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薄膜结构变形传递机制及对其电阻影响研究

薄膜结构变形传递机制及对其电阻影响研究

作者：陈鸿程兰州大学

学位级别：硕士

随着微电子工业和薄膜技术的兴起,薄膜结构广泛应用于电子工业、航空航天、医疗器械、仿生器件等领域。由于所处的实际应用环境之复杂、结构和功用的不同,薄膜结构在工作过程中会受到拉伸荷载作用,导致附着在基底上的薄膜发生变形分叉,... 详细信息

随着微电子工业和薄膜技术的兴起,薄膜结构广泛应用于电子工业、航空航天、医疗器械、仿生器件等领域。由于所处的实际应用环境之复杂、结构和功用的不同,薄膜结构在工作过程中会受到拉伸荷载作用,导致附着在基底上的薄膜发生变形分叉,薄膜结构也会因其横向机械性能的不足而发生脱层,进而引起其电阻的增大。因此,揭示由于拉伸分叉和脱层行为所引起的薄膜结构电阻变化机制成为了亟待解决的科学基础问题。本硕士论文针对单轴拉伸作用下的薄膜结构拉伸分叉和脱层行为,建立了揭示其变形机制的理论模型,并以此为基础,进一步研究了薄膜结构拉伸分叉和脱层对其电阻的影响。首先,基于电阻定律,建立了薄膜电阻拉伸分叉演化模型。该模型从薄膜拉伸分叉行为出发,研究了均匀变形阶段和局部化变形阶段下薄膜几何参数随应变的变化。同时,通过考虑薄膜表面以及薄膜中存在的晶粒晶界对导电电子的散射作用,研究了薄膜电阻率的微观电子散射效应。综合以上力学变形和微观电子散射两部分的影响,揭示了薄膜拉伸分叉行为对其电阻的影响机制。然后,基于层间剪切刚度模型,通过建立变形传递理论模型来研究了薄膜结构的脱层行为。该模型可以量化弹性和塑性状态下各层材料内的应力应变分布和层间剪切应力的分布,计算层间位移差以及应变传递率,进而计算薄膜结构的机械剪切强度。为了进一步研究薄膜结构脱层行为对其导电性能的影响,以高温超导带材为例,采用结合了Ekin幂律公式和Weibull分布函数的唯象模型来预测了超导带材的临界电流退化,并采用E-J指数本构模型计算了高温超导带材的等效电阻。综上所述,本文针对薄膜结构电阻在拉伸分叉及脱层行为下的演化规律开展了较为系统的研究,为预测薄膜结构的导电性能退化提供了理论依据,进而为优化其设计提供建议和参考,从而保障薄膜结构的安全服役,实现其工作状态的有效控制。

关键词：薄膜结构超导带材拉伸分叉变形传递薄膜电阻临界电流

平面薄膜结构耦合动力学特性研究与无量纲分析

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振动工程学报 2022年第2期35卷 495-502页

作者：张月从强刘荣强史创郭宏伟林秋红哈尔滨工业大学机电工程系黑龙江哈尔滨150001 北京空间飞行器总体设计部北京100094

利用固定界面的模态综合法建立了平面薄膜结构耦合动力学模型,精确得到了薄膜结构发生耦合振动的临界条件,分析了其耦合动力学特性。结果表明,与薄膜结构耦合基频有关的参数主要有薄膜预应力、框架弹性模量、截面惯性矩、长宽比、边长... 详细信息

利用固定界面的模态综合法建立了平面薄膜结构耦合动力学模型,精确得到了薄膜结构发生耦合振动的临界条件,分析了其耦合动力学特性。结果表明,与薄膜结构耦合基频有关的参数主要有薄膜预应力、框架弹性模量、截面惯性矩、长宽比、边长、框架横截面积、框架密度、薄膜密度和薄膜厚度。当薄膜预应力小于临界值时,薄膜结构的振动由薄膜来主导,当薄膜预应力大于临界值时,薄膜与框架发生耦合振动,此时薄膜结构的振动特性由薄膜与框架共同影响,并且随着薄膜预应力的增大,薄膜与框架发生耦合振动的阶数也随之增多并会出现振型顺序后移的现象。对薄膜结构的动力学特性进行了无量纲分析,推导了薄膜结构的小尺寸模型和大尺寸实物之间的相似准则。

关键词：薄膜结构耦合振动模态综合无量纲分析相似准则

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薄膜结构的屈曲与振动特性研究

薄膜结构的屈曲与振动特性研究

作者：张锦莱哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

薄膜结构以其质轻、柔性及可功能化的优点,可以制成能够高效折叠和可靠展开的空间充气展开结构。空间充气展开结构重量轻,包装体积小,降低了研究和制造的成本。由于薄膜结构抗弯刚度很小,在外部载荷作用下有明显的大变形特征,容易发生... 详细信息

薄膜结构以其质轻、柔性及可功能化的优点,可以制成能够高效折叠和可靠展开的空间充气展开结构。空间充气展开结构重量轻,包装体积小,降低了研究和制造的成本。由于薄膜结构抗弯刚度很小,在外部载荷作用下有明显的大变形特征,容易发生屈曲失稳,产生褶皱。褶皱的存在会影响薄膜结构的面形精度和稳定性,进而对薄膜结构的动力学特性造成影响。因此,研究薄膜结构的屈曲及其对振动特性的影响规律具有重要意义。本文以圆环薄膜结构作为研究对象,围绕屈曲和振动问题展开研究。通过数值计算、试验测试、理论分析,掌握薄膜结构的屈曲与振动特性研究方法,获得不同工况下薄膜结构的临界屈曲载荷和屈曲褶皱构型,探寻褶皱对薄膜结构振动特性的影响规律。通过数值计算研究了圆环薄膜结构在中心扭转载荷作用下的屈曲与振动特性。通过屈曲分析确定了各阶临界屈曲载荷及相应的屈曲模态。基于直接扰动法对含缺陷的圆环薄膜结构进行非线性屈曲分析,得到不同中心扭转载荷作用下的褶皱构型。此外,研究了圆环薄膜结构参数（内外径比、弹性模量、厚度）对临界屈曲载荷的影响规律。通过对屈曲前和屈曲后的圆环薄膜结构进行模态分析,得到了屈曲对圆环薄膜结构振动特性的影响规律。采用基于数字图像相关技术的非接触式测量方法,对圆环薄膜结构的屈曲及振动特性进行了试验研究。得到了圆环薄膜结构在中心扭转载荷作用下的屈曲褶皱构型及屈前屈后振动模态,与相应的数值分析结果进行对比,对存在的误差给出了解释。利用数值计算方法对两种增强方向不同的极正交各向异性圆环薄膜结构进行了屈曲分析,与各向同性圆环薄膜结构的临界屈曲载荷及屈曲模态进行对比,找到了一定的规律。通过非线性屈曲分析,对比了在某一确定载荷作用下极正交各向异性圆环薄膜结构与各向同性圆环薄膜结构的屈曲褶皱构型的异同。此外,对屈曲前和屈曲后的极正交各向异性圆环薄膜结构进行模态分析,与各向同性圆环薄膜结构的屈前屈后振动频率、模态进行对比,验证了规律的一致性。通过理论分析研究了圆环薄膜结构在中心扭转载荷作用下的屈曲起皱。对极正交各向异性圆环薄膜结构的扭转剪切起皱进行分析,给出无量纲形式的屈曲控制方程。以各向同性圆环薄膜结构为例,用有限差分法对圆环薄膜结构的临界屈曲载荷及面外褶皱构型进行求解。通过MATLAB求解并仿真得到圆环薄膜结构的面外褶皱构型,与试验测试结果进行比对,结果基本一致。

关键词：薄膜结构屈曲振动特性褶皱

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薄膜结构的动力反应分析

振动与冲击 2011年第6期30卷 109-113页

作者：乔磊谭峰杨庆山北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京建工集团有限责任公司国际工程部北京100055

基于动力分析的Newmark法和非线性分析的全Newton-Raphson迭代法,编制程序进行薄膜结构的非线性动力反应分析;利用主应力-主应变判别准则确定褶皱区域并采用修正本构矩阵法考虑局部褶皱引起的物理非线性;通过案例分析总结了薄膜结构振... 详细信息

基于动力分析的Newmark法和非线性分析的全Newton-Raphson迭代法,编制程序进行薄膜结构的非线性动力反应分析;利用主应力-主应变判别准则确定褶皱区域并采用修正本构矩阵法考虑局部褶皱引起的物理非线性;通过案例分析总结了薄膜结构振动形态的波动性和非线性特点;分析了马鞍形薄膜结构在风荷载作用下的动力反应,讨论了膜材褶皱对薄膜结构动力反应的影响。

关键词：薄膜结构褶皱分析动力分析自振特性风荷载

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空间增阻薄膜结构研究进展及关键技术

机械工程学报 2020年第13期56卷 156-164页

作者：彭福军恽卫东耿海峰上海宇航系统工程研究所上海201108 上海市空间飞行器机构重点实验室上海201108

概述空间碎片的严峻形势和碎片减缓领域未来趋势,梳理国内外小卫星星座计划,介绍卫星离轨规范问题最新进展;提出空间增阻薄膜结构技术因成本低、技术成熟度高,对不同规格低轨道类航天器具有很好适用性,最易于推广应用于空间碎片减缓;对... 详细信息

概述空间碎片的严峻形势和碎片减缓领域未来趋势,梳理国内外小卫星星座计划,介绍卫星离轨规范问题最新进展;提出空间增阻薄膜结构技术因成本低、技术成熟度高,对不同规格低轨道类航天器具有很好适用性,最易于推广应用于空间碎片减缓;对空间增阻薄膜结构技术国内外发展现状进行梳理,并提出空间增阻薄膜结构主要关键技术,对增阻薄膜结构构型设计技术、长寿命材料技术、折叠展开技术和低成本设计技术等进行分析。分析表明,未来星座计划迅速发展将进一步加剧空间碎片严峻形势;现有的碎片减缓规则不能满足要求,新的规则将很快推出,对增阻离轨薄膜结构技术提出了迫切需求;目前空间增阻薄膜结构的主要关键技术都取得了突破,并已完成搭载验证,具备用于卫星离轨的条件。

关键词：空间碎片离轨薄膜结构

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薄膜结构流固耦合的CFD数值模拟研究

计算力学学报 2012年第6期29卷 873-878页

作者：孙晓颖武岳陈昭庆哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090

基于弱耦合分区求解策略,在Compaq Visual Fortran6.5环境下搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的CFD数值模拟平台。程序采用模块化编程思想,主要包含几何建模、流体分析、结构分析和数据交换四个模块。其中几何建模模块采用自行编制的膜... 详细信息

基于弱耦合分区求解策略,在Compaq Visual Fortran6.5环境下搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的CFD数值模拟平台。程序采用模块化编程思想,主要包含几何建模、流体分析、结构分析和数据交换四个模块。其中几何建模模块采用自行编制的膜结构找形分析程序,流体分析模块采用经过二次开发的计算流体力学软件FLUENT6.0,结构分析模块采用自行编制的膜结构动力分析程序MDLFX;在数据交换模块中,编制了基于薄板样条法的插值计算程序,以实现流固交界面上不同区域网格间的数据传递问题,编制了基于代数法和迭代法的动网格变形程序,以实现流固耦合运算中的动网格更新。基于该软件平台,对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行了流固耦合数值模拟,验证了方法的有效性。

关键词：薄膜结构流固耦合 CFD数值模拟

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薄膜结构基于附加质量的振动特性分析

薄膜结构基于附加质量的振动特性分析

作者：王靖义哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

薄膜结构具有发射体积小、重量轻、展开可靠性高等优点,在航空航天领域有着广泛的应用,其在运行时主要受到的载荷为轨道维持时所产生的脉冲载荷、进出地影产生的热量导致变形产生的载荷。本文在国内外对薄膜结构研究的基础上,研究附加... 详细信息

薄膜结构具有发射体积小、重量轻、展开可靠性高等优点,在航空航天领域有着广泛的应用,其在运行时主要受到的载荷为轨道维持时所产生的脉冲载荷、进出地影产生的热量导致变形产生的载荷。本文在国内外对薄膜结构研究的基础上,研究附加质量对薄膜结构振动特性的影响。首先,在满足薄膜结构基本假定的条件下,通过理论分析,得到了方形薄膜以及圆形薄膜自由振动的理论解,通过有限元分析软件Abaqus计算理论分析模型,证明仿真方法的正确性。研究了施加预应力的两种方式,分别为施加边载荷与施加温度载荷,将两种施加预应力的方式计算出的振动频率与理论解进行对比。薄膜结构的应用有多方面,处于不同高度的薄膜航天器,空气对其振动特性有着显著的影响,利用流固耦合的基本原理以及有限元分析中的CEL分析方法,研究了空气对薄膜结构振动特性的影响。其次,由于影响薄膜结构振动频率的主要因素为刚度和质量,所以本文重点研究这两个方面。薄膜结构由于具有大柔性,本身没有刚度,所以需要施加一定的预应力来提供刚度,但是薄膜具有定量的拉伸强度,不能对薄膜施加过大的预应力,防止发生塑性变形甚至破坏,本文提供了一种方案,即在薄膜结构上添加局部增强条机构,可以选择质量轻但拉伸强度大的材料,通过对其施加预应力并改变了局部厚度来有效提高薄膜结构的局部刚度,并可以通过局部增强条的排布方式对振动频率进行控制。附加质量块对薄膜振动频率也有影响,本文研究了等质量附加质量块的形状及面积对薄膜振动频率的影响,可以对薄膜振动频率进行一定的控制。最后,通过试验利用数字散斑法得到薄膜振动的振型图及时间-位移曲线,利用FFT计算出薄膜振动频率,验证了仿真分析的准确性。附加质量可以很好的控制薄膜振动频率,结构简单,质量轻,控制效果好,具有广阔的应用前景。

关键词：薄膜结构附加质量振动特性有限元数字散斑法

面向海洋静冰压力监测的薄膜结构光纤Fabry-Perot传感器设计与性能分析

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通信学报 2019年第4期40卷 43-48页

作者：黄梦醒李宇航王冠军刘建勋严璐王隆娟海南大学信息与通信工程学院海南海口570228 海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海南海口570228 中北大学信息与通信工程学院山西太原030051

海冰是重要的自然灾害之一,针对静冰压力监测需求,首次提出一种基于光纤Fabry-Perot传感器的静冰压力测试新方法。结合膨胀辅助放电方法,制备了一种薄膜结构的高灵敏度光纤Fabry-Perot压力传感器,并采用金属管/PDMS/AB胶组合方法对传感... 详细信息

海冰是重要的自然灾害之一,针对静冰压力监测需求,首次提出一种基于光纤Fabry-Perot传感器的静冰压力测试新方法。结合膨胀辅助放电方法,制备了一种薄膜结构的高灵敏度光纤Fabry-Perot压力传感器,并采用金属管/PDMS/AB胶组合方法对传感器进行了封装。在此基础上,研究了–15℃～0℃之间静冰融化和冻结过程中的内部应变变化特性。实验结果表明,所制备的薄膜结构光纤Fabry-Perot压力传感器在静冰压力监测中具有良好的灵敏度。所研究内容对远距离分布式海洋静冰特性监测具有一定的参考价值。

关键词：光纤Fabry-Perot传感器静冰压力监测薄膜结构膨胀辅助放电

薄膜结构健康监测系统和自修复材料的应用现状

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工业建筑 2014年第9期44卷 126-130,36页

作者：吴杰王俊浙江大学建筑设计研究院有限公司杭州310028

大跨度薄膜结构由于积雪、台风和冲击等恶劣荷载条件而大量破坏,有必要研究适用于薄膜结构的健康监测技术。从薄膜结构独特的力学特性和施工工艺出发,明确其监测需求、技术难点等,分析黏贴于薄膜基材的传感器和无源无线传感技术,用于构... 详细信息

大跨度薄膜结构由于积雪、台风和冲击等恶劣荷载条件而大量破坏,有必要研究适用于薄膜结构的健康监测技术。从薄膜结构独特的力学特性和施工工艺出发,明确其监测需求、技术难点等,分析黏贴于薄膜基材的传感器和无源无线传感技术,用于构建大表面积薄膜结构的新型健康监测系统。针对薄膜结构在服役中出现的小型损伤,介绍自修复薄膜材料的最新研究成果,以实现自我修复功能和薄膜结构的智能化提供参考。

关键词：薄膜结构健康监测传感器无源无线传感技术自修复材料