基于COMSOL的限矩离合器摩擦片温度场分析

介绍了限力矩离合器的结构及其摩擦片所使用的油槽结构;根据热力学理论,建立温度场的数学模型;计算了限力矩离合器摩擦片的热流密度和对流换热系数以及热流分配系数;建立了考虑油槽结构的摩擦片三维瞬态热传导模型。通过COMSOL对摩擦片进行热分析,模拟摩擦片在接合过程中不同时刻的瞬态温度场,得出摩擦片温度分布规律,为限矩离合器摩擦片的结构设计提供了一定的理论依据。     

激光微造型中烧蚀热场及弹坑的数值模拟

在摩擦副表面激光微细加工技术中,为了确定其表面形貌,采用有限差分法对激光微造型中的烧蚀温度场和烧蚀产生的弹坑进行了数值模拟,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射脉冲激光在空间以高斯分布考虑,模拟出了激光微造型中靶材的温度场分布和变化规律,以及弹坑的深度和直径,进行了理论分析和实验验证,将此模拟结果(弹坑直径和深度)和现有文献中的实验进行比较,得到了良好的一致性.这对于激光微造型技术的理论研究是有帮助的.     

压片预置式激光熔覆温度场的数值模拟模型及其验证

针对压片预置式激光熔覆温度场数值模拟,在建立粉末片模型时提出单独建立粉末片冶金化模型和气孔模型.同时,为了比较真实地模拟压片预置式激光熔覆的物理冶金过程,考虑了粉末片组织形态、接触热阻和厚度的变化对温度场的影响.在数值模拟过程中进行不同组织形态的粉末片物性参数折算、不同接触形式的接触热阻计算以及不同工艺参数下的激光吸收率的选取.通过两组实验对基材熔池的宽度和深度进行验证,表明使用该模型计算出的温度场能较精确地反映激光熔覆过程的温度场.     

真空下硬金镀层的低速电接触磨损影响因素

导电摩擦副在磨损过程中产生较大磨损和较多磨屑,既影响电接触的稳定性又会降低导电环间的绝缘电阻。借助某卫星滑环的结构,导电摩擦副选用铜环电镀硬金的导电环和金银铜锌合金的电刷触点,在真空环境下开展硬金镀层的镀镍层厚度、硬度、表面光洁处理、真空加热处理、通电电流大小对电接触磨损性能影响的研究。研究结果表明:硬金镀层在真空环境下,硬度和真空加热预处理是影响磨损的显著因素,电流大小对磨损有一定影响,镀镍层厚度和光洁处理对磨损无显著影响。     

上下边缘区分的平面钣金零件尺寸测量方法

针对钣金零件轮廓尺寸高精度测量面临尺度增大造成的测量精度下降问题,提出了准确获取零件上表面的边缘方法和厚度转换模型。首先,结合光学成像理论分析了背光光源下不同厚度钣金零件的边缘特性,提出厚度零件具有上下边缘特征,然后根据平板零件图像的边缘分布特征,采用Canny算子初定位边缘,用多项式拟合算法实现亚像素边缘精确提取,对含有上下边缘的轮廓提出平均距离法获得上表面边缘,并针对厚度引入的误差提出了厚度转换模型进行边缘修正,获取零件在标定平面上的真实边缘,最终结合标定数据求取零件尺寸。实验结果表明,在10.75 m2的视场内,1~5 mm厚、500 mm500 mm零件的测量精度达到了0.05 mm,满足了钣金加工测量的需求。     

V型坡口对钢/铝激光对接熔钎焊性能的影响

为了改善钢/铝熔钎焊中钎焊缝与钢一侧接合界面上冶金反应的不均匀性,进而提高接头的拉伸强度,采用仿真模拟及实验相结合的方法研究了V型坡口对钢/铝激光对接熔钎焊性能的影响。利用ANSYS软件对钢/铝激光对接熔钎焊温度场进行仿真,在镀锌钢板上开设V型坡口时,接合界面靠近上表面与靠近下表面的温度梯度（为241℃）较不开坡口时的温度梯度（为588℃）明显减小;分别在镀锌钢板上开设V型坡口与不开设坡口的钢/铝异种金属进行激光对接熔钎焊试验,并对试样进行拉伸测试。结果表明,在镀锌钢板上开设V型坡口的情况下,接合界面上金属间化合物层的厚度分布较不开坡口均匀;V型坡口的存在使得断裂位置远离接合界面,接头的机械性能明显改善。     

V型坡口对钢/铝激光对接熔钎焊性能的影响

为了改善钢/铝熔钎焊中钎焊缝与钢一侧接合界面上冶金反应的不均匀性,进而提高接头的拉伸强度,采用仿真模拟及实验相结合的方法研究了V型坡口对钢/铝激光对接熔钎焊性能的影响。利用ANSYS软件对钢/铝激光对接熔钎焊温度场进行仿真,在镀锌钢板上开设V型坡口时,接合界面靠近上表面与靠近下表面的温度梯度(为241℃)较不开坡口时的温度梯度(为588℃)明显减小;分别在镀锌钢板上开设V型坡口与不开设坡口的钢/铝异种金属进行激光对接熔钎焊试验,并对试样进行拉伸测试。结果表明,在镀锌钢板上开设V型坡口的情况下,接合界面上金属间化合物层的厚度分布较不开坡口均匀;V型坡口的存在使得断裂位置远离接合界面,接头的机械性能明显改善。     

激光织构化形貌对密封配副摩擦学性能的影响

为了研究表面织构化对端面密封材料摩擦性能的影响,采用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢盘表面进行了织构化处理,形成了微孔型和凹槽型两种表面形貌。在摩擦试验机上模拟端面密封形式对聚四氟乙烯环/GCr15盘进行摩擦学性能测试,并对试样表面的磨损形貌进行了分析。结果表明,在油润滑条件下,织构化试样的摩擦因数和磨损量均低于光滑试样的,且微孔型织构的耐磨性优于凹槽形的,因为凹槽型织构排列使油膜厚度不均匀,摩擦因数波动大;在干摩擦条件下,适当的织构形貌对转移膜的保持有利,同时可以捕获磨屑,减少磨粒磨损的作用。与光滑配副相比,表面织构降低了配副双方的磨损率。     

齿面激光熔覆中的防边缘塌陷工艺研究

为了研究激光熔覆过程中产生边缘塌陷问题的原因并且找到具有较强可操作性的解决方法,采用对激光熔覆过程的温度场进行数值计算的方法,分析得到边缘塌陷问题主要是由于激光熔覆过程中边缘地带温度过于集中所造成;在分析结果的基础上,以样块为实验对象,提出了解决此问题的基本方法;最后将此方法应用于齿面激光熔覆的实际中,并根据齿面激光熔覆的特殊情况对此方法进行了改进和完善,取得了较为令人满意的结果。结果表明,此方法可以较好地解决齿面激光熔覆的边缘塌陷问题,而且具有较强的可操作性。     

有限元分析导热层厚度对印制电路散热性能影响

印制电路板的散热性能是影响电子产品可靠性的重要因素,而电路板的表面温度分布很难通过测量获得。通过有限元分析方法,模拟了印制电路板的温度场分布,并对元器件在嵌入不同厚度铝基导热层基板上稳定工作时的散热过程进行了分析。分析结果表明在PCB内部嵌入不同厚度铝基导热层可以有效地降低元器件失效率,增加产品可靠性,该结果可以为PCB制造过程中基板的选择提供指导。     

脉冲半导体激光器端面抽运Nd:YAG晶体瞬态热分析

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13m和0.19m之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

脉冲光纤激光切割连杆裂解槽工艺参量优化

为了获得36MnVS4连杆裂解槽最优的切割质量,采用正交实验法对裂解槽进行了激光切割理论分析和实验验证,通过激光共聚焦显微镜测量裂解槽的深度、宽度、张角及曲率半径等几何尺寸,同时采用扫描电镜观测裂解槽底部微观形貌及热影响区的厚度,采用极差分析法得到了峰值功率、脉冲宽度、切割速率和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,并获得了最优实验参量组合。结果表明,裂解槽热影响区厚度皆小于100μm且裂解槽底部存在微裂纹及气孔,各参量组合对裂解槽宽度、张角及曲率半径的影响较小,对裂解槽深度的影响较大;脉冲宽度和峰值功率对槽深的影响较大,脉冲频率和切割速率对槽深的影响较小;优化后切割速率为1.0m/min,峰值功率为700W,脉冲频率为1000Hz,脉冲宽度为50μs。这一结果对实际生产具有重要意义。     

强脉冲激光金属表面烧蚀热场的数值仿真

用有限差分法对强脉冲激光难熔金属表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值仿真计算。计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Ｇａｕｓｓ分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响。文章应用交替方向隐式方法建立差分方程,对该数学模型进行计算,数值模拟了难熔金属钛、钼在强脉冲激光烧蚀下的温度场变化,并将数值解与热导方程的解析解进行了分析     

固态T/ R组件冷板扩展热阻分析与优化准则

电子设备的功率器件和散热冷板之间由于存在面积差异,产生扩展热阻,在高热流密度条件下(>100 W/ cm2 )温升效应尤为明显。文中通过对固态T/ R组件冷板扩展热阻的简化近似解的分析计算,研究了冷板的导热系数、厚度、半径、对流换热系数等参数扩展热阻的影响规律,发现冷板存在厚度和半径的工程最优值使得扩展热阻或总热阻最小,建立了相应的尺寸优化准则,然后通过计算流体力学(computiatonal fluid dynamics,CFD)数值试验进行了计算验证,结果表明CFD解和简化解结果一致,研究结论可用于指导冷板或热扩展板的工程设计。     

脉冲激光二极管端面抽运全固态激光器热效应瞬态过程

从圆柱状晶体热传导方程出发,采用有限元方法,对脉冲激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的瞬态温度场分布进行了计算.对单脉冲过程中,晶体升温和降温时端面温度的分布情况进行了计算;分析了束腰位置和束腰半径对单脉冲过程的影响,以及晶体热弛豫时间的影响因素;根据光线追迹理论,分析了激光晶体内温度分布达到动态平衡后,由温度梯度引起的中心与边缘相对光程差时变特性.结果表明,当束腰位于晶体抽运端面时,增大束腰半径晶体端面温度降低;当不改变束腰半径并且后移束腰位置时,晶体端面温度降低;增大冷却液对流换热系数或者空气流速、降低空气温度以及减小晶体半径都可不同程度地缩短热弛豫时间;当晶体温度分布达到动态平衡后,晶体内各点温度呈周期性变化;由晶体径向温度梯度引起的相对光程差(OPD)也随时间作周期性变化.     

固体激光器中多块热沉夹持晶体散热时接触热导研究

采用圆棒状工作物质的固体激光器中,通常用2块带有半圆型凹槽的金属热沉夹持晶体散热。装配压强在晶体与热沉接触面上的不均匀分布,造成二者间接触热导沿圆周变化,在晶体中产生非轴对称的温度分布。提出采用3块或4块热沉夹持圆棒晶体散热,利用截断高斯模型和塑性形变模型计算晶体与热沉间接触热导,建立了接触散热模型,并用有限元法得到晶体温度分布。结果表明,2块热沉夹持圆棒晶体散热时,晶体侧面压强、接触热导沿圆周变化明显,在热沉凹槽底部达到最大,在2块热沉结合面处为零,晶体端面温度沿周向变化较大。采用3块热沉时,晶体侧面压强、接触热导及温度分布的周向均匀性提高,端面中心温度降低,采用4块热沉时,晶体侧面压强、接触热导及温度分布的周向均匀性最好,端面中心温度最低。     

激光切割碳纤维复合材料的温度场仿真

为了揭示激光切割碳纤维复合材料过程中温度场的分布规律、材料对能量的吸收和传递规律以及热影响区的形成机制,采用碳纤维复合材料为研究对象,建立激光切割碳纤维复合材料的多物理场模型,计算仿真了激光切割碳纤维复合材料过程中温度场分布及激光参量对碳纤维复合材料温度和热影响区影响规律,得到了激光切割碳纤维复合材料过程中的3维温度场分布。结果表明,激光切割过程中,碳纤维复合材料表面温度场近似为椭圆形,且碳纤维复合材料中能量的传递和扩散主要沿着碳纤维铺设方向;激光功率20W、光斑半径100μm、切割速率50mm/s的激光沿垂直于碳纤维铺设方向切割时,激光光斑作用处碳纤维温度远低于树脂层温度;随着切割光斑半径和激光功率的增加,碳纤维复合材料中最高温度逐渐增加,热影响区逐渐增大;随着切割速率的增加,碳纤维复合材料中最高温度逐渐减小,热影响区逐渐变小。该研究为了解激光切割碳纤维复合材料过程中的热损伤机理及材料高质高效的加工提供了一定的理论指导。     

Modeling and simulation of the engagement dynamics of a wet friction clutch system subjected to degradation: An application to condition monitoring and prognostics

In this paper, a friction model appropriate for wet friction clutches based on the extension of the Generalized Maxwell Slip (GMS) friction model is integrated to a four-DOF lumped-mass-spring-damper system which represents a typical SAE#2 test setup. Degradation models expressing the evolutions of the friction model parameters are also proposed, where the structure of the degradation models is inspired from experimental results obtained in the earlier work. This way, the engagement dynamics of the clutch system during the useful lifetime can be simulated. It appears that the previously developed pre-and postlockup features extracted from the simulated signals obtained in this study are qualitatively in agreement with the experimental results. Those features show their predictive behaviors that confirm their feasibility to be used for clutch monitoring and prognostics. Furthermore, the models and simulation procedure discussed in this paper can be employed for developing and evaluating prognostics algorithms for wet friction clutch applications.     

高分子材料与金属激光微焊接实验与仿真分析

为了更好地理解高分子材料与金属材料的激光微焊接机理,利用软件ANSYS建立高斯热源模型,对生物高分子材料聚对苯二甲酸乙二酯(PET)与医用金属材料纯钛的激光微焊接温度场进行了动态模拟;利用红外热像仪测定焊接过程瞬态最高温度变化,用超景深数字显微镜测量实际焊接中焊缝宽度,其测量结果与仿真结果基本吻合;最后对温度场仿真结果进行了分析。结果表明,移动热源前方的等温线分布密集且温度梯度大,后方的等温线稀疏且温度梯度小;在垂直于焊缝中心不同位置的节点都存在着快速升温及相对缓慢的降温过程,同时,节点越靠近焊缝中心,温度变化越剧烈,所能达到的最高温度就越大。该结果证明了所建立的移动高斯面热源模型在激光微焊接PET/Ti温度场模拟中的适用性。     

Transistor design and thermal stability

A model has been developed for the computation of forward second breakdown due to lateral thermal instability in power transistors. The method of analysis is to derive the steady-state current density and temperature distribution of a given transistor design under specified operating conditions, and then to calculate the response of the device to a temperature impulse suddenly applied internally. The current flow calculations have been carried out by using a distributed transistor model, and for the time-dependent heat flow problem the finite difference approach was used. The effect of device design parameters such as chip thickness, base width, emitter width, base impurity concentration, etc., on the thermal stability has been calculated. Also, the effect on transistor stability of the current and voltage operating point, as well as the heat sink temperature, has been analyzed. Information on the stability of a power transistor under pulsed condition is derived by calculating the time constant for thermal runaway. The results of this analysis indicate that the delay time is of the order of 1 ms.