材料研究與計算機應用講義-實踐部分

1、材料研究與計算機應用材料研究與計算機應用-上機實踐課程上機實踐課程主講人主講人-黃遠黃遠天津大學材料科學與工程學院天津大學材料科學與工程學院 E-mail：yi- 辦公地點：第二十五教學樓C座802室1 1、水下潛艇殼體材料由三層組成，最外一層為不銹鋼，中間、水下潛艇殼體材料由三層組成，最外一層為不銹鋼，中間為玻璃纖維構成的隔熱層，最里層為鋁，潛艇可以簡化為一圓為玻璃纖維構成的隔熱層，最里層為鋁，潛艇可以簡化為一圓筒，于是筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，分別見圖筒，于是筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，分別見圖1 1、2 2，參數(shù)見，參數(shù)見 表表1 1。求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布?？諝饪?/p>

2、氣海水海水3、鋁、鋁2、玻璃纖維、玻璃纖維1、不銹鋼、不銹鋼鋁鋁不銹鋼不銹鋼玻璃纖維玻璃纖維空氣空氣海水海水R15 feet3/41/411321一、溫度場的有限元求解一、溫度場的有限元求解表表1：潛艇殼體材料的各項參數(shù)：潛艇殼體材料的各項參數(shù)幾何參數(shù)幾何參數(shù)熱導率熱導率Btu/hBtu/h ftft F F邊界條件邊界條件筒外徑筒外徑30 ft30 ft不銹鋼不銹鋼8.278.27空氣溫度空氣溫度7070 F F總壁厚總壁厚2in2in玻璃纖玻璃纖維維0.028 0.028 海水溫度海水溫度44.544.5 F F不銹鋼層壁厚不銹鋼層壁厚0.75 in0.75 in鋁鋁117.4 117.4

3、 空氣對流傳熱空氣對流傳熱系數(shù)系數(shù)2.5Btu/h2.5Btu/h f ft t2 2 F F玻纖層壁厚玻纖層壁厚1in1in海水對流傳熱海水對流傳熱系數(shù)系數(shù) 80Btu/h80Btu/h ftft2 2 F F鋁層壁厚鋁層壁厚0.25in0.25in筒長筒長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熱流率熱流率

4、heat flow, 熱流密度熱流密度heat flux, 生熱速率生熱速率heat generator,對對流傳熱流傳熱convection 2 2、為一個工業(yè)用煙囪的截面圖，煙囪所用材料為混凝土，其熱、為一個工業(yè)用煙囪的截面圖，煙囪所用材料為混凝土，其熱導率導率 =1.=1.4W/4W/（m mK K）。假設煙囪內(nèi)表面的溫度恒定為）。假設煙囪內(nèi)表面的溫度恒定為100100，外表面暴露在溫度為外表面暴露在溫度為3030的大氣中。外表面與空氣之間的對流的大氣中。外表面與空氣之間的對流傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)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作業(yè)：作業(yè)：用用ANSYSANSYS有限元軟件分析有限元軟件分析6061Al/SiC6061Al/SiC層合復合材料的溫度場。其結層合復合材料的溫度場。其結構示意圖及尺寸見下圖。材料性能數(shù)據(jù)見表。初始和邊界條件構示意圖及尺寸見下圖。材料性能數(shù)據(jù)見表。初始和邊界條件為：對

6、稱面的溫度分布為為：對稱面的溫度分布為0 0 C C，外表面為，外表面為4040 C C。求其溫度場分布。求其溫度場分布。SiC6061Al對稱面對稱面xyz1/4模型模型349.58.58.5表：材料性能數(shù)據(jù)表表：材料性能數(shù)據(jù)表材料材料類型類型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、結構、力學有限元求解二、結構、力學有限元求解1 1、新型纖維增強熱塑性復

9、合材料、新型纖維增強熱塑性復合材料GrGr/PEEK/PEEK（石墨纖維增強聚醚醚酮（石墨纖維增強聚醚醚酮復合材料）由于其比重低、高工作溫度和優(yōu)越的斷裂韌性，在航空復合材料）由于其比重低、高工作溫度和優(yōu)越的斷裂韌性，在航空航天領域中具有重要的應用。下圖是航天領域中具有重要的應用。下圖是Gr/PEEK0/45-45/90Gr/PEEK0/45-45/902s2s復合材復合材料層合板模型，該模型有料層合板模型，該模型有8 8層，各層厚度為層，各層厚度為h=0.1275mmh=0.1275mm，總厚度為，總厚度為H=1.02mmH=1.02mm，長度為，長度為2a=3.5mm2a=3.5mm，寬度為

10、，寬度為2b=3.5mm2b=3.5mm，且在，且在y y軸方向受外軸方向受外載荷載荷 0 0=1=1 1010-2-2。試對該層合板的層間應力和位移分布規(guī)律進行分析。試對該層合板的層間應力和位移分布規(guī)律進行分析。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作業(yè)：作業(yè)： 一對稱的

11、正方形復合材料層合板（一對稱的正方形復合材料層合板（4545 /-45/-45 ），由），由4 4層單向復合層單向復合材料板疊加而成，材料板疊加而成，材料尺寸：材料尺寸：Lx=0.4m、L y=0.4m、Lz=0.001m 4 ；材料參數(shù)：主模量材料參數(shù)：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。 底端約束固定，于其頂端中央節(jié)點上施以底端約束固定，于其頂端中央節(jié)點上施以-z方向的集中力方向的集中力Fz z= = 100N100N，試對其進行靜力分析。，試對其進

12、行靜力分析。 熱應力分析方法熱應力分析方法 （1 1）在結構應力分析中直接定義節(jié)點的溫度。如果所有節(jié)點溫）在結構應力分析中直接定義節(jié)點的溫度。如果所有節(jié)點溫度已知，則直接定義溫度，節(jié)點溫度在應力分析中作為體載荷；度已知，則直接定義溫度，節(jié)點溫度在應力分析中作為體載荷； （2 2）間接法。首先進行熱分析，然后將求得的節(jié)點溫度作為體）間接法。首先進行熱分析，然后將求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加在結構應力分析中；載荷施加在結構應力分析中； （3 3）直接法。使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時得）直接法。使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時得到熱分析和結構應力分析的結果。到熱分析和結構應力分析

13、的結果。三、熱應力的有限元求解三、熱應力的有限元求解1 1、管道及冷卻柵的材料均為不銹鋼，導熱系數(shù)為、管道及冷卻柵的材料均為不銹鋼，導熱系數(shù)為1.25 Btu/h1.25 Btu/h inin F F，彈性模量為彈性模量為28e6 1bf/in228e6 1bf/in2，熱膨脹系數(shù)為，熱膨脹系數(shù)為0.9e10-5 0.9e10-5 F-1F-1，泊松比，泊松比為為0.30.3，管內(nèi)壓力為，管內(nèi)壓力為1000 1bf/in1000 1bf/in2 2，管內(nèi)流體溫度為，管內(nèi)流體溫度為450 450 F F，對流，對流系數(shù)為系數(shù)為1 Btu/h1 Btu/h inin F F，外界流體溫度，外界流體

14、溫度70 70 F F，對流系數(shù)為，對流系數(shù)為0.25 0.25 Btu/hBtu/h inin F F，求解溫度及應力分布。，求解溫度及應力分布。流體流體空氣空氣2560.25112345678空氣空氣空氣空氣1212創(chuàng)建點的時候，只能在激活坐標系中。在建立較復雜的模型時，可能需要改變工作平面！作業(yè)：作業(yè)：設計、芯片制造、封裝是集成電路設計、芯片制造、封裝是集成電路3 3大支柱。試采用大支柱。試采用ANSYSANSYS有限元軟有限元軟件分析方形扁平電子封裝器件件分析方形扁平電子封裝器件QFPQFP，在循環(huán)溫度載荷作用下的熱應，在循環(huán)溫度載荷作用下的熱應力。其結構示意圖如圖所示，材料參數(shù)及特性

15、見表。力。其結構示意圖如圖所示，材料參數(shù)及特性見表。1XYZ QFP under temperature cyclic loading ! 芯片芯片F(xiàn)R-4板板引線銅引線銅60Sn40Pb焊料表：QFP組件材料參數(shù)材料名稱材料名稱EX/GPaEX/GPaALPXALPX（1/K1/K）PRXYPRXY銅銅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黏塑性模型的材料參數(shù)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焊料隨溫度變化的材料特性溫度/（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）方形扁裝封裝器的有限元模型見圖）方形扁裝封裝器的有限元模型見圖9 9，其中，其中60Sn40Pb60Sn40Pb焊料采焊料采用黏塑性單元用黏塑性單元VISCO108VISCO108，其余采用，其余采用PLANE82PLANE82單元。同樣，對于單元。同樣，對于PLANE82PLANE82單元要改變其屬性為軸對稱；單元要改變其屬性為軸對稱；（2 2）軸對稱面見圖）軸對稱面見圖9 9所示，在確定有限元計算時約束情況時，將所示，在確定有限元計算時約束情況時，將其設為對稱邊界（即加對稱約束）；另外，底部約束為全部約束；其設為對稱邊界（即加對稱約束）；另外，底部約束為全部約束；（3

18、 3）60Sn40Pb60Sn40Pb焊料在工作環(huán)境中，不但產(chǎn)生彈性變形和塑性變焊料在工作環(huán)境中，不但產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，而且會產(chǎn)生明顯的蠕變變形，因此采用形，而且會產(chǎn)生明顯的蠕變變形，因此采用AnandAnand黏塑性本構模黏塑性本構模型來描述焊料的變形行為。型來描述焊料的變形行為。AnandAnand本構模型可以反映黏塑性材料本構模型可以反映黏塑性材料與應變速率、溫度相關的變形行為以及應變率的歷史效應、應變與應變速率、溫度相關的變形行為以及應變率的歷史效應、應變強化和動態(tài)回復等特征。強化和動態(tài)回復等特征。kTQsmAdtdpexpsinhdtdBBBhdtdsa0SSB1nktQAdt

19、dSSexp其中，其中， dtdp 為等效塑性應變率，為等效塑性應變率，Q Q/ /k k為為BoltzmannBoltzmann激活能常數(shù)；激活能常數(shù)；A A為常數(shù)；為常數(shù)； 為應力乘子；為應力乘子； 為等效應力；為等效應力；h h0 0為硬化常數(shù)；為為硬化常數(shù)；為S S的飽和值；為系的飽和值；為系數(shù)；數(shù)；T T為絕對溫度；為絕對溫度；m m為應變率敏感指數(shù)；為應變率敏感指數(shù)；a a為應變率硬化敏感指數(shù)；為應變率硬化敏感指數(shù)；n n為飽和值應變率敏感值。為飽和值應變率敏感值。（4 4）循環(huán)溫度載荷曲線見圖）循環(huán)溫度載荷曲線見圖1010，溫度循環(huán)加載加在全部節(jié)點上。，溫度循環(huán)加載加在全部節(jié)點上

20、。溫度范圍為溫度范圍為-55-55 C C 125125 C C，升、降溫速率為，升、降溫速率為2020 C/minC/min。高、低溫保。高、低溫保溫時間為溫時間為25min25min，循環(huán)周期為，循環(huán)周期為68min/cycle68min/cycle，共進行，共進行2 2個溫度循環(huán)；個溫度循環(huán)；020406080100120-60-40-20020406080100120140時 間 / min溫度/。C(5)(5)分析時應設為瞬態(tài)分析（分析時應設為瞬態(tài)分析（transienttransient）和大變形分析）和大變形分析（large deformationlarge deformatio

21、n）。）。(6)(6)基本步驟：基本步驟： 、加上邊界約束條件，包括對稱邊界條件和全約束條件；加上邊界約束條件，包括對稱邊界條件和全約束條件； 、設置溫度單位（改成攝氏度）、參考溫度；設置溫度單位（改成攝氏度）、參考溫度； 、全選節(jié)點全選節(jié)點 、加載溫度加載溫度 、設置設置Solution CtrlsSolution Ctrls: :大變形瞬態(tài)、時間步增量、子步輸大變形瞬態(tài)、時間步增量、子步輸出設置、斜坡載荷設置出設置、斜坡載荷設置 、定義載荷步定義載荷步 、計算計算注：注： - - 循環(huán)進行循環(huán)進行！ 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、神經(jīng)網(wǎng)絡的四、神經(jīng)網(wǎng)絡的Matlab分析分析1、基于、基于BP網(wǎng)絡的鎂合金網(wǎng)絡的鎂合金AZ61B晶粒尺寸、流變應力模型的構建及晶粒尺寸、流變應力模型的構建及仿真仿真鎂合金鎂合金AZ61B高溫壓縮試驗的實際測量數(shù)據(jù)高溫壓縮試驗的實際測量數(shù)據(jù)16組，見下表。其

24、工藝組，見下表。其工藝參數(shù)包括：壓縮變形溫度、應變速率。測量數(shù)據(jù)包括再結晶晶粒尺參數(shù)包括：壓縮變形溫度、應變速率。測量數(shù)據(jù)包括再結晶晶粒尺寸和流變應力。寸和流變應力。變形溫度變形溫度/ C應變速率應變速率/s-1再結晶晶粒尺寸再結晶晶粒尺寸/ m流變應力流變應力/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網(wǎng)絡模型的設計：網(wǎng)絡模型的設計：（1）網(wǎng)格結構）網(wǎng)格結構 本分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡包括本分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡包括3層：輸入層、中間層（隱層）以及層：輸入層、中間層（隱層）以及輸出層。輸出層。 輸入層有兩個節(jié)點，為變

26、形溫度和應變速率。輸出層有一個節(jié)輸入層有兩個節(jié)點，為變形溫度和應變速率。輸出層有一個節(jié)點，為再結晶晶粒尺寸。隱層最佳神經(jīng)元數(shù)為點，為再結晶晶粒尺寸。隱層最佳神經(jīng)元數(shù)為11。整個模型為。整個模型為2-11-1的網(wǎng)絡模型。的網(wǎng)絡模型。（2）傳遞函數(shù)的選擇）傳遞函數(shù)的選擇 本分析中，中間層傳輸函數(shù)選取雙曲正切函數(shù)，輸出層函數(shù)本分析中，中間層傳輸函數(shù)選取雙曲正切函數(shù)，輸出層函數(shù)為線性函數(shù)。為線性函數(shù)。（3）學習算法的選擇）學習算法的選擇 本分析中，算法采用基于非線性最小二乘法的本分析中，算法采用基于非線性最小二乘法的Levenberg-Marquardt（LM）算法。）算法。（4）期望誤差的選取）期望

27、誤差的選取 本分析中，期望誤差直接采用默認值本分析中，期望誤差直接采用默認值0。數(shù)據(jù)的預處理：數(shù)據(jù)的預處理：變形溫度變形溫度/ C應變速率應變速率/s-1再結晶晶粒尺寸再結晶晶粒尺寸/ m流變應力流變應力/MPa1訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.00000.00000.42130.43572訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.33330.00000.57880.19363訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.66670.00000.78280.07494訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)1.00000.00001.00000.00005測試用數(shù)據(jù)測試用數(shù)據(jù)0.00000.01800.33510.62536測試用數(shù)據(jù)測試用數(shù)據(jù)0.33330.

28、01800.47750.31637測試用數(shù)據(jù)測試用數(shù)據(jù)0.66670.01800.66800.15098測試用數(shù)據(jù)測試用數(shù)據(jù)1.00000.01800.87470.03359訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.00000.19840.07190.776610訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.33330.19840.32250.458911仿真用數(shù)據(jù)仿真用數(shù)據(jù)0.66670.19840.46400.265012訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)1.00000.19840.63540.106713訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.00001.00000.00001.000014訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.33331.00000.20520.622

29、415訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)0.66671.00000.33510.381016訓練用數(shù)據(jù)訓練用數(shù)據(jù)1.00001.00000.53560.1848分別歸類如下：分別歸類如下：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 本分析所用權值和閾值本分析所用權值和閾值五、傅立葉和小波變換五、傅立葉和小波變換（1）傅立葉變換示例）傅立葉變換示例(Matl