釜体和夹套的应力和变形有一定的影响,对支座、封头等区域的应力和变形影响不大。加压釜内的压力对于固体结构应力和变形的影响大于夹套内压力的影响。基于流-固及流-热-固的耦合数值模拟分析结果,对加压釜固体结构的高应力区和易变形区选取10条路径进行应力线性化处理,并依据JB/T4732-2005《钢制压力容器分析设计标准》对加压釜整体结构进行应力评定,均符合设计规范要求。应力最大值均出现在釜体内外壁位置,沿厚度方向的应力分布整体呈现单调递增或递减。由于承载周期性交变载荷,需对加压釜进行疲劳分析。首先确定加压釜四种工况下的应力幅值,将应力幅值修正后与JB/T4732-2005《钢制压力容器分析设计标准》的疲劳曲线进行对照。结果表明:4种工况下加压釜运行的许用循环次数均大于所要求的设计总工作循环次数,疲劳强度评定合格,加压釜的疲劳寿命均能满足设计寿命,并保有一定裕量。四种工况的疲劳分析对比研究表明:釜体内设计压力、夹套无内压,考虑温度影响的工况三为加压釜服役最危险工况。最后,应用疲劳分析模块(Fatigue Tool)和Miner线性损伤理论对最危险工况三进行疲劳寿命研究,获得了加压釜服役最低寿命年限为15年,满足疲劳设计寿命要求。对加压釜整体结构进行损伤分析,耳座区域是最易发生疲劳破坏位置,总疲劳损伤系数小于1,且疲劳安全系数最低值大于1。结果表明,加压釜在达到设计寿命之前不会发生疲劳失效,在设计寿命内其可以安全稳定运行。