回流焊工艺中PBGA焊点失效研究

在PGBA封装中,焊点不仅提供机械支撑、电传导和热传导等作用,同时承受着电子设备的高温运行中,频繁的受热、机械、电载荷作用。因此,考虑到焊点质量直接关系到PGBA产品在实际应用中的可靠性,采用有限元方法研究了PBGA焊点在回流焊工艺中热应力、应变的分布规律,确定最大应力、应变位置,进而预测PBGA焊点结构失效危险点。结果表明,PBGA焊点最大应力、应变均出现在焊点与BGA、PCB连接面拐角位置,由此可知,PBGA拐角处焊点为结构失效危险点。     

DP780双相钢电阻点焊接头动态载荷下失效行为研究

采用DP780 双相钢电阻点焊接头,针对不同拉伸速度下接头的失效行为进行了研究.利用数字图像相关(Digital image correlation,DIC)技术分析接头的全场应变,同时对不同失效模式下的接头微观断口形貌进行分析.结果表明,准静态与动态拉伸下接头的失效模式主要有界面断裂与熔核拔出两种.随着拉伸速度的增加,接头的失效位置由界面断裂向母材撕裂变化,同时接头失效的峰值载荷与吸能值逐渐增大.2 mm/min 测试速度下的峰值载荷为21.08 kN,相比2 mm/min,2 m/s、6 m/s、10 m/s 的峰值载荷分别提升了26.57％、46.92％、63.99％.四种测试速度下的失效吸能值分别为10.16 J、31.37 J、52.83 J和63.77 J.由于拉伸时搭接接头焊点会发生偏转,造成了焊点上方拉伸作用为主,下方压缩作用为主.焊点不同程度的偏转,将使接头发生不同的失效模式.随着拉伸速度的提升,接头断口韧窝的摩擦分层越发剧烈.     

考虑多载荷工况和应变率效应的焊点失效强度预测研究

因受焊接过程电流热效应影响,车身焊点区域材料力学性能高度非线性。当焊点受复杂载荷作用或处于动态工况时,其失效强度的预测变得十分困难。针对该问题,本研究对焊点结构所受外力在热影响区的应力分布做了分析,研究了母材强度、板厚、焊点直径等对焊点静态失效强度的影响,提出了一个焊点静态强度失效准则及考虑应变率效应的焊点动态强度失效准则并根据试验数据拟合得到失效参数;将失效准则程序化,通过落锤冲击仿真结果与试验结果对比验证了失效准则的正确性。     

振动力场作用下聚合物熔体流场的理论研究

介绍了聚合物电磁动态成型加工的特点，推导出振动力场作用下简单剪切流动中聚合物熔体的速度、剪切速率和剪切应力的计算公式，通过对动态流场的理论计算与分析表明，振动力场对于提高聚合物成型加工的综合性能具有显著效果。     

FRP 层压复合梁结构屈曲变形在线监测方法

为了实现梁结构屈曲变形在线监控,提出了一种FRP层合梁屈曲变形重构方法。首先,依据高阶剪切变形理论,提出了一种复合梁结构变形场描述方法,并基于冯卡门应变梯度理论,推导出了中性轴应变表述方式。然后,利用最小二乘变分法建立了位移重构模型。其中,利用四次B-样条基函数构造了屈曲变形位移插值函数,推导了理论中性轴应变计算公式。并基于少量应变测量,提出了非线性项应变解耦方法,建立了测量应变与实测中性轴应变转换关系。最后,为了验证所提方法的精确性,以25层碳纤维复合梁为样件,搭建固定-简支梁试验平台,对其进行数值计算和试验论证。结果表明,建立的屈曲变形重构模型在不同轴向载荷作用时,位移场重构误差均小于8%。     

倒装芯片封装结构中SnAgCu焊点热疲劳寿命预测方法研究

由于焊点区非协调变形导致的热疲劳失效是倒装芯片封装（包括无铅封装）结构的主要失效形式.到目前为止,仍无公认的焊点寿命和可靠性的评价方法.文中分别采用双指数和双曲正弦本构模型描述SnAgCu焊点的变形行为,通过有限元方法计算焊点累积蠕变应变和累积蠕变应变能密度,进而据此预测倒装芯片封装焊点的热疲劳寿命.通过实验验证,评价上述预测方法的可行性.结果表明,倒装芯片的寿命可由芯片角焊点的寿命表征;根据累积蠕变应变能密度预测的焊点热疲劳寿命比根据累积蠕变应变预测的焊点热疲劳寿命更接近实测数据;根据累积蠕变应变预测的热疲劳寿命比根据累积蠕变应变能密度预测的热疲劳寿命长;采用双指数本构模型时,预测的焊点热疲劳寿命也较长.     

汽轮机转动部件脱落故障的识别方法

为快速精确地计算和诊断转动部件的脱落位置和质量,提出了转动部件脱落故障的识别方法。根据运行中机组的转动部件脱落故障前后的振动监测数据,利用谐分量法以及力平移原理,基于单平面质量脱落定位分析,推导出转动部件脱落故障轴向位置和质量的计算公式,并能有效辨识靠背轮失重和移位故障。将此方法用于工程实际中,精确计算和分析出嘉兴3号机组低压转子第3级围带脱落故障,计算和诊断出宁海1号机组靠背轮失重故障。实际工程应用证明该方法对突发振动故障诊断有很好的效果。     

铆速对SPR自冲铆接接头成形性能的影响

针对低碳钢340和铝合金6000的异种金属SPR自冲铆接接头,利用板材-铆钉-设备的设计思路,计算并选择合适的铆钉和铆接设备。采用五种不同的铆接速度进行该种接头的自冲铆接试验。观察各铆速下接头的截面成形形貌,并测得铆速增大时,接头底切量增大,底部厚度和剩余厚度均减小。通过测试接头的拉剪强度、脱落强度,发现两者均随铆速的增大而增大,且脱落强度增幅较小。接头失效形式主要为自锁失效和板材失效两种。铆速对接头成形性能的影响机理,主要由冲压载荷峰值变化和应变速率变化两方面组成。载荷峰值越大,接头成形性越好;应变速率越大,板材加工硬化程度越高且断裂应力越大。     

针式节流阀阀杆连接结构改进

导致针式节流阀镶硬质合金阀杆失效的主要原因是杆体与锥体连接结构不合理,在高速含砂流体的冲刷、交变载荷的作用和高频振动的工况下,硬质合金锥体断裂、脱落,导致节流阀无法正常工作,甚至堵塞节流通道,造成恶性事故.为此,在分析针式节流阀阀杆机理的基础上,设计出新的连接结构,避免了硬质合金锥体的断裂、脱落,保证了针式节流阀的工作可靠性.     

基于蠕变模型细间距器件焊点疲劳寿命预测

基于Garofalo-Arrheninus模型,采用有限元软件Marc模拟焊点温度场、应力—应变场和变形情况,借助修正C-M方程计算焊点的疲劳寿命。研究结果发现,器件相应材料中,只有印刷电路板内部温度场分布不均匀,这是材料热传导系数过小所导致的。发现应力集中的区域出现在焊根、焊趾以及引线和焊点交界处,基于Marc软件和基于Ansys软件模拟的结果一致,并和实际情况良好吻合。时间历程蠕变和塑性应变出现明显的累积迭加的趋势,两者共同作用导致焊点破坏,致使器件失效。在温度循环加载的过程中,整个器件一直处于拉应力的状态。基于修正C-M方程计算出焊点的疲劳寿命为665.7周次,和试验结果基本吻合。     

随机载荷作用下轴对称结构模糊可靠度计算方法

利用摄动随机有限元法,推导在载荷随机情况下轴对称结构的位移的均值和方差的计算公式,进而计算出单元应力的均值和方差。在强度为随机变量的情况下,把结构从安全状态到失效状态的过渡性考虑成一模糊事件,采用线性隶属函数,计算了轴对称结构的模糊可靠度。计算结果表明,把载荷处理为随机载荷,把失效事件处理为模糊事件,更符合实际情况,为结构可靠性优化设计提供更可靠的信息。     

碳纤维复合材料层合板三点弯曲损伤仿真研究

研究碳纤维复合材料在弯曲载荷作用下的失效形式与损伤过程,以预测材料抗外力损伤性能,指导碳纤维复合材料车身结构设计。进行碳纤维复合材料性能试验和三点弯曲试验,获得材料力学性能参数。建立基于Tiebreak算法的碳纤维复合材料层合板三点弯曲有限元模型,与试验对比验证模型的有效性。研究单元划分方式和Tiebreak接触层设置方式对仿真结果的影响规律,实现碳纤维复合材料分层破坏和纤维断裂的复杂失效及弯曲大变形损伤过程模拟。研究结果表明,计算精度与Tiebreak接触层设置相关,层合板弯曲变形的层间裂纹和层内裂纹扩展速度不同且相互影响。     

应力波载荷作用下CFRP、GFRP层板动态拉伸性能的实验研究

介绍了Hopkinson杆冲击拉伸实验设备以及实验技术,推导了应力、应变的计算公式。利用Hopkinson杆加载装置对CFRP、GFRP层合板进行了冲击拉伸实验研究,得到不同应变率下CFRP、GFRP层板的应力、应变(бε)曲线,以及断裂强度、拉伸模量、断裂应变等力学参数,以期对复合材料层板在冲击拉伸情况下动态力学行为和变形、破坏机理有一个初步的认识。     

SUS304不锈钢点焊接头疲劳寿命研究

为了准确预测工程机械上SUS304不锈钢点焊接头的疲劳寿命，提出了一种用于焊点寿命预测的S-N曲线。根据常见的几种点焊接头的结构形式，制备了不同板厚组合的拉剪疲劳试件，通过疲劳试验获取了试件的疲劳寿命数据。利用CT扫描实验获取了准确的焊核直径，建立了试件的有限元模型，并通过光学应变测量试验验证了该模型的准确性。然后，基于Rupp等效结构应力法和疲劳试验数据建立了综合不同板厚组合和载荷比的结构应力-寿命曲线(S-N曲线),并使用Goodman修正法消除了载荷比的影响。最后，建立了振动输送机有限元模型，并进行瞬态动力学分析获取了振槽焊点的结构应力，基于建立的S-N曲线预测了焊点寿命。结果显示，振槽各焊点接头无疲劳问题，存在焊点冗余情况，可以做轻量化设计。     

PCB组装板多器件焊点疲劳寿命跨尺度有限元计算

随着电子设备向着小型化、多功能化方向发展,互连的可靠性越来越受到人们的重视。现有研究的分析对象大多为单个器件,而实际服役过程中,印制电路板(Printed circuit board,PCB)的形变、传热、受力情况都将对焊点可靠性产生影响。传统焊点可靠性有限元分析以单一器件为基础,而将仿真对象扩展为整个PCB板,对于提升焊点可靠性评估的准确性和有效性具有重要的意义。利用ANSYS有限元软件,对处于不同尺度的焊点、器件以及PCB板进行建模,分析再流焊载荷下各器件焊点的残余应力应变分布,讨论热循环后各器件焊点的危险位置,并根据修正的Coffin-Manson模型,给出各封装类型焊点的热循环寿命。通过与器件级焊点可靠性模拟结果的对比,说明板级有限元分析的必要性和不可替代性,进一步完善焊点可靠性有限元分析理论。     

基于ARMA模型的磁流变振动系统精确建模与性能研究

为了研究自主研制的磁流变减振器及其振动系统的动态性能,建立了未经简化的磁流变振动系统的动力学四阶系统模型,通过四阶系统分母多项式与时间序列ARMA模型系数的对应关系推导出动态特性参数的计算公式,将不同工况条件下实验检测信号进行傅里叶变换滤去谐振成分,利用公式计算获得了系统动态特性参数,与三阶系统建模比较分析了建模精度以及系统的动态性能。研究分析表明,基于ARMA模型的四阶系统比三阶系统具有更高的模拟精度,尤其在中高工作频率范围优势更为明显,推导得出的动态性能参数的分析为系统选取了合适的工况,分析结果可作为磁流变减振器及振动系统性能预测与评价的依据,其方法可供同类高阶系统动态性能分析推广与借鉴。     

BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

纤维增强复合材料涡轮轴结构静强度计算与分析

基于适用于纤维增强复合材料的细观力学代表体积元(RVE)法和材料强度失效参数计算公式,计算体积分数为40%的SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料的力学性能参数和强度失效参数,建立以实际某型号发动机低压涡轮轴为背景,并用SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料代替原有高温合金材料,应用复合材料宏观强度准则中的蔡—吴张量失效准则,对其进行静强度计算与失效判定,总结作为衡量趋近失效程度的蔡—吴强度指数随轴结构复合材料铺层数的变化规律,同时对铺层总数为27层的轴结构进行给定载荷下的强度计算,得出轴结构内部每一铺层的强度指数及铺层强度指数随铺层位置、45°铺角不同的变化规律,并预测在极限载荷下轴结构铺层首先出现失效的情况。     

含侧隙齿轮副的动载荷分析

以振动理论为基础，提出一种考虑齿轮拍击振动的齿轮动载荷的数值计算方法。建立计算动载荷的齿轮冲击模型，在模型中考虑了齿轮正、反冲击时实际的啮合刚度，并给出啮合柔度的计算方法。分析在考虑静态传递误差、啮合刚度、侧隙、摩擦力及外部扭矩变化等多种激励时，作用在轮齿上的动态载荷以及整个齿轮上的综合动态载荷的计算公式。最后通过实例分析作用在轮齿上的动态载荷、综合动态载荷变化规律以及相关激励参数对动态载荷的影响。     

基于模式匹配及其参数自适应的PCB焊点检测算法

为了提高在线自动光学检测(AOI)系统检测印刷电路板(PCB)焊点的准确率和速度,对PCB焊点进行了研究。通过研究由特定结构光源和3CCD彩色相机获取的PCB焊点图像,基于常见的良品、多锡、少锡、假焊等焊点类型,提取焊点图像关键子区域的面积特征,在此基础上,建立了五种焊点类型的特征矩阵模型,并根据同类焊点相似程度最大为原则设计了检测焊点的模式匹配算法。此外,本文还给出了一种参数自适应方法对各检查项所用到的阀值参数进行学习与校正。在实验研究中,对含有1040个Chip焊点的PCB进行了检测,结果显示本文所提算法对焊点检测的准确率可达96.5%,检测所用时间为9秒。研究结果表明,本文算法具有较高检测准确率和检测速度。