柔性直流输电换流阀用IGBT模块焊料层疲劳寿命研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为柔性直流输电交直流变换的关键部件,其可靠性直接决定柔性直流输电系统的稳定运行。在换流阀运行过程中IGBT模块会受到各种不同的故障影响,导致电流急剧上升,从而造成IGBT模块温度升高使焊料层产生一定的损伤,最终导致焊料层疲劳失效。为此,以柔性直流输电换流阀用IGBT模块为研究对象对其进行功率循环条件下电磁-热-机械应力耦合分析。再利用基于应变的疲劳寿命模型,根据Coffin-Manson公式,以焊料层单个功率循环产生的非弹性应变增量为条件,对焊料层进行寿命预测。最后设计了10 kW/1 000 A功率循环试验平台,对仿真分析得出的电、热特性以及焊料层疲劳寿命进行验证。结果表明上焊料层温度分布与键合线键合点位置分布相关,下焊料层温度分布与芯片位置分布有关;焊料层温度分布不均、温差较大引起的热应力是导致焊料层疲劳失效的主要原因,且上焊料层疲劳寿命小于下焊料层。     

应变控制下具有保持时间的镍基合金C276高温低周疲劳实验研究

由于高的热效率和简单的系统组成,超临界水堆已经被选为第4代反应堆概念机组。实现超临界水堆的关键之一是重要部件尤其是燃料组件包壳材料的高温力学性能。该文以镍基合金C276为研究对象,对其进行应变控制下具有保持时间的高温低周疲劳实验研究。实验温度为650℃,对称梯形波,最大拉压应变保持时间分别为0,30s和60s,应变范围均为±0.3%～±0.5%。对镍基合金C276在有应变保持情况下的循环应力特征、应力松弛规律、控制应变与循环应力的关系、应变与寿命的关系进行了分析。实验结果表明:Ni基合金C276为循环硬化材料,应变保持强化了循环硬化效应;给出了有保持情况下的频率修正循环应力-应变关系公式和有应变保持的频率修正应变-寿命公式。     

铝合金拉伸塑性变形的非线性电磁超声检测

针对金属构件早期塑性损伤检测的难点问题,建立非线性电磁超声表面波弹塑性模型,通过改变材料内部塑性应变大小模拟不同程度的塑性损伤,研究应力应变、塑性损伤、超声非线性系数三者之间的关系,并利用非线性电磁超声实验方法,对拉伸变形的试件进行塑性损伤评估。搭建了非线性电磁超声表面波检测系统,对导入不同塑性变形的试件进行相对非线性系数的检测。实验结果表明,在材料屈服硬化阶段早期(ε≤5%),随着被测试件中导入塑性应变量的增加,相对非线性系数迅速增大;在材料屈服硬化阶段后期(5%<ε≤7%),随塑性损伤程度的增加,相对非线性系数增幅逐渐趋于平缓;在材料出现颈缩时(ε>7%),材料内部应力的降低导致相对非线性系数出现明显下降。据此,可以对塑性损伤的变化情况进行有效监测,并进一步评估材料的力学寿命。     

电站高压锅炉汽包用钢的低循环疲劳特性

本文对19Mn5、BHW35及其电渣焊缝材料的低循环疲劳特性进行了研究。结果表明:19Mn5钢属循环硬化材料;BHW35及其焊缝材料属循环软化材料。在大应变短寿命区,19Mn5钢的疲劳强度高于BHW35,但在30000周以后,BHW35钢的疲劳强度反而高于19Mn5。焊缝与母材相比,在同寿命时,BHW35焊缝材料的应变幅较母材约低10～40％。文中还给出了分别用应变和虚拟应力表示的三种材料的综合疲劳寿命曲线和表达式。此外,还对裂纹起始寿命和失效寿命间的关系进行了探讨,并给出了经验关系式。     

P91钢蠕变-疲劳交互作用应变特征与寿命预测

对电厂用关键材料P91钢在546℃下进行应力控制的蠕变疲劳交互作用研究,分别对滞回线,全应变范围,平均应变和非弹性应变进行分析和讨论。基于应力控制蠕变-疲劳交互实验特点,考虑了上下保载时间对寿命的影响,采用改进型的频率修正法对P91钢进行寿命预测。研究结果表明:应力控制下的蠕变-疲劳交互作用,使P91钢呈现兼有循环蠕变与静蠕变的失效形式,随着循环数的增加,滞回线向右移动:非弹性应变影响了蠕变-疲劳交互寿命,其增长速率随着材料寿命的减小而增大。寿命预测结果与试验结果吻合较好,95%的数据点落于2倍误差带范围之内。研究结果为P91钢蠕变疲劳寿命预测提供了理论和实验基础。     

汽轮机主汽阀高温紧固螺栓断裂原因分析

某火电厂在机组检修期间发现汽轮机主汽阀高温紧固螺栓断裂失效,对断口表面进行宏观检测、金相检测、化学成分分析、力学性能及扫描电镜检测。结果表明,高温紧固螺栓热处理工艺不当造成晶粒粗大,引起材料塑性及韧性降低;机组频繁启停及温度变化造成热应力集中,螺栓材料塑性降低,在应力集中处萌生裂纹并逐步扩展,最终导致螺栓断裂失效。提出合理设计螺栓热加工工艺、优化螺栓结构等建议。     

1Mn18Cr18N护环钢高温低周疲劳特性研究

为了研究超超临界汽轮发电机护环钢1Mn18Cr18N在工作温度100℃的低周疲劳特性,本文采用应变控制法对其进行温度为100℃下的低周疲劳试验,并对试验结果进行分析讨论。拟合出循环应力应变曲线和应变寿命曲线,得到了护环钢1Mn18Cr18N在100℃时的低周疲劳特性参数,包括Rambeg-Osgood参数和Manson-Coffin公式,推导出该材料的转变寿命NT。结果表明:1Mn18Cr18N护环钢低周疲劳特性表现为循环软化,循环软化程度随应变幅值的增加而增大,软化速率随应力下降幅值增加而增大;1Mn18Cr18N护环钢的过渡寿命为2177周次,小于2177周次时,塑性应变高于弹性应变成为影响疲劳断裂的主要因素,大于2177周次时,弹性应变主导疲劳断裂。     

基于多物理场仿真的平面封装SiC模块长寿命设计

碳化硅(silicon carbide,SiC)功率模块热流密度剧增,将严重影响SiC模块长期工作的可靠性。这是因为多种封装材料与芯片之间热膨胀系数差异显著,以及高热流密度带来的高温变梯度会产生显著热应力和应变。尤其对于平面型封装结构的SiC模块来说,其热失配应力效应更加显著,极易造成连接层的疲劳失效。因此,亟需仿真并优化SiC模块的应力和应变分布,提高其工作寿命。该文运用多物理场耦合的有限元仿真方法,首先研究烧结银层和缓冲层对平面封装SiC模块中多层烧结银互连温度和应力的影响规律;通过响应面优化方法同时对多个变量进行优化设计,实现降低芯片和烧结银互连的温度和应力;根据修正的Coffin-Manson方程实现对烧结银平面封装SiC模块的疲劳寿命预测,验证了封装结构应力优化可有效延长SiC模块寿命的设想。     

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件 可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。     

三芯光纤复合海底电缆船锚钩挂有限元建模

为了利用分布式光纤传感技术测量的光纤应变反映三芯光纤复合海底电缆被船锚钩挂时机械特性失效与否,利用有限元方法建立了钩挂的有限元模型。忽略机械特性差的结构,将聚乙烯护套与填充层合并以增大填充层边缘尺寸,获得均匀的网格;将呈对称分布的光单元简化为一根,得到简化后的海缆模型。选用SOLID164单元作为海缆结构的单元类型,选用BKIN(双线性随动强化)材料作为海缆结构的材料模型,得到海缆的有限元模型。最后通过仿真分析获得铜导体的应力分布情况、光单元的应变情况以及铜导体塑性应变和光单元应变随时间变化的情况。结果表明,海缆与锚接触位置处的铜导体应力值较未接触的位置应力值偏大,并且获得了铜导体发生塑性应变时的光单元应变值,该值可作为海缆导体机械特性失效的判据。     

基于电-热-机械应力多物理场的IGBT焊料层健康状态研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效将导致功率变流器故障,而IGBT主要失效模式之一——焊料层疲劳则主要是由于温度分布不均匀和材料参数不匹配引起的热应力造成。因此研究IGBT模块温度-机械应力分布特性,对变流器安全评估尤其重要。基于所建立的IGBT功率模块电-热-机械应力多物理场模型,分析了IGBT模块稳态以及瞬态下的热-机械应力分布特性规律。基于论文提出的模型,针对IGBT焊料层疲劳失效,分析了焊料层空洞位置以及大小对功率模块热-机械应力的影响规律,结果表明焊料层热应力最大值出现在焊料层边角以及空洞边缘处,相同面积下拐角空洞更容易导致IGBT模块失效,而且芯片结温随着中心空洞半径增加而升高,当空洞率达到50%时,结温温升达到5.10℃,严重时将会导致模块失效。基于能量微分以及热应力理论,本文提出了基于温度梯度评估焊料层运行状况的方法,并从理论以及仿真模拟层面,验证了该方法的准确性,并分析了不同焊料层失效程度对温度梯度的影响规律,发现温度梯度变化规律与结温变化规律一致,且灵敏度高,具有可追踪故障点位置的优点。     

基于LSTM循环神经网络的汽轮机转子表面应力预测模型

汽轮机转子启动过程中的寿命管理与评估问题非常关注转子表面应力,而应用有限元计算应力时间代价较大,循环神经网络(recurrent neural network,RNN)可快速准确地计算预测汽轮机启动过程中转子表面应力,大大提高在线评估效率。然而传统RNN神经网络存在梯度消失或爆炸以及无法解决长时依赖的问题,影响其实际应用。针对该问题,建立了基于长短期记忆(longshort-termmemory,LSTM)循环神经网络的汽轮机转子表面应力预测模型。在超参数的多组实验中,发现时间步长为3、dropout比例为0.2、隐藏层单元数为6时预测精度达到最佳,验证了预测模型的合理性。通过预测模型与有限元计算模型的耗时对比,发现预测模型耗时大大缩短,验证了预测模型的高效性。对预测模型的普适性分析表明:预测模型可拓展应用于类似时序序列问题的预测中。     

镍基高温合金GH4145/SQ的高温低周疲劳行为

主要研究了镍基合金 GH41 45 /SQ在 5 3 8℃高温下的低周疲劳行为与微细观机制。应变控制对称拉压疲劳试验结果表明 ,在循环形变过程中合金主要表现为初始疲劳硬化、随后疲劳软化及最终失稳断裂三个阶段 ,疲劳硬化 /软化速率与作用应变幅密切相关。合金的循环应力—应变曲线和应变—寿命曲线呈现出一定的双线性特征 ;对不同疲劳阶段的金相组织结构检查则揭示出 ,循环塑性应变作用将显著改变合金中沉淀颗粒的几何形状、尺寸和分布状态 ,并将改变位错与颗粒之间的交互作用行为 ,这一机制对合金的循环硬化和软化起促进作用 ;对不同应变幅下疲劳断口的扫描电镜 (SEM)观察则进一步表明了疲劳断口微观形貌特征与作用应变幅相依 ,随着控制应变幅减小 ,疲劳断口呈现从韧断特征向脆断特征转变     

基于壳温的IGBT模块键合引线疲劳寿命预测

为了研究功率循环下键合引线的疲劳寿命,提高IGBT模块的可靠性,文中提出了一种基于壳温的键合引线寿命预测方法。首先对IGBT模块进行功率循环测试,探究了键合引线的疲劳失效机理;然后建立IGBT模块的电—热—结构强耦合模型,分析了模块在功率循环载荷下的电、热、结构特性。依据键合引线的应变情况和实验测得的疲劳曲线,评估键合引线的疲劳寿命,并在壳温基础上建立了其寿命预测模型,对比测试结果验证了该模型的准确性;最后提出了铜键合引线的改进方案。根据易测量的壳温来确定键合引线的使用寿命,提前更换器件,能降低IGBT模块的故障率。     

基于局部应力应变法的弹簧操动机构关键部件疲劳寿命分析

针对操动机构关键部件在运行中受到强冲击载荷进而导致疲劳失效的问题，该文提出一种基于局部应力应变法计算冲击疲劳寿命的方法。根据机构特点应用显示动力学LS-DYNA对弹簧操动机构强冲击部位进行数值模拟计算，得到关键部件在强冲击载荷下的应力应变；在此基础上，修正Manson-Coffin公式，结合弹簧操动机构运动特点，建立适合于弹簧操动机构的冲击疲劳寿命计算模型；最后，搭建实验平台验证关键部件冲击载荷计算方法的准确性。结果表明：磙子与合闸锁闩应力集中部分与实际测试过程中零部件的失效区域相同，合闸锁闩的实际所受应力与仿真结果变化趋势相近，相对误差为18.27%；修正后的局部应力应变法得到疲劳寿命为1862次，与实际寿命相差12.3%，满足工程需求。结果对于弹簧操动机构疲劳寿命的计算具有一定参考。     

镍基合金K435高温低周疲劳寿命预测研究

概述高温低周疲劳寿命预测模型,对新型铸造镍基高温合金K435金在900℃下进行了低周疲劳试验,用各种预测公式对试验结果进行拟合,并对塑性应变能和幂指函数公式进行了改进,改进公式的拟合效果优于未改进的公式,尤其是改进的塑性应变能公式在文中所有的预测公式中精度最高。研究结果为燃气涡轮叶片的寿命预测提供了技术支持。     

基于应力三轴度的高抗冲聚苯乙烯失效仿真研究

高抗冲聚苯乙烯(HIPS塑料)因低成本、易加工的特点,在消费电子、汽车、家电、医疗等领域得到广泛应用,但是相较于传统的ABS塑料,其强度较低,产品容易因跌落碰撞导致结构受损.本文首先通过准静态和动态拉伸实验,得到HIPS塑料在不同应变率下的应力应变曲线,并利用仿真标定验证了本构曲线的准确性,然后通过失效试验和GISSMO失效模型对HIPS塑料进行失效仿真分析,结合空调整机跌落实验对仿真结果进行验证.结果表明,考虑应变率效应和GISSMO失效模型的HIPS塑料能准确地预测材料在复杂应力状态下的断裂失效行为,为材料数据库的建立提供依据.     

2Cr11NiMoVNbNB钢蠕变损伤规律的研究

该文对2CrllNiMoVNbNB 钢进行了蠕变实验，试验温度为600℃，采用损伤力学的方法对该材料的蠕变试验数据进行了损伤规律分析研究，同时研究了该材料蠕交断裂时的总应变和应力的关系以及蠕变第二阶段起始时间与应力的关系。结果表明，按照时间分数得到的蠕变损伤和按照蠕变速度得到的蠕变损伤基本一致；在相同的寿命时间分数下，低应力对应的损伤也较大：随着应力的增大，蠕变断裂时的应变也增大，而第一阶段在整个蠕变过程中的比例减小。同时，给出了该材料的Kachanov蠕变损伤公式和Norton蠕变损伤公式的常数。     

30Cr2MoV汽轮机转子钢的低循环疲劳特性

本文研究了30Cr2MoV转子钢在不同温度下应变控制的恒幅低循环疲劳特性,测定了表征材料低循环疲劳特性的基本参量.给出了材料的真应变和循环寿命、虚拟应力和循环寿命以及循环条件下的应力——应变关系。并对影响低循环疲劳寿命的因素进行了分析,为使用该材料的调峰机组汽轮机转子的疲劳设计和寿命管理提供依据。     

压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳失效的仿真

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件因其具有双面散热、失效短路和易于串联等优点特别适合应用于柔性直流输电等大功率领域。但这种压接封装结构的器件在经历长时间的循环热应力后,各组件中的金属材料会逐渐出现疲劳失效,对器件可靠性产生不利影响。建立压接型IGBT器件的单芯片子模组有限元仿真模型,利用功率循环仿真来模拟器件所经历的循环热应力工况,并对功率循环仿真结果进行热和力的分析。同时应用组合Coffin-Mason和Basquin模型对IGBT芯片进行疲劳寿命预测。结果表明芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受的压力最大也最易变形,且在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10 000多次循环。最后结合实际失效的芯片和仿真结果提出压接型IGBT器件一种"压力失效"模式,并对其相应的失效机理进行了一些初步解释。