基于振动数值模拟的铜薄膜疲劳损伤修复研究

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据统计,80%以上的断裂事故都是由金属疲劳引起的,其中,广泛使用的多晶铜薄膜的疲劳问题已成为制约其在MEMS器件中长期服役可靠性的主要因素。为了提高金属材料的疲劳强度,相关学者提出了多种材料疲劳损伤修复愈合方法,其中振动处理由于具有操作简单、经济性好和效果显著等优点,在金属疲劳损伤修复方面将有广泛的应用前景,因此有必要深入研究振动处理对疲劳性能的影响。  本文基于振动处理修复铜薄膜缺口件的试验,通过ANSYS有限元分析的方法,研究了振动处理铜薄膜修复疲劳损伤的最优参数,最后给出了振动参数与损伤修复效果的定量关系。  首先,冲压25μm厚的铜薄膜缺口试件,利用MMT-11N微机械疲劳试验机系统测定铜薄膜缺口试件S-N曲线和本构关系,然后预制疲劳损伤程度为50%的铜薄膜缺口试件。  其次,利用ANSYS软件建立铜薄膜缺口件有限元分析模型,结合材料的非线性特性,模拟损伤试件的损伤程度;分别对试件进行模态分析、谐响应分析和瞬态分析,模拟振动处理参数对疲劳损伤修复效果的影响;分析不同处理参数下损伤试件的应变场。分析结果表明:在两端加载和中间部位加载两种加载方式下,中间加载的方式损伤试件处理后其缺口处塑性应变较小;随着振动加速度的增大,损伤试件处理后其缺口部位的塑性应变先减小后增大,当振动加速度幅值为6g时,其值相对较小;损伤试件处理后其缺口部位的塑性应变值随着频率的增大先减小至最小值然后增大,当频率为70Hz时,其值较小。  再次,对预制损伤试件进行不同处理参数下的振动处理试验以及剩余寿命疲劳试验,通过数值模拟结果和试验结果对比,研究了加载方式、振动加速度和频率对修复效果的影响规律。结果表明:在180MPa的应力水平下,当采用中间加载,振动加速度幅值为5g和频率为70Hz时,振动处理对铜薄膜缺口件的疲劳损伤修复效果较好,铜薄膜损伤试件疲劳损伤完全愈合。  最后,综合以上研究,通过总结频率和加速度幅值对损伤试件振动处理过程中缺口处塑性应变的影响规律,结合试件的塑性应变与寿命的关系,给出了定量描述振动处理修复效果的经验公式。
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