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关于薄膜残余应力的有限元分析研究

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简介：
本研究探讨了采用有限元方法对薄膜材料中的残余应力进行精确建模与分析的技术，旨在深入理解其形成机理及影响。 ### 薄膜残余应力有限元分析研究 #### 一、引言 残余应力是一种内部产生的力，对材料性能有显著影响。当薄膜沉积在不同材质的基片上时，几乎所有的薄膜都会产生较大的内应力。这种内应力的存在对于微电子电路、薄膜电子器件以及光学元件的成品率、稳定性和可靠性至关重要。例如，过大的张应力可能导致薄膜和基片发生翘曲；相反，过大的压应力可能引起薄膜起皱或脱落甚至导致基片开裂，从而损害其物理性质并使元器件失效。 尽管关于残余应力的研究已经很多，但对其起源仍有许多未解之谜。例如，在金属膜张应力的来源方面尚未形成共识，并且没有确凿证据表明非金属膜压应力是由薄膜氧化引起的。此外，在测试方法上也缺乏精确性和可靠性。因此，对薄膜内残留应力进行系统深入研究非常必要。计算机模拟是一种有效的方法，有助于更好地理解残余应力产生的物理机制。 #### 二、薄膜中残余应力的分类与起源 根据不同的标准，可以将薄膜中的残余应力分为以下几类： 1. **按来源**： - **外加力引起的内应力**：由外部力量或在沉积过程中由于晶体生长和体积变化引起。 - **内部产生的内应力**：在制造过程自身产生于膜内的应力。 - **热失配应力（温度匹配）**：因薄膜与基片的热膨胀系数不同而形成的可逆性应力。 - **本征应力**：由材料结构特性和缺陷导致，这种不可逆性的部分受沉积参数如基底温度、生长速率和真空度的影响。 2. **按性质分类**： - 张力（拉伸力）与压力（压缩力） 实验观察显示直接从基片上剥离的薄膜大多呈现卷曲状态，表明残余应力分布不均匀。因此，可以将薄膜中的内应力定义为平均应力和微分应力两种形式。 #### 三、薄膜残余应力计算方法 文中提到一种基于传统梁弯曲理论来计算热失配引起的残余张力模型： \[ \sigma_{th} = E_f\frac{(1-\nu_f)}{T_2-T_1}(α_s-α_f)dT \] 其中，\(E_f\) 和 \(ν_f\) 分别代表薄膜的杨氏模量和泊松比；\(α_s\) 和 \(α_f\) 是基底与膜材各自的热膨胀系数；而 \(T_1\) 为环境温度，\(T_2\) 则是沉积时所用的温度。 #### 四、有限元分析方法 为了更精确地评估薄膜残余应力，文中使用了有限元软件进行模拟计算。这种方法能够预测不同条件下膜内应变分布，并帮助研究人员优化制备工艺以减少不良影响。通过对比模型结果与理论值可验证模型合理性，从而为提高器件质量提供技术支持。 #### 五、结论 通过对薄膜中的残余应力进行有限元分析研究，不仅可以加深对产生机制的理解，还可以在实际应用中提升元件性能和可靠性。未来的研究方向可以集中在开发更精确的测试方法及改进制备工艺上，以进一步降低内残留应变的影响。

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  • 关于薄膜残余应力的有限元分析研究
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    本研究探讨了采用有限元方法对薄膜材料中的残余应力进行精确建模与分析的技术，旨在深入理解其形成机理及影响。 ### 薄膜残余应力有限元分析研究 #### 一、引言 残余应力是一种内部产生的力，对材料性能有显著影响。当薄膜沉积在不同材质的基片上时，几乎所有的薄膜都会产生较大的内应力。这种内应力的存在对于微电子电路、薄膜电子器件以及光学元件的成品率、稳定性和可靠性至关重要。例如，过大的张应力可能导致薄膜和基片发生翘曲；相反，过大的压应力可能引起薄膜起皱或脱落甚至导致基片开裂，从而损害其物理性质并使元器件失效。 尽管关于残余应力的研究已经很多，但对其起源仍有许多未解之谜。例如，在金属膜张应力的来源方面尚未形成共识，并且没有确凿证据表明非金属膜压应力是由薄膜氧化引起的。此外，在测试方法上也缺乏精确性和可靠性。因此，对薄膜内残留应力进行系统深入研究非常必要。计算机模拟是一种有效的方法，有助于更好地理解残余应力产生的物理机制。 #### 二、薄膜中残余应力的分类与起源 根据不同的标准，可以将薄膜中的残余应力分为以下几类： 1. **按来源**： - **外加力引起的内应力**：由外部力量或在沉积过程中由于晶体生长和体积变化引起。 - **内部产生的内应力**：在制造过程自身产生于膜内的应力。 - **热失配应力（温度匹配）**：因薄膜与基片的热膨胀系数不同而形成的可逆性应力。 - **本征应力**：由材料结构特性和缺陷导致，这种不可逆性的部分受沉积参数如基底温度、生长速率和真空度的影响。 2. **按性质分类**： - 张力（拉伸力）与压力（压缩力） 实验观察显示直接从基片上剥离的薄膜大多呈现卷曲状态，表明残余应力分布不均匀。因此，可以将薄膜中的内应力定义为平均应力和微分应力两种形式。 #### 三、薄膜残余应力计算方法 文中提到一种基于传统梁弯曲理论来计算热失配引起的残余张力模型： \[ \sigma_{th} = E_f\frac{(1-\nu_f)}{T_2-T_1}(α_s-α_f)dT \] 其中，\(E_f\) 和 \(ν_f\) 分别代表薄膜的杨氏模量和泊松比；\(α_s\) 和 \(α_f\) 是基底与膜材各自的热膨胀系数；而 \(T_1\) 为环境温度，\(T_2\) 则是沉积时所用的温度。 #### 四、有限元分析方法 为了更精确地评估薄膜残余应力，文中使用了有限元软件进行模拟计算。这种方法能够预测不同条件下膜内应变分布，并帮助研究人员优化制备工艺以减少不良影响。通过对比模型结果与理论值可验证模型合理性，从而为提高器件质量提供技术支持。 #### 五、结论 通过对薄膜中的残余应力进行有限元分析研究，不仅可以加深对产生机制的理解，还可以在实际应用中提升元件性能和可靠性。未来的研究方向可以集中在开发更精确的测试方法及改进制备工艺上，以进一步降低内残留应变的影响。
     
  • 有限元分析研究
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    有限元分析研究是一门涉及工程与科学领域的计算方法，用于对复杂系统进行精确建模和应力、变形等力学性能分析。通过将结构离散化为小单元，该技术能够高效解决各种几何形状及材料属性的问题，广泛应用于航空航天、汽车制造等行业中以优化设计和提升安全性。 ### 有限元分析结合可靠度设计的技术方法 #### 引言 随着工程设计领域的不断发展，如何在确保结构安全的同时实现成本的有效控制成为了业界关注的重点。传统设计方法往往基于确定性的原则进行优化，即假定所有设计变量（如材料属性、载荷等）都是已知且恒定不变的值。然而，在实际应用中，这些变量往往会受到各种不确定因素的影响而产生变化，这种变化性在工程设计中被称为“变异性”。如果仅依赖于确定性的最坏情况假设进行设计，则可能导致设计过度保守，从而增加不必要的成本。因此，结合可靠度理论的有限元分析方法逐渐成为解决这一问题的有效途径。 #### 有限元分析简介 有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种用于模拟工程结构和产品的物理行为的数值技术。通过将复杂结构划分为多个简单的部分（即单元），FEA 能够对这些单元进行独立分析，并将结果综合起来预测整个结构的行为。这种方法特别适用于处理非线性问题、复杂的几何形状以及多种材料组成的结构。 #### 可靠度设计的基本概念 可靠度设计是指在设计过程中考虑不确定性因素的影响，以确保产品或结构能够在规定的使用条件下达到预期的功能性能。这种设计方法不仅关注结构的安全性，还考虑了成本效率和可靠性之间的平衡。可靠度设计通常包括以下几个步骤： 1. **定义设计目标**：明确设计需要满足的功能需求。 2. **建立模型**：利用有限元分析等工具构建结构的数学模型。 3. **评估不确定性**：识别并量化设计中的不确定性来源，包括材料特性、载荷条件等的变化范围。 4. **计算可靠度**：基于统计分布估计结构在各种可能条件下的表现。 5. **优化设计**：调整设计参数以提高可靠度同时降低成本。 #### 结合有限元分析与可靠度设计的方法 本研究中提出了一种结合有限元分析软件ABAQUS和Altair HyperStudy的可靠度设计方法。具体而言，该方法首先使用ABAQUS对设计进行有限元建模，并模拟其在不同载荷条件下的响应；然后通过HyperStudy执行可靠的评估与优化。 1. **ABAQUS 在可靠度设计中的应用**： - ABAQUS 是一款功能强大的有限元分析软件，在各种工程领域广泛应用。 - 本研究中，ABAQUS 被用来模拟设计对象在不同环境条件下的行为，为后续的可靠度分析提供必要的数据支持。 2. **Altair HyperStudy 在可靠度设计中的角色**： - Altair HyperStudy 是一款专用于多学科优化和设计实验的软件工具。 - 它可以自动执行多组计算案例，评估不同设计方案的性能，并最终帮助设计师找到最优解。 - 通过与ABAQUS集成，HyperStudy能够自动调用ABAQUS进行有限元分析并基于结果进行优化。 #### 结论 结合有限元分析和可靠度设计的技术方法为工程设计提供了新的思路。通过对设计过程中的不确定性因素量化管理，在确保结构安全性的同时实现成本的有效控制。未来随着相关技术和算法的发展，这种方法有望在更广泛的工程领域得到应用。
     
  • 平面应力的有限元分析
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    《平面应力的有限元分析》是一本专注于工程结构中二维问题数值模拟的技术书籍。它详细介绍了如何应用有限元方法解决平面应力状态下的力学行为和变形等问题，为工程师们提供了一个强大的工具来预测材料性能、优化设计以及确保结构的安全性和稳定性。 ### 有限元平面应力分析详解 #### 一、概述 有限元方法是一种广泛应用于工程问题数值求解的技术，在解决复杂结构力学问题方面特别有效。其中的一个重要应用场景是处理平面应力问题，尤其是在材料厚度远小于其平面尺寸的情况下。本案例研究一个具有小圆孔的平板在外力作用下产生的应力分布，并探讨不同网格密度对结果的影响。 #### 二、问题背景 假设有一块平板，几何参数为：板中心有一个半径为0.2a的小圆孔；P=1000N的作用力；a=0.5m；板厚t=0.01cm。材料属性包括弹性模量E=7e6 N/cm²。任务是采用平面应力板单元建模，计算圆孔周围四点A、B、C、D处的应力分量，并讨论网格疏密对结果的影响。 #### 三、理论基础 1. **平面应力假设**：对于薄板，在厚度方向上的应力可以忽略不计时，问题简化为二维。此时只有平面内的正应变和剪切应变存在。 2. **单元选择**：为了准确捕捉孔洞周围的高应力区域，通常使用三角形或四边形单元进行模拟。本例中选择了常应变三角形单元（CST）。 3. **材料属性**：采用线性弹性模型定义材料的弹性模量E和泊松比μ。 #### 四、结构离散化与网格划分 1. **网格划分**：为了提高计算精度，孔附近的网格需要适当加密。此步骤对结果准确性至关重要。 2. **节点坐标与编号**：通过文件导入方式输入节点坐标和编号至程序中。这些数据用于构造单元，并确定各节点的位置及其相互连接关系。 #### 五、编程实现 使用C++语言进行有限元分析的主要步骤包括： 1. **常应变三角形单元刚度矩阵计算**： 此部分代码负责每个三角形的刚度矩阵，根据节点坐标和材料属性来构建。关键在于几何参数与材料性质之间的相互作用。 ```cpp void Estif3(int mm, double ek3[6][6]) { // 计算几何参数和材料属性 double x[3], y[3], ts, w, bi, bj, bm, ci, cj, cm; double e3 = 7e10; double t3 = 0.01; double mu3 = 0.3; // 计算面积和形状函数导数 ts = fabs((x[1]*y[2] + x[0]*y[1] + x[2]*y[0] - x[1]*y[0] - x[0]*y[2] - x[2]*y[1]) / 2.0); w = (1.0 - mu3) * 2.0; // 构建刚度矩阵 ek3[0][0] = bi*bi + ci*ci*w; ... 其他元素的计算省略 ... } ``` 2. **单元应力矩阵计算**： 此部分代码负责每个三角形单元的应力分布，同样基于节点坐标和材料属性。 ```cpp void Smat3(int ie, double se[3][6]) { // 计算几何参数和材料属性 double x[3], y[3], ts, w, bi, bj, bm, ci, cj, cm; double e3 = 7e10; double t3 = 0.01; double mu3 = 0.3; // 计算面积和形状函数导数 ts = fabs((x[1]*y[2] + x[0]*y[1] + x[2]*y[0] - x[1]*y[0] - x[0]*y[2] - x[2]*y[1]) / 2.0); w = (1.0 - mu3) * 2.0; // 构建应力矩阵 se[0][0] = bi; ... 其他元素的计算省略 ... } ``` #### 六、结果分析 1. **计算结果**：通过求解整体刚度方程组得到节点位移，进而确定各单元的应力分布。 2. **网格敏感性分析**：比较不同网格密度下的计算结果，评估细化对精度的影响。 #### 七、结论 通过对平面应力问题的研究，我们不仅能够深入了解有限元方法的基本原理和技术实现细节，并能掌握如何有效利用该技术解决实际工程中的复杂力学问题。此外，通过对比
     
  • 关于梁的机械阻抗的有限元法分析研究
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    本研究采用有限元方法探讨梁结构中的机械阻抗特性，通过数值模拟揭示不同边界条件和材料属性对机械阻抗的影响规律。 基于机械阻抗基础理论对悬臂梁进行分析，获得其动态特性数据；利用ANSYS有限元软件对其进行模态分析以获取固有频率及振型，并在此基础上开展动态响应仿真研究，通过后处理得到该梁的机械阻抗频谱及其对数幅频曲线。最后将这些结果与理论计算的数据进行对比验证，并探讨了采用有限元方法在机械阻抗分析中的进一步应用和未来发展方向。
     
  • 基于ANSYS的铲板有限元分析研究
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    本文利用ANSYS软件对铲板进行有限元分析，探讨其结构强度和应力分布情况，为优化设计提供理论依据。 基于ANSYS软件的掘进机铲板有限元分析主要研究如何利用该软件对不同工况下铲板受力情况进行精确分析，并通过理论计算评估其强度与刚度，为实际设计提供可靠依据。 首先，掘进设备中的铲板是关键部件之一，在挖掘过程中承受多种复杂应力。这些应力包括冲击载荷、土压力及物料反作用力等，导致铲板在不同工况下产生形变和不均匀的应力分布。因此需要对其进行详尽力学分析以确保其可靠性。 理论计算方面涉及静力学与动力学模型建立以及材料性能评估。具体而言，在特定工况中需确定主要受力点（如F1、F2）及其作用方式，并预测这些因素对铲板的影响。 ANSYS软件作为强大有限元工具，支持复杂几何建模及网格划分等功能，适用于此类研究需求。通过使用该平台进行分析可以准确模拟不同条件下铲板的力学行为并评估其性能指标是否达标。 在具体实施过程中，首先根据实际应用场景建立理论模型，并确定受力状态；随后利用ANSYS Workbench软件完成有限元建模与仿真计算（包括网格划分、材料属性设定及边界条件设置等）；最后通过分析结果判断铲板设计的合理性。例如，在某些应用案例中提到F1=19.6t和F2=83.5t这样的数值，这些具体力值对于准确模拟真实工况至关重要。 综上所述，基于理论计算与ANSYS有限元分析相结合的方法能够全面评估掘进机铲板的设计合理性及性能表现。这不仅有助于优化机械设计提高设备使用寿命，还为工程实践提供了坚实的数据支持和技术指导。
     
  • 基于有限元分析及ADPL的平面应力厚壁圆筒问题研究
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    本研究运用有限元方法并结合ANSYS参数化设计语言（APDL），深入探讨了平面应力条件下厚壁圆筒的力学行为，为结构工程中的高压容器等设备的设计与优化提供了理论依据。 有限元分析是一种广泛应用的数值计算方法，用于解决各种工程与科学问题中的复杂力学问题，如结构分析、热传导及流体动力学等。本资源专注于指导新手用户如何使用ANSYS命令行接口——APDL（ANSYS Parametric Design Language）来处理平面应力和厚壁圆筒等问题。 在平面应力情况下，两个方向上的应力显著而第三个方向的应力可以忽略不计，这通常出现在结构部件表面或薄壁结构中。这种简化分析有助于节省计算资源并提高效率。使用APDL时，用户能够自定义模型参数、快速创建与修改模型以及控制求解过程。 在APDL环境中解决平面应力问题的第一步是启动Mechanical APDL Product Launcher，并选择进行APDL分析的选项。设置偏好设定以确保选择了正确的求解类型——此处为平面应力。接下来需要定义材料属性，包括弹性模量和泊松比；对于厚壁圆筒，则需特别指定其厚度。然后构建几何模型，可能涉及布尔运算如合并、切割或差集操作等步骤。随后进行网格划分，在此阶段精细的网格有助于提高结果准确性。 约束与载荷施加是关键环节，确保边界条件被准确反映。若在选择边界时遇到问题，则可以使用Unpick命令取消错误的选择。完成求解器运行后查看应力云图等结果；如果出现显示异常情况，请返回启动APDL步骤检查配置是否正确设置。 实验二则专注于平面应变问题处理方法，与前者区别在于第三个方向具有一定的应变量但可忽略其上的应力值。在设定此类别时需选择“平面应变”选项，其余操作如材料选取、单位转换、建模过程、网格绘制及约束和载荷施加等步骤均类似。同样，在结果可视化阶段需要注意可能出现的异常显示问题。 进行有限元分析过程中，理解每一步的具体目的与意义至关重要，并且要熟练掌握APDL语法及其命令以确保模型准确性和求解可靠度。遇到困难时应及时查阅相关资料或参考现有解决方案来解决问题；通过持续实践和学习用户将能更有效地利用APDL解决实际工程中的复杂问题。
     
  • ABAQUS与残余应力分析在Abaqus中的应用
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    本简介探讨了如何利用ABAQUS软件进行残余应力分析的方法和技巧，旨在帮助工程师理解和解决由制造过程引起的残余应力问题。 使用ABAQUS进行焊接残余应力的模拟，并通过ABAQUS软件来模拟整个焊接过程。
     
  • 关于无砟轨道钢轨温度力的有限元分析与实验研究（2013年）
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    该研究通过有限元方法和实验手段探讨了高速铁路无砟轨道中钢轨在不同环境条件下的温度应力变化规律，为轨道设计提供了重要数据支持。 为了准确掌握无砟轨道钢轨温度力的变化规律并进行实时监测，首先建立了无砟轨道的三维有限元模型，并仿真分析了不同温度条件下钢轨纵向温度力的情况；随后利用应变法测量了无砟轨道钢轨的实际纵向温度力，验证了仿真的准确性。在此基础上，进一步计算和分析了在20℃温差变化下一跨钢轨内部应力分布情况。 结果显示，在不同的温度条件下，钢轨的纵向温度力仿真结果与实验数据吻合良好，表明该模型能够较好地反映随温度变化的钢轨纵向温度力状况。此外，仿真的数据显示，轨腰区域内的纵向温度力与温差呈线性正相关关系；而轨底则不仅受到温度变化的影响，还受扣件作用影响。