材料研究与计算机应用讲义-实践部分

1、材料研究与计算机应用材料研究与计算机应用-上机实践课程上机实践课程主讲人主讲人-黄远黄远天津大学材料科学与工程学院天津大学材料科学与工程学院 E-mail：yi- 办公地点：第二十五教学楼C座802室1 1、水下潜艇壳体材料由三层组成，最外一层为不锈钢，中间、水下潜艇壳体材料由三层组成，最外一层为不锈钢，中间为玻璃纤维构成的隔热层，最里层为铝，潜艇可以简化为一圆为玻璃纤维构成的隔热层，最里层为铝，潜艇可以简化为一圆筒，于是筒内为空气，筒外为海水，分别见图筒，于是筒内为空气，筒外为海水，分别见图1 1、2 2，参数见，参数见 表表1 1。求内外壁面温度及温度分布。求内外壁面温度及温度分布。空气空

2、气海水海水3、铝、铝2、玻璃纤维、玻璃纤维1、不锈钢、不锈钢铝铝不锈钢不锈钢玻璃纤维玻璃纤维空气空气海水海水R15 feet3/41/411321一、温度场的有限元求解一、温度场的有限元求解表表1：潜艇壳体材料的各项参数：潜艇壳体材料的各项参数几何参数几何参数热导率热导率Btu/hBtu/h ftft F F边界条件边界条件筒外径筒外径30 ft30 ft不锈钢不锈钢8.278.27空气温度空气温度7070 F F总壁厚总壁厚2in2in玻璃纤玻璃纤维维0.028 0.028 海水温度海水温度44.544.5 F F不锈钢层壁厚不锈钢层壁厚0.75 in0.75 in铝铝117.4 117.4

3、 空气对流传热空气对流传热系数系数2.5Btu/h2.5Btu/h f ft t2 2 F F玻纤层壁厚玻纤层壁厚1in1in海水对流传热海水对流传热系数系数 80Btu/h80Btu/h ftft2 2 F F铝层壁厚铝层壁厚0.25in0.25in筒长筒长200ft200ft1MNMX 44.59347.08149.56952.05754.54557.03359.52162.00964.49866.986MAY 4 200823:37:55NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =44.593SMX =66.986热流率热流率

4、heat flow, 热流密度热流密度heat flux, 生热速率生热速率heat generator,对对流传热流传热convection 2 2、为一个工业用烟囱的截面图，烟囱所用材料为混凝土，其热、为一个工业用烟囱的截面图，烟囱所用材料为混凝土，其热导率导率 =1.=1.4W/4W/（m mK K）。假设烟囱内表面的温度恒定为）。假设烟囱内表面的温度恒定为100100，外表面暴露在温度为外表面暴露在温度为3030的大气中。外表面与空气之间的对流的大气中。外表面与空气之间的对流传热系数传热系数k=20W/k=20W/（m m2 2K K）。）。60cm20cm100Tf=30h=20W/

5、(m2K)1MNMXXYZ 303.006310.783318.56326.337334.114341.891349.669357.446365.223373MAY 4 200823:39:38NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMN =303.006SMX =373作业：作业：用用ANSYSANSYS有限元软件分析有限元软件分析6061Al/SiC6061Al/SiC层合复合材料的温度场。其结层合复合材料的温度场。其结构示意图及尺寸见下图。材料性能数据见表。初始和边界条件构示意图及尺寸见下图。材料性能数据见表。初始和边界条件为：对

6、称面的温度分布为为：对称面的温度分布为0 0 C C，外表面为，外表面为4040 C C。求其温度场分布。求其温度场分布。SiC6061Al对称面对称面xyz1/4模型模型349.58.58.5表：材料性能数据表表：材料性能数据表材料材料类型类型T T（ C C）E E(GPa(GPa) ) y y(MPa(MPa) )E ET T(GPa(GPa) ) (10(10-6-6/ / C)C)K K(W/(m(W/(m C C)6061Al6061Al20520570700.3450.3451191191.141.1426.526.5117.4117.420201261261.341.34232

7、3-20-201391391.401.402222-60-601571571.491.4920.520.5-112-1121691691.621.621818-196-1961771771.951.959.59.5SiCSiCAll All temptemp4424420.190.19elasticelasticelasitcelasitc3.33.333331MNMXXYZ 04.4448.88913.33317.77822.22226.66731.11135.55640MAY 4 200823:30:44NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)R

8、SYS=0SMX =401MNMXXYZ 04.4448.88913.33317.77822.22226.66731.11135.55640MAY 4 200823:30:05NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1TEMP (AVG)RSYS=0SMX =40Select Entities-Elements-by attributes-Materials num-1-Ok-Plot-Elements-Plot results-Contour plots-Nodes solutions -DOF二、结构、力学有限元求解二、结构、力学有限元求解1 1、新型纤维增强热塑性复

9、合材料、新型纤维增强热塑性复合材料GrGr/PEEK/PEEK（石墨纤维增强聚醚醚酮（石墨纤维增强聚醚醚酮复合材料）由于其比重低、高工作温度和优越的断裂韧性，在航空复合材料）由于其比重低、高工作温度和优越的断裂韧性，在航空航天领域中具有重要的应用。下图是航天领域中具有重要的应用。下图是Gr/PEEK0/45-45/90Gr/PEEK0/45-45/902s2s复合材复合材料层合板模型，该模型有料层合板模型，该模型有8 8层，各层厚度为层，各层厚度为h=0.1275mmh=0.1275mm，总厚度为，总厚度为H=1.02mmH=1.02mm，长度为，长度为2a=3.5mm2a=3.5mm，宽度为

10、，宽度为2b=3.5mm2b=3.5mm，且在，且在y y轴方向受外轴方向受外载荷载荷 0 0=1=1 1010-2-2。试对该层合板的层间应力和位移分布规律进行分析。试对该层合板的层间应力和位移分布规律进行分析。2a2bHyxz 0 0z yx1MNMXXYZ -6.39-4.97-3.55-2.13-.709976.7099762.133.554.976.39MAY 13 201016:00:18NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1/EXPANDEDSYZ (AVG)RSYS=0DMX =.035641SMN =-6.39SMX =6.39作业：作业： 一对称的

11、正方形复合材料层合板（一对称的正方形复合材料层合板（4545 /-45/-45 ），由），由4 4层单向复合层单向复合材料板叠加而成，材料板叠加而成，材料尺寸：材料尺寸：Lx=0.4m、L y=0.4m、Lz=0.001m 4 ；材料参数：主模量材料参数：主模量E1=134GPa、E2=E3=10GPa， 剪切模量剪切模量G12=G13=5.6GPa、G23=3.38GPa， 泊松比泊松比 12= 13=0.3、 23=0.47。 底端约束固定，于其顶端中央节点上施以底端约束固定，于其顶端中央节点上施以-z方向的集中力方向的集中力Fz z= = 100N100N，试对其进行静力分析。，试对其进

12、行静力分析。 热应力分析方法热应力分析方法 （1 1）在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所有节点温）在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所有节点温度已知，则直接定义温度，节点温度在应力分析中作为体载荷；度已知，则直接定义温度，节点温度在应力分析中作为体载荷； （2 2）间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体）间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中；载荷施加在结构应力分析中； （3 3）直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得）直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果。到热分析和结构应力分析

13、的结果。三、热应力的有限元求解三、热应力的有限元求解1 1、管道及冷却栅的材料均为不锈钢，导热系数为、管道及冷却栅的材料均为不锈钢，导热系数为1.25 Btu/h1.25 Btu/h inin F F，弹性模量为弹性模量为28e6 1bf/in228e6 1bf/in2，热膨胀系数为，热膨胀系数为0.9e10-5 0.9e10-5 F-1F-1，泊松比，泊松比为为0.30.3，管内压力为，管内压力为1000 1bf/in1000 1bf/in2 2，管内流体温度为，管内流体温度为450 450 F F，对流，对流系数为系数为1 Btu/h1 Btu/h inin F F，外界流体温度，外界流体

14、温度70 70 F F，对流系数为，对流系数为0.25 0.25 Btu/hBtu/h inin F F，求解温度及应力分布。，求解温度及应力分布。流体流体空气空气2560.25112345678空气空气空气空气1212创建点的时候，只能在激活坐标系中。在建立较复杂的模型时，可能需要改变工作平面！作业：作业：设计、芯片制造、封装是集成电路设计、芯片制造、封装是集成电路3 3大支柱。试采用大支柱。试采用ANSYSANSYS有限元软有限元软件分析方形扁平电子封装器件件分析方形扁平电子封装器件QFPQFP，在循环温度载荷作用下的热应，在循环温度载荷作用下的热应力。其结构示意图如图所示，材料参数及特性

15、见表。力。其结构示意图如图所示，材料参数及特性见表。1XYZ QFP under temperature cyclic loading ! 芯片芯片FR-4板板引线铜引线铜60Sn40Pb焊料表：QFP组件材料参数材料名称材料名称EX/GPaEX/GPaALPXALPX（1/K1/K）PRXYPRXY铜铜120.658120.65817e617e60.3450.345硅片硅片1311312.8e-62.8e-60.30.3FR4FR4222218e-618e-60.280.28表：60Sn40Pb焊料Anand黏塑性模型的材料参数材料材料A(sA(s-1-1) )Q/RQ/R（K K） m m

16、/ /MPaMPan nH H0 0/MPa/MPaa aS S0 0/MPa/MPa60Sn40Pb60Sn40Pb1.49e71.49e710830108301 11 10.30.3030380.41580.4150.020.0231312640.2640.75751.1.343456.3356.33表：60Sn40Pb焊料随温度变化的材料特性温度/（C）-55-35-155205075100125EX/GPa47.9746.8945.7944.3843.2541.3339.4536.8534.59PRXY0.3520.3540.3570.360.3630.3650.370.3770.38

17、提示：提示：（1 1）方形扁装封装器的有限元模型见图）方形扁装封装器的有限元模型见图9 9，其中，其中60Sn40Pb60Sn40Pb焊料采焊料采用黏塑性单元用黏塑性单元VISCO108VISCO108，其余采用，其余采用PLANE82PLANE82单元。同样，对于单元。同样，对于PLANE82PLANE82单元要改变其属性为轴对称；单元要改变其属性为轴对称；（2 2）轴对称面见图）轴对称面见图9 9所示，在确定有限元计算时约束情况时，将所示，在确定有限元计算时约束情况时，将其设为对称边界（即加对称约束）；另外，底部约束为全部约束；其设为对称边界（即加对称约束）；另外，底部约束为全部约束；（3

18、 3）60Sn40Pb60Sn40Pb焊料在工作环境中，不但产生弹性变形和塑性变焊料在工作环境中，不但产生弹性变形和塑性变形，而且会产生明显的蠕变变形，因此采用形，而且会产生明显的蠕变变形，因此采用AnandAnand黏塑性本构模黏塑性本构模型来描述焊料的变形行为。型来描述焊料的变形行为。AnandAnand本构模型可以反映黏塑性材料本构模型可以反映黏塑性材料与应变速率、温度相关的变形行为以及应变率的历史效应、应变与应变速率、温度相关的变形行为以及应变率的历史效应、应变强化和动态回复等特征。强化和动态回复等特征。kTQsmAdtdpexpsinhdtdBBBhdtdsa0SSB1nktQAdt

19、dSSexp其中，其中， dtdp 为等效塑性应变率，为等效塑性应变率，Q Q/ /k k为为BoltzmannBoltzmann激活能常数；激活能常数；A A为常数；为常数； 为应力乘子；为应力乘子； 为等效应力；为等效应力；h h0 0为硬化常数；为为硬化常数；为S S的饱和值；为系的饱和值；为系数；数；T T为绝对温度；为绝对温度；m m为应变率敏感指数；为应变率敏感指数；a a为应变率硬化敏感指数；为应变率硬化敏感指数；n n为饱和值应变率敏感值。为饱和值应变率敏感值。（4 4）循环温度载荷曲线见图）循环温度载荷曲线见图1010，温度循环加载加在全部节点上。，温度循环加载加在全部节点上

20、。温度范围为温度范围为-55-55 C C 125125 C C，升、降温速率为，升、降温速率为2020 C/minC/min。高、低温保。高、低温保温时间为温时间为25min25min，循环周期为，循环周期为68min/cycle68min/cycle，共进行，共进行2 2个温度循环；个温度循环；020406080100120-60-40-20020406080100120140时 间 / min温度/。C(5)(5)分析时应设为瞬态分析（分析时应设为瞬态分析（transienttransient）和大变形分析）和大变形分析（large deformationlarge deformatio

21、n）。）。(6)(6)基本步骤：基本步骤： 、加上边界约束条件，包括对称边界条件和全约束条件；加上边界约束条件，包括对称边界条件和全约束条件； 、设置温度单位（改成摄氏度）、参考温度；设置温度单位（改成摄氏度）、参考温度； 、全选节点全选节点 、加载温度加载温度 、设置设置Solution CtrlsSolution Ctrls: :大变形瞬态、时间步增量、子步输大变形瞬态、时间步增量、子步输出设置、斜坡载荷设置出设置、斜坡载荷设置 、定义载荷步定义载荷步 、计算计算注：注： - - 循环进行循环进行！ 1MNMXXYZ QFP under temperature cyclic loading

22、 ! .214E-03.238E-03.261E-03.285E-03.308E-03.332E-03.355E-03.379E-03.402E-03.426E-031MNMXXYZ QFP under temperature cyclic loading ! .267E-03.530E-03.793E-03.001056.001319.001583.001846.002109.002372.0026351MNMXXYZ QFP under temperature cyclic loading ! -.697E-03-.518E-03-.339E-03-.161E-03.178E-04.196

23、E-03.375E-03.554E-03.732E-03.911E-031MNMXXYZ QFP under temperature cyclic loading ! -.001286-.001107-.928E-03-.749E-03-.570E-03-.391E-03-.212E-03-.332E-04.146E-03.325E-03四、神经网络的四、神经网络的Matlab分析分析1、基于、基于BP网络的镁合金网络的镁合金AZ61B晶粒尺寸、流变应力模型的构建及晶粒尺寸、流变应力模型的构建及仿真仿真镁合金镁合金AZ61B高温压缩试验的实际测量数据高温压缩试验的实际测量数据16组，见下表。其

24、工艺组，见下表。其工艺参数包括：压缩变形温度、应变速率。测量数据包括再结晶晶粒尺参数包括：压缩变形温度、应变速率。测量数据包括再结晶晶粒尺寸和流变应力。寸和流变应力。变形温度变形温度/ C应变速率应变速率/s-1再结晶晶粒尺寸再结晶晶粒尺寸/ m流变应力流变应力/MPa13000.0111.181587.197823500.0111.778256.800234000.0112.551341.900244500.0112.374232.500053000.1010.8547111.000063500.1011.394472.212374000.1012.116051.447484500.1012

25、.899736.700193001.009.8575129.9994103501.0010.807390.1135114001.0011.343365.7711124501.0011.992745.9002133005.009.5850158.0387143505.0010.3625110.6398154005.0010.854780.3322164505.0011.614755.6999BP网络模型的设计：网络模型的设计：（1）网格结构）网格结构 本分析人工神经网络包括本分析人工神经网络包括3层：输入层、中间层（隐层）以及层：输入层、中间层（隐层）以及输出层。输出层。 输入层有两个节点，为变

26、形温度和应变速率。输出层有一个节输入层有两个节点，为变形温度和应变速率。输出层有一个节点，为再结晶晶粒尺寸。隐层最佳神经元数为点，为再结晶晶粒尺寸。隐层最佳神经元数为11。整个模型为。整个模型为2-11-1的网络模型。的网络模型。（2）传递函数的选择）传递函数的选择 本分析中，中间层传输函数选取双曲正切函数，输出层函数本分析中，中间层传输函数选取双曲正切函数，输出层函数为线性函数。为线性函数。（3）学习算法的选择）学习算法的选择 本分析中，算法采用基于非线性最小二乘法的本分析中，算法采用基于非线性最小二乘法的Levenberg-Marquardt（LM）算法。）算法。（4）期望误差的选取）期望

27、误差的选取 本分析中，期望误差直接采用默认值本分析中，期望误差直接采用默认值0。数据的预处理：数据的预处理：变形温度变形温度/ C应变速率应变速率/s-1再结晶晶粒尺寸再结晶晶粒尺寸/ m流变应力流变应力/MPa1训练用数据训练用数据0.00000.00000.42130.43572训练用数据训练用数据0.33330.00000.57880.19363训练用数据训练用数据0.66670.00000.78280.07494训练用数据训练用数据1.00000.00001.00000.00005测试用数据测试用数据0.00000.01800.33510.62536测试用数据测试用数据0.33330.

28、01800.47750.31637测试用数据测试用数据0.66670.01800.66800.15098测试用数据测试用数据1.00000.01800.87470.03359训练用数据训练用数据0.00000.19840.07190.776610训练用数据训练用数据0.33330.19840.32250.458911仿真用数据仿真用数据0.66670.19840.46400.265012训练用数据训练用数据1.00000.19840.63540.106713训练用数据训练用数据0.00001.00000.00001.000014训练用数据训练用数据0.33331.00000.20520.622

29、415训练用数据训练用数据0.66671.00000.33510.381016训练用数据训练用数据1.00001.00000.53560.1848分别归类如下：分别归类如下：pncs0.0000 0.3333 0.6667 1.0000 0.0000 0.3333 1.0000 0.0000 0.3333 0.6667 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1984 0.1984 0.1984 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000pnxl0.0000 0.3333 0.6667 1.0000 0.0180 0.0180 0.0180 0.0

30、180pnfz0.66670.1984rgstnxl0.4213 0.5788 0.7828 1.000 0.0719 0.3225 0.6354 0.0000 0.2052 0.3351 0.5356rgstncs0.3351 0.4775 0.6680 0.8747rgstnfz0.4640iw1,1:8.4217 -3.8224;9.1781 -1.1205;-4.5423 8.0315;7.6878 -5.0416;4.7937 7.9991;-9.2835 -0.5322;1.9984 -9.0654;-2.9406 -8.7481;8.2175 4.3541;-9.2661 -0.3945;-0.82353 -9.1929;iw2,1:0.029005 0.130470 0.107740 0.17362 -0.33782 -0.073439 -0.37456 0.081757-0.065079 -0.20289 0.3235b1:-7.0085; -7.8546; 1.0045; -3.6036; -7.2855; 4.8475; 4.4782; 4.1812; -3.3937; 1.2037; 0.25823 b2:0.72251 本分析所用权值和阈值本分析所用权值和阈值五、傅立叶和小波变换五、傅立叶和小波变换（1）傅立叶变换示例）傅立叶变换示例(Matl