平台用高强度钢多次补焊及TIG熔修的疲劳分析

海洋石油平台在服役期内，由于受到各种环境载荷的交变作用，其受力的焊接构件不可避免地会出现疲劳裂纹。对出现的疲劳裂纹进行补焊修复，可以延长平台的使用期，带来巨大的经济和社会效益。本文通过实验研究，考察了多次补焊对海洋平台用高强度钢焊接接头疲劳性能的影响，以及是否可以通过TIG熔修工艺的采用提高补焊构件的疲劳寿命，达到延长补焊后平台的使用寿命，减少补焊次数的目的。本文涉及的主要研究内容如下：1、考察了多次补焊对焊接接头疲劳寿命的影响。通过对平台用高强度钢焊接接头初焊试样，以及重复三次补焊试样的疲劳实验，得到了各次补焊试样在对数正态分布和威布尔分布下的寿命估算式和考虑了存活率的R-S-N曲线。对实验结果进行了比较和分析，从而考察了多次补焊对焊接接头疲劳性能的影响。2、在每次补焊后，由于焊趾外移造成了焊趾角的变化，使得焊趾处的应力集中系数发生了变化。本文采用有限元方法计算了试样的应力场分布，得到了焊趾处的应力集中系数与焊趾角的关系。考虑到应力集中系数的变化后，对多次补焊试样疲劳实验的实验数据进行了重新处理。3、考察了多次补焊熔修对焊接接头疲劳寿命的影响。本文通过对平台用高强度钢焊接接头补焊及补焊熔修试样的疲劳实验，得到了多次补焊和补焊熔修试样对数正态分布和威布尔分布下的寿命估算式和考虑了存活率的R-S-N曲线。对实验结果进行了比较和分析，从而考察了补焊后采用TIG熔修工艺对焊接接头疲劳性能的影响。4、一次补焊后进行熔修处理可以极大的改善试样的疲劳性能，提高试样的疲劳寿命。但这一结果是在平焊位条件下得出了。为了将这一结果用于实际，还要考察实际操作中大量采用的立焊位条件下熔修的效果。本文完成了立焊位条件下补焊及补焊熔修试样的疲劳实验，得到了相应的S-N曲线。5、疲劳实验数据的处理中，大量采用威布尔分布作为数据统计的分布类型。但由于威布尔分布具有三个参数，给求解带来一定的困难。本文提出一种以在威布尔坐标纸上，数据分布的线形相关系数作为判据的求解威布尔参数的方法，并通过程序加以实现。为了对疲劳实验数据的处理更加方便和直观，编制了“疲劳实验数据处理程序“，将对疲劳实验数据的编辑、分布参数的求解、不同存活率下的疲劳寿命估算和各种分布类型图以及R-S-N曲线的绘制工作包括在该程序中。

肝脏中生物流体流动的多重介质渗流模型和数值模拟

本文采用生物渗流理论，建立了肝脏内不同生物流体流动的多重介质渗流模型，采用有限元法求解这种特殊的渗流问题，根据数值计算结果揭示了肝内血液、组织液以及胆汁等的流动规律，并探讨了肝脏血流动力学的一些问题。论文将肝脏内部与生物代谢功能有关的肝血窦和窦周间隙当作两重并存的多孔介质，血液在肝血窦中，以及组织液在窦周间隙中的流动均当作渗流处理，通过Starling公式考虑了两重介质之间的流量交换，从而建立了肝血窦-窦周间隙的双重介质模型。针对肝脏胆汁分泌功能，将肝脏内密布的毛血肝管网当作多孔介质，以受静压及渗透压驱动的流体跨壁流动表示肝汁从肝细胞向毛细肝管的分泌，肝汁在毛细胆管网中的流动作为渗流处理，从而建立了肝汁分泌与输运的双重介质模型。采用有限元法求解了生物流体的双重介质渗流问题，针对非牛顿渗流和两重介质的相互作用，本文发展了一种嵌套迭代方法，即采用直接迭代求解血液在肝血窦中的非线性渗流，采用交替迭代解决双重介质渗流中由跨壁流支引起的相互流体交换，直接迭代嵌套于交替迭代中。这种算法比较有效的解决了包含非牛顿渗流的双重介质渗流问题。根据生物多孔介质中微细管系统的构筑方式以及不同微细管系统之间的联系方式，论文提出将生物多孔介质划分为分级多孔介质和多重多孔介质两种主要类型。基于多相混合物的平均化的理论，论文推导了双重多孔介质中的动量守恒方程、质量守恒方程以及相应的渗流方程，建立了双重多孔介质渗流的平均化模型。基于分级多孔介质渗流的理论，论文将脏器中的血管树按管径分为不同级别的多孔介质，各级血管中和血液流动均作为渗流处理，从而提出了计算脏器整体血流的一种渗流方法。采用这种方法，在论文提出的肝血窦 - 窦周间隙双重介质渗流流模型的基础之上，初步研究了肝脏门静脉系统的血液动力学规律。采用本文提出的肝血窦 - 窦周间隙双重介质模型和胆汁分泌 - 流动的双重介质模型，得到了血液、组织液和胆汁在肝小叶中的压力分布和速度分布，并分析了肝血窦壁的跨壁流动模式，胆汁流量的影响因素，以及窦周间隙中组织液流量与肝血窦中血液流动及肝血窦壁渗透系数等因素的关系，揭示了肝脏内血液、组织液及胆汁等生物流体流动的一般规律。

纤维增强复合材料裂纹动态起始行为的研究

本论文主要研究线弹性纤维增强复合材料在冲击载荷作用下裂纹的动态起裂行为。全文共分六章。第一章对裂纹动态起始问题的研究方法和纤维增强复合材料中裂纹动态起始问题的国内外研究现状进行了综述，确定了本论文的主要研究内容和研究方法。第二章用有限元方法研究有限尺度含裂纹纤维增强复合材料板在阶跃冲击载荷作用下的动力响应，分析了裂尖附近的应力分布、应力波在板中的传播和应力强度因子时间历程。第三章根据第二章的计算结果用线弹性简单梁理论和拉格朗日运动方程研究了各向同性材料和纤维增强复合材料中裂纹在阶跃冲击载荷作用下的动力响应和起裂行为，得到了应力强度因子初始上升阶段的数学表达式和裂纹起裂的临界载荷面。第四章提出了用于单向和层合纤维增强复合材料裂纹静态和动态起始预测的拟应力强度因子比准则。该准则将裂纹的起裂和起裂方向的预测合二为一，只需测定材料的四个基本动态断裂韧性，就可据此准则对任意角度单向板中裂纹的起裂和起裂方向进行预测，用于层合板时，还可以对铺层裂纹的起裂顺序进行预测。第五章用SHTB（分离式Hopkinson拉杆）技术对纤维增强复合材料裂纹动态起始问题进行了实验研究。测量了碳纤维增强环氧树脂复合材料板裂纹起裂的I型动态断裂韧性，并首次验证了拟应力强度因子比准则在裂纹动态起裂预测中的合理性。第六章对全文进行了总结，归纳了本论文的主要结论，并展望了今后的研究工作。

丝状加热面池沸腾临界热流尺度效应研究

本文以丝状加热表面上的池沸腾传热现象为主要研究对象，利用地面常重力实验，研究了不同热丝直径、不同过冷度下（(0～40℃）的丝状加热片面FC-72液体和丙酮液体的池沸腾传热特性。 本文利用自主研发的一套可控过冷度池沸腾实验设备，使用纯度为99.99%的铂丝同时作为加热元件和测温元件，加热丝直径分别为0.06mm、0.025mm、0.1mm，长度为30mm。实验采用控制加热电压按阶梯形式增长或下降（时间常数约20s）的稳态加热方式。 实验所得单相自然对流传热数据同Kuehn-Goldstein（1976）换热公式预测结果具有较高的一致性，说明实验设备可靠、实验数据可信。 实验过程中发现，在相同压力条件下，随着过冷度的增加，沸腾传热强化；CHF值在低过冷度时呈线性增加，然后增加趋势变缓。丙酮实验中，0.06mm热丝和0.1mm热丝在低过冷度(2.5～10℃)情况下都出现了从自然对流直接进入双膜态现象，不过，当降低加热电压时，膜态沸腾仍转化为核态沸腾，此时继续增高加热电压，沸腾曲线仍沿常规核态沸腾曲线上升至CHF后，再转换为膜态沸腾。对于同等直径热丝，无论核态沸腾或双膜态沸腾，在丙酮中所产生汽泡尺寸明显偏大。 过冷沸腾中，临界热流随过冷度的增加呈现出非线性依赖关系。在低过冷度线性区，FC-72中实验结果与几种低过冷度线性模型较一致；丙酮中实验结果 随 变化斜率明显高于几种低过冷度线性模型的预测，显示出对尺度的依赖关系。这说明在小Bond数时存在尺度效应对过冷度的影响，即对于小Bond数情况过冷度和尺度效应的耦合作用是非常重要的。 饱和沸腾中，FC-72和丙酮的CHF值随热丝直径的减小而不断增加，其中，FC-72的CHF数值尽管比LD模型预测结果略低，但定性地依然可用LD模型进行描述，尽管相比于LD模型原始的适用范围 已扩大了1~2个数量级；但丙酮的实验数据却远小于LD模型预测结果。综合分析表明，尽管热丝直径相同，但物性的差异使得FC-72和丙酮实验中的数据点分别处于不同的尺度特征区域，反映了小Bond数情形下分区准则的物性依赖性。

脉冲激光离散重熔热物理及组织性能研究

利用OM及FEM研究了铁基合金Nd:YAG脉冲激光熔凝区的几何形态及其变化规律、以及熔凝的热物理过程；利用OM、SEM、TEM、X-射线衍射仪及磨损实验机，研究了两种铁基热模具材料脉冲激光熔凝组织及其时效组织结构，以及熔凝区规则离散分布规律对材料抗磨损性能的影响。在10~5～10~7W/cm~2的脉冲激光平均功率密度范围内，可得到热传导型和深熔型两类强化区，当临界平均功率密度大于5 * 10~5W/cm~2，同时临界激光作用时间大于2ms时，热传导型强休区向深熔型强休区转变。熔化过程中，在熔池中形成上部以对流传热为主，底部以导热为主的传热模式，流场、温度场和压力场均随脉冲激光作用时间变化，最大流速、压力和温度梯度分别可达100m/s、数个大气压和10~(8-9) ℃C/m量级。凝固过程中，固液界面上的最大温度梯度、凝固速率和冷却速度时间和空间位置变化，分别可达10~(8-9) ℃/m量级、10~(-1)m/s量级和10~(7-8) ℃/s量级，其中冷却速度得到实验验证。亚共晶合金铸铁脉冲激光熔凝组织为δ-铁素体与M_3C的层片状共晶组织，还含有部分γ-奥氏体和少量的高碳孪晶马氏体组织，δ-铁素体和γ-奥氏体中均存在高密度位错亚结构。5CrMnMo钢脉冲激光熔凝组织由板条马氏体及少量的孪晶马氏体构成，马氏体中也存在高密度位错亚结构。上述两种组织经高温时效后，仍保持较细的晶粒，并有大量细小均匀弥散分布的碳化物析出，其中铸铁熔凝组织析出M_(23)C_6碳化物，M_(23)C_6可在M_3C/γ-奥氏体相界面或M_3C内部原位形核，亦可在δ-铁素体中弥散析出。两种材料的熔凝组织及其时效组织的显微硬度均明显高于相应的原始组织，也高于激光连续扫描熔凝的结果。脉冲激光规则离散熔凝加工在材料表面形成软硬相间的“原位”功能层，能显著降低裂纹形成的敏感性，提高材料表层的抗磨粒磨损性能，时效后仍具有较好的抗磨损性能。以熔凝强化区直径作为中心间距进行规则离散熔凝处理可使材料表面获得最佳抗磨损性能。

高焓超声速载气的产生

本文所做的工作，是为研究与探索乙烯新工艺－气动加热裂解法制取乙烯作铺垫。其任务是设计并加工一套燃气发生器系统以产生高焓超声速载气。这里所说的载气，其成分实际上就是水蒸气。从化学动力学的角度察看热裂解制取乙烯这一化学反应，为提高乙烯的单程产率，必须为原料气的裂解反应创造所需的高温条件，相应缩短原料气在高温的驻留时间。但是，目前的竖管式裂解炉制取乙烯工艺，由于采用炉管外加热，工艺受炉管的材料、传热等性能的，因此原料气的反应湿度并未达到高乙烯产率所要求的裂解温度，并且反应停留时间过长。在探索如何提高乙烯的单程产率这一问题上，气动加热裂解法可以说是一重要里程碑。新方法提出了一全新概念：让反应气流通过强激波，气流通过激波后由于其温度的急剧升高而发生热裂解。此方法的关键问题是：（1）如何使反应气流产生强激波而进行自加热；（2）如何合理控制反应气流的裂解反应时间，即其驻留高温状态的时间。针对第一个问题，解决的方案是以高焓声速载气（即水蒸气）与反应气流进行混合，以提高反应气流的速度与温度。本文的工作，集中在如何产生高焓水蒸气这一问题上。其主要任务，就是设计与加工一套以氢气与氧气为燃料与氧化剂的燃气发生器系统。本文主要概括论述了其中一的些关键性问题：（1）氢气与氧气的流量与混合比的控制。组合使用稳压阀（或稳压器）与临界流量喷管，以控制氢氧流量及其混合比。（2）燃烧室燃气温度的控制。由于氢氧直接燃烧后产生的水蒸气温度太高；同时乙烯裂解试验方案要求载气温度具有可调节性，这就要求燃气发生器产生的水蒸气其温度在一定范围内可调控。采取的方案是向燃烧室喷入水雾，藉以控制燃气温度。（3）燃烧室压力控制。与燃气的温度必须具有可调节性要求一样，乙燃总体试验方案要求其压力也具有可调节性。采取的方案有两种：首先是调节氢氧配气系统中汇流排的总压值以改变氢氧各自的流量，从而达到改变燃烧室的燃烧压力；其次，调节尾喷管喉道的大小可以达到改变燃烧室压力的目的。（4）点火与燃烧稳定性。采用加热电阻丝的点火方案。实验表明，低压状态（小于10大气压）下氢氧燃烧稳定性没有太大问题。在设计的燃气发生器上，我们分别适当改变了供气参数（主要是压力参数）与尾喷管喉道面积以察看各种工况下燃气发生器的工作情况；测定了燃烧室内燃气的压力参数的改变趋势，并根据燃气的流量与压力对燃气的温度进行了估算，从中得出一些基本结论：（1）尾喷管喉道面积减小时，燃烧室的压力将增大。在未改变氢氧供气来流的情况下，燃烧室压力与尾喷管喉道面积基本成反比关系；同时，随着燃烧室压力的增大，燃气的温度略有所降低。（2）继续减小尾喷管喉道面积，由于燃烧室压力的增大，这将破坏供气系统中临界喷管的临界工作状态，从而改变（减小）氢氧的来流流量、并很有可能破坏氢氧的化学当量配比，这将彻底改变燃气的成分与温度。（3）增加氢氧的来流压力时，燃烧室压力将增大，同时燃气温度也有明显增加；燃烧室压力与尾喷管喉道面积仍然呈反比关系，但两者乘积值将增大。（4）燃烧室压力较小时，燃烧现象有高频的振荡，但压力振幅较小；当尾喷管面积减小而导致燃烧室压力增大时，燃烧振荡将由高频转为低频，同时压力振幅增大。锅炉、卵石床都能产生高焓水蒸气。由于总体方案要求的水蒸气流量小，与其它方法相比，以氢氧燃烧的方法产生的水蒸气，其温度更高、更符合乙烯总体方案的要求，温度、压力等参数的调节方便，而且相对而言设备较为简单，是一种切实可的方案。

水泥回转窑热工控制模型研究及其仿真

水泥回转窑是建材工业发展的方向，我国是水泥生产大国，而国内回转窑与发达国家相差甚大，尤其在热工控制方面。由于水泥回转窑具有时变、分布参数和非线性特性，是一个典型的复杂过程，因而水泥回转窑控制系统是一个很有意义且困难的研究方向，本论文在借鉴国内外同类研究的基础上，提出了模糊专家系统控制模型，进行了深入地研究，并且对该模型进行了计算机仿真，希望通过这项研究，提高我国在水泥回转窑先进智能技术的控制水平。主要研究内容有：对水泥回转窑的热工过程进行了详细分析，对其不同控制方法进行全面的综述，对水泥回转窑实现控制的人工智能方法进行了全面的综述，并介绍了国内外的研究现状；研究了对水泥回转窑控制的模糊控制模型、专家系统设计方法，以及利用模糊控制与专家系统相结合的方法对水泥回转窑进行安全而有效控制的方法：研究了专家系统的实时性问题，提出了静态排列专家系统的推理时间模型、优化排列专家系统的时间估计模型与排列准则；利用计算机仿真方法，实现对水泥回转窑这种复杂而昂贵系统控制进行实验研究，以较低的代价实现对其分析。本论文的主研究成果如下：1. 详细研究了水泥回转窑的技术发展与结构演化过程，分析了水泥回转窑的热工过程以及影响水泥生产的各种因素，总结了影响水泥生产质量的主要因素与次要因素，确定了控制水泥回转窑的主要并且可测量的过程参数。2. 用推理全成方法研究模糊控制模型，实现从模糊的角度研究水泥回转窑的控制：从专家 系统角度研究水泥回转窑的控制问题，并提取了有关的专家系统控制规则；在模糊控制与专家系统的基础上，将水泥回转窑的模糊控制与专家系统相结合，利用层次化的控制器结构，底层为模糊控制器，顶层为专家系统，实现了水泥回转窑的安全与有效控制。3. 从定量的角度研究了专家系统的推理时间问题，给出了三种相应的时间估计模型，这不仅可以分析水泥回转窑系统中的专家系统的实时性，而且也可以分析一般专家系统的推理时间和问题。4. 本文提出的计算机仿真工具，为三组数据分别进行计算机仿真，以此研究水泥回转窑控制策略的性能以及对其动态过程进行分析，为水泥回转窑这样的复杂且昂贵的控制系统研究提供有效的手段。

受冲击的饱和砂土产生裂缝和通道的实验研究

本文首先对饱和砂土在动载荷下的液化、密实和结构破坏等方面做了文献综述，同时也叙述了化工冶金中的液固流态化的有关情况。本文探讨了饱和砂土中产生水平裂缝和纵向通道等现象的机理。为此，进行了扁平砂柱的落锤冲击实验和模拟圆柱落锤冲击实验中产生水平裂缝和纵向通道等现象的底部加压实验。扁平砂柱落锤冲击实验的目的是为了更清楚地观察饱和砂土结构破坏和孔隙水流动的情况，观察纵向通道和水平裂缝的产生和发展，以及水平裂缝和纵向通道之间的联系。为了探讨水平裂缝和纵向通道产生的条件和机理，设计和进行了底部加压实验，用来模拟落锤冲击实验的后期变形和渗流效应，测量出现水平裂缝和纵向通道时的超孔隙水压力和平均水流速度，统计分析采用什么样的参数可以表征水平裂缝和纵向通道的出现及其特性，发现液化指数等于1是出现水平裂缝的必要条件。此外，针对含有细砂层的饱和砂土在该层出现水平裂缝的现象，提出了一个简化模型，推导出砂柱的液化指数一维分布，根据液化指数等于1才能出现水平裂缝，能够说明水平裂缝出现的条件和位置。

柔性加工系统中激光参量的数值化控制及界面设计

激光柔性加工是近几年兴起的一种先进制造技术，它结合了激光加工与柔性制造的特点，有很好的应用前景。在本论文中，讨论了与之相关的课题研究，其中包括：（1）激光器的稳定控制。包括激光器通讯方式的研究，底层驱动程序（VxD）的特点和开发应用，并给出了相关程序的解释。（2）激光器控制程序的开发。包括程序的设计思想、主要模块的功能和激光参数数值化控制的实现。（3）激光柔性加工系统控制软件的开发。包括软件的设计目标、主要功能、模块构成和软件易用性设计。（4）激光加工工艺试验。研究了主要的模具材料经过激光表面强化后粗糙度、材料组织、硬度以及耐磨性等主要力学性能的改善。薄板打筛孔主要分析了激光打孔的优势所在。

非传播孤立波的数值模拟

非传播孤立波是近年来由中国学者发现的一种独特的孤立水波。本文通过数值求解非传播孤立波目前公认的控制方程-Miles导出的一个带共轭项的非线性立方Schrodinger方程，对非传播孤立波进行数值模拟。本文针对非传播孤立波的各种性质，作了大量的数值计算工作，并与实验观察的现象及人们对非传播孤立波的理论研究结果进行了比较和分析。为了得到稳定的非传播孤立波，本文讨论了Miles方程中的线性阻尼系数a的值，计算表明，线性阻尼a对能否形成稳定的非传播孤立波影响很大，在某些情况下，Laedke等人提出的Miles方程的非传播孤立波解的稳定性条件与我们对Miles方程的数值模拟的结果相当一致，a可在满足稳定性条件的区间内取值，但也发现在某些情况下Laedke等人的稳定性条件与我们的数值模拟不完全符合，证明Laedke等人关于非传播孤立波的稳定性条件只是一个必要条件，而不是充分条件。本文研究了两个非传播孤立波的相互作用，数值模拟表明，两个波的作用模式依赖于系统的参数，只有适当大小的外驱动频率和振幅及线性阻尼a可算出两个非传播孤立波周而复始的相互作用现象来，参数不合适时，两个波可能最终合并为一个非传播孤立波而不再分离，也可能彼此不发生作用，保持各自的独立。对不同的初始扰动及其演化的计算表明，要形成单个稳定的非传播孤立波，则初始扰动必须适当，否则扰动可能消失或发展成多个孤立波。关于形成非传播孤立波所需的外驱动条件，计算结果表明，只有适当大小的外驱动频率和振幅可形成稳定的非传播孤立波，数值结果可以描述驱动频率的上限和驱动振幅的上下限，但无法描述驱动频率的下限。我们的数值模拟工作说明Miles方程确实较好的描述了非传播孤立波的物理模型，该方程可以解释许多关于非传播孤立波的物理特性。但Miles方程无法对非传播孤立波的某些实验现象作出解释，因而有待于进一步研究改进。

碳氢燃料超音速燃烧的数值研究

本文对CH_4横向喷入超音速高温空气主流的二维流场进行了数值模拟，对CH_4-O_2的六方程反应模式进行了检验，借以对混合与燃烧过程的现象与机理加以研究，并与单方程反应模型及H_2横向喷射的情况进行了对比。得到了较为理想的结果。本文采用二维雷诺平均全N-S方程进行计算，采用热完全气体模型，用Baldwin-Lomax代数涡粘性湍流模型来模拟湍流效应。假定N_2不参加反应，CH_4-O_2反应机制选取六个基本反应，以及九个组元O、O_2、CH_3、CH_4、OH、CHO、CH_2O、CO和CO_2，应用空间二阶精度Harten-Yee隐式TVD格式，采用化学源项点隐的全隐方法数值求解。本文对多种超音速空气主流及边界条件的工部进行了数值模拟，并对其流场进行了分析。针对工作中出现的问题，提出了对下一步工作的展望。

节理岩体中爆炸效应的离散元数值模拟及实验研究

岩体中爆炸效应的研究主要包括爆炸产生的振动效应和岩体的鼓包运动规律。其力学过程十分复杂，研究的主要困难在于定量描述岩体的结构性质、爆源形式及其与周围岩体相互作用的规律等。在工程应用上关系到如何提高爆破工程的效率，减少爆炸引起的危害及降低对爆炸工程的制约。开展上述相关课题的研究，不仅具有重要的工程意义，也是爆炸力学的前沿工作。 本文取得的主要成果如下： 1. 独立开发了具局部块体细化功能和块体可变形功能的多尺度可变形离散元软件，通过波的传播试验以及与商用软件计算结果的比较，验证了该程序的可靠性和数值计算精度。 2.改进了集中装药和柱状装药的爆源模型，建立了适合爆源附近岩体结构的多尺度计算模型，加强了块体离散元在岩土中爆破分析的实用性。 2.给出了块体离散元中弹簧断裂与能量损耗的关系，并用数值模拟方法得到了岩体中爆源周围细小结构面对爆炸能量衰减的影响规律、爆腔压力的脉动特征，模拟得到了不同岩体材料性质、岩体结构对爆破鼓包运动的规律。 3.实验成功了一种探测地质体结构的方法－可控爆源，这种爆源把炸药放在水中爆破，减少了爆源周围岩体结构对岩体中爆炸波的影响，使得爆炸载荷更为准确，已有的实验结果表明：采用新的爆源能够获得重复性很好的振动图形。 4.通过模型试验和数值模拟研究了弱面结构对爆破振动的影响，给出了弱面附近质点振动的放大效应，通过研究振动衰减规律确定了一定厚度的软弱夹层对爆破振动的衰减系数，为爆破地震波探测地质体结构提供了新的认识和数值研究工具。 5.用可变形块体离散元模型分析得到了茅坪滑坡体上的地质参数和主要的地层结构，给出了材料的弹性模量和泊松比。

电子封装中的不流动芯下材料力学性能和封装可靠性的研究

可控坍塌芯片互连（C4）技术可以实现高速、高密度、小外形的封装，因此日渐得到关注和发展。本文针对发展新一代c4技术所面临的不流动芯下材料的机械性能问题，采用具有不同填充颗粒含量的不流动芯下材料，通过对材料的机械性能的测试和分析以及有限元模拟，初步揭示了不流动芯下材料变形行为的特点，填充颗粒含量对芯下材料机械性能的影响，以及芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的颗粒沉积对封装可靠性的影响。首先在差示扫描量热仪（DSC）、热一力学分析仪（TMA）上对材料的固条件、热膨胀系数、玻璃化转变温度进行了测试，接着又在六轴微型试验机上对材料在不同温度和应变率下的应力一应变行为进行了测试。测试结果表明，所用材料的固化条件和玻璃化转变温度可以满足不流动芯下材料的性能要求，材料的热膨胀系数高于芯下材料理想的热膨胀系数值，材料中填充颗粒含量、温度、应变率等对材料的应力一应变行为有重要的影响。为了解芯下材料中填充颗粒含量对机械性能的影响，对不同颗粒含量材料在各测试温度和应变率下的杨氏模量、屈服强度和流动应力进行了对比和分析。结果表明，在各测试条件下，芯下材料的杨氏模量基本随着颗粒含量的增加而升高；温度较低时，材料的屈服强度随颗粒含量的增加而升高，但是，较高温度时，材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量的增加呈现先升高后降低再升高的变化趋势。为理解芯下材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量非单调变化的行为，采用广义Eshelby等效夹杂法对含颗粒试样在单轴拉伸时试样内的应力分布进行了分析，并用纳米硬度计对材料纳米尺度的性能进行了测量。应力分析的结果表明，不流动芯下材料的SiO2填充颗粒的加入会在基体里引起应力集中，应力集中系数随着颗粒含量的增加先升高后降低，试样内的应力集中有使材料屈服强度降低的趋势。纳米硬度计的测试结果表明，芯～卜材料内形成了性能介于颗粒Z基体之间的界面相，界面相的形成有使芯下材料屈服强度提高的趋势。芯下材料屈服强度随着填充颗粒含量的非单调的变化是应力集中和界面效应藕合作用的结果。温度和应变率是影响芯下材料机械性能的重要因素。为刻画温度和应变率的效应，采用Pe化yna模型描述材料的应力一应变行为。结果表明，Per叮na模型可以拟合材料应变率相关的应力一应变行为，描述不流动芯下材料应力一应变曲线的基本趋势，对材料在测试范围外的行为给出较合理的预测，并且Perzyna模型可以很方便地用于ABAQUS中，这将易于工业应用。最后，采用商用有限元程序AB AQus分析了芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的填充颗粒沉积对C4封装可靠性的影响。结果表明，在芯片／基板的缝隙中填入芯下材料可以显著延长可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命，提高封装可靠性，可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命随着芯下材料中填充颗粒含量的增加而增长；芯下材料中填充颗粒在C4封装基板侧的沉积将导致封装焊点的热疲劳寿命缩短，而颗粒在芯片侧的沉积则可使焊点的热疲劳寿命稍稍延长。

陶瓷晶须增强铝基复合材料初始段性能预测

本文利用挤铸造方法结合热压的方法制备了Al_(18)B_4O_(33)w/Al和SiCw/Al复合材料，实现了对增强体取向的调整。利用SEM在位观测、MTS宏观拉伸等实验方法研究了复合材料的细观结构、细观损伤演化规律和材料的宏观性能。通过理论分析、数值计算，结合实验的方法，定量地讨论了材料性能和其微观结构参数之间的关系，定性地总结了短纤维增强金属基复合材料的细观损伤演化规律。经过分析和实验，阐明了热挤压对短纤维增强金属基复合材料增强体空间取向性（取向密度）的影响；讨论了在短纤维增强金属基复合材料中宏观应变和基体、增强体应变的关系；并且进一步研究了密排、多取向群体短纤维增强体的应变，在材料处于弹性和塑性阶段的演化规律；提出了利用增强体轴向应变和材料宏观应变在该方向的分量之比值λ_f来描述增强体增强效果，给出了λ_f在材料承载过程中的演化规律；总结了短纤维增强金属基复合材料的性能（弹性模量）和晶须空间取向之间的关系；利用修正了的混合定律比较好地预测了短纤维增强金属基复合材料的弹性模量；并且进一步预测了短纤维增强金属基复合材料的弹塑性性能。

可压平面混合层稳定性分析及数值模拟

可压平面混合层是包含复杂多时空尺度运动的非定常流体力学部问题，具有深刻的理论意义和广泛的应用背景。针对该问题所涉及内容的多面性，本文的目的是，基于高精度、高分辨率数值算法的构造、发展和数值行为分析，采用线性稳定性分析和直接数值模拟方法。从理论和计算两方面集中研究压缩性效应、粘性效应、初值效应以及燃烧反应放热效应等对可压平面混合层早期稳定性行为和大尺度拟序涡结构非线性演化的影响。以混合层已有研究成果的分析和综述为开端，论文主体共包括四部分：第一部分是可压平面混合层时间/空间模式数值线性稳定性分析。实现了高精度对称紧致差分格式（SCD）对可压粘性扰动线性稳定性边值问题的求解，对导出的线性和非线性离散特征值问题，提出了两个高效局部解法。研究涉及二维/三维扰动波、无粘/粘性扰动波、特征函数和特征值谱、第一/第二模态、超声速快/慢模态、速度比和密度比等。验证了对流Mach数Mc为一个合理的压缩性参数。指出压缩性效应和粘性效应对最不稳定扰动波的波数（频率）和增长率呈相拟的抑制作用，且时间模式稳定性分析结果在许多方面是可信的。从随机和线性扰动场出发，采用高精度五阶迎风紧致和六阶对称紧致混合差分算法（UCD5/SCD6）对可压平面混合层的稳定性特征进行了直接数值模拟，揭示了初始主导线性扰动与一些实际涡结构非线性作用形态间的内在关联，印证了线性稳定性分析方法的合理性和有效性。第二部分是高精度迎风紧致差分格式（UCD）时空全离散数值行为分析。导出了其一维/二维一般色散表达式。研究表明，UCD格式在高波数区具有内在的全离散耗散和色散特性；其数值群速度的快/慢特征可因CFL数不同而改变；在稳定CFL数下简单附加人工粘性可强化UCD格式在高波数区的耗散量；提高时间精度可放宽稳定CFL数限制；UCD格式的二维全离散色散介质中存在三个不同性质的数值波，其全离散稳定性由数值声波主控。第三部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对空间发展可压平面混合层的直接数值模拟。通过亚谐扰动波的个数和扰动频率的控制，捕捉到了基频涡的饱和、一次和二次对并等现象，显示了大尺度涡结构与入中初始扰动方式之间的内在联系。利用参数Mc观察了压缩性效应对大尺度涡空间演化及其相互作用的影响。第四部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对非预混扩散火焰化学反应平面混合层的直接数值模拟。研究指出，放热效应可抑制和延迟涡的形成，使基频涡卷拉伸甚至丧失，混合层Reynolds 应力ρu'v'和流向速度波动关联项u'v'下降，以致涡结构与外流动量交换和标量输运减少，脉动输运能力被削弱，从而混合效率、产物生成率和混合层增长率下降，放热主要通过膨胀效应和斜压效应来抑制大尺度涡的演化。