芙玉宝给你玉一样的肌肤
范文一：连杆的疲劳寿命分析
连杆的疲劳寿命分析
摘要:本文研究了采用有限元分析法对连杆进行疲劳寿命分析的 简要过程,探索了在企业中实施计算机辅助设计的优势和可行性, 对生产实践中类似问题提供了可参考的方法。
关键词:计算机辅助设计 有限元分析 连杆疲劳强度
传统的设计方法,常常使用大量的计算来确定零件的材料、尺寸、 外形和截面形状等,使零件满足强度、刚度和疲劳强度的要求。这 种验证零件是否满足力学要求的过程,就是在解决零件结构问题。 零件的结构一直是零件设计中的重点。一个成功的结构设计不仅是 让零件是满足力学要求, 还要使结构合理、 质量轻、 用料省。 另外, 某些零件的还要满足导热、散热的需求。因此在设计中常常消耗较 较多时间对零件的力学和热力学性能进行计算和试验。
对于较复杂的零件,对其强度、刚度的校核是十分困难的,传统 的经验估算法无法保证准确性,特别是疲劳损坏,即使是制造出了 物理样机进行试验,也很难在短时间内得到可靠的结果数据。因此 必须借助新的方法来解决企业中遇到的类似问题。
由于结构的强度、成本、寿命、可靠性的要求不断提高,结构强 度和寿命评估就变得越来越重要。要进行计算和评估,经常需要参 照有关的理论、方法、行业上规范及材料的数据,而这些理论、方 法、资料大都是大量实验、工程实践归纳出来的,国外将这方面的 研究成果编制成软件,如 creo 的 mechanica 模块。
某种小型内燃机的连杆如图 1所示。需要计算此零件是否满足疲
范文二：影响疲劳寿命的因素
影响橡胶疲劳寿命的因素
一环境条件
环境影响在疲劳过程中特别是在长寿命的橡胶材料中起着关键作用。橡胶应力-应变关系和疲劳老化性能发展的方式在很大程度上依赖于材料的温度以及橡胶成分周围化学反应物的存在和浓度
A温度
升高的温度对橡胶形核寿命和疲劳裂纹增长速率产生有害的影响，这种有害影响在无定形橡胶中表现的最为明显，对于纯的丁苯橡胶处于可控测试中，随着温度从0?到100?，疲劳寿命化降低10000倍，而对于纯的天然胶而言，在相同条件下，疲劳寿命降低4倍。填料的加入可能降低对温度的依赖性。在疲劳裂纹增长测试中类似的影响可能被观察到。
上述温度的影响与由于老化或进一步教交联所发生的化学变化无关。温度对这些化学过程的速率产生很大的影响这种影响能够在升温或长时间内导致附加分解。温度实际对长期行为地影响程度取决于配方设计;固化剂，抗氧化剂等这些因素以后讨论。
B臭氧
在一个长期的疲劳测试中，有臭氧存在很大程度上会增大裂纹的增长速率和缩短寿命。由于应力集中，弹性体网链在裂纹尖端很容易与臭氧反应，臭氧与主要聚合物分子链的碳-碳双键发生反应引起断链。
当瞬间的能量释放速率超过一个小的起点，就会发生由于臭氧袭击而引起的裂纹增长，这个起点由Gz表示，Gz通常比机械疲劳起点T更小，Gz的值恨得程度上取决于配方设计，特别是抗氧化剂和抗臭氧剂存在。对于没有加入任何这
2些物质的橡胶来说， Gz = 0.1J/m，当有抗臭氧剂存在时，Gz会增大10倍或更
2多，相比较而言，机械疲劳起点大约为T = 50 J/m ，臭氧看起来不影响机械疲劳起点的值，其他化学物质能够以一种类似臭氧的方式侵袭橡胶。Gent和Mrath研究了在一个很大的范围内温度对臭氧增长速的影响。两个物理量被发现可以控制列为裂纹增长率da/dt，在玻璃化转变温度附近裂纹增长速率是与v温度成比例的，而与臭氧无关。在足够高的温度下(Q-Tg >100?)，裂纹增长速率完全依赖于臭氧浓度而与温度无关。总的裂纹增长速率由下列方程式近似的给出
已提出R与反映臭氧分子影响弹性体网络链在裂纹尖端的弹性网络分子链。t
据认为，R与粘弹性行为有关，在网络链断裂以后，通过有限的时间需要重新2
分配裂纹尖端应变。
C应变
氧气至少以两种方式影响机械疲劳行为。首先在氧条件下机械疲劳裂纹增长起点值要比在真空下低。其次，氧气溶解或扩散在橡胶中可能随时间延长会导致大部分弹性体网络结构发生化学变化，这个过程通常被称为氧化老化。氧化老化会引起脆化和降低疲劳裂纹增长。
甚至对那些以前没有暴露在空气中的橡胶样品又氧气的存在在一定的能量释放速率条件下也会增加疲劳裂纹增长速率。从能量释放速率需要维持一定的裂纹增长速率的角度来看，这个结很容易被描述。对于未填充的天然胶，在低的能量释放速率下，在相同的疲劳裂纹增长速率下，在空气中的能量释放速率大约是真空能量释放速率的一半。但是在较高的能量释放速率下有无氧气以变得不十分重要，而主要依赖于测试频率。在较低的频率下，区别会维持在较高的能量释放速率，影响的重要性取决于聚合物的类型。Gent和Mrath比较了NR，SBR，BR在静态下与同期负荷下，在空气与真空中的裂纹增长速率。他们观察到由于氧的存在疲劳裂纹增长速率仅增长了两个数量级，对SBR和BR来说在空气和真空中可观察到差别8个数量级。在一次有氧气氛下，然后再把氧去掉，然后再在有氧气氛的实验中，他们证实了氧对疲劳裂纹增长速率的影响是可逆的。在这次试验中裂纹增长速率被观察到先增大，然后降低，然后在增大到初始水平。与氧的存在和不存在相对应。
氧的老化作用不可逆的改变了橡胶的机械性能。通常情况下，老化会使橡胶变脆，疲劳裂纹增长加快，降低临界断裂能，且使疲劳寿命降低。老化可以影响Power-Law和裂纹成纹关系的斜率和截距。随着弹性体的老化对应力有更高的敏感性。Blackman和Mcall研究了老化的不同时期对天然胶疲劳寿命的影响。他
们发现吸收样品重量1%的氧时导致疲劳寿命降低2个数量级。老化的影响主要依赖于配方和加工的多变性，以下将进行讨论。
二 橡胶配方
橡胶工程的一个独特方面就是可以通过改变组成配方和加工过程能够得到高范围的机械性能。我们所知道的影响疲劳行为的配方有橡胶类型，填料的类型和种类，抗氧化剂，抗臭氧剂，交联剂的类型和数量。加工过程通过各组分的分散程度交联程度以及裂纹产生原始位置的存在和性质来影响疲劳行为的。 , 橡胶类型
聚合物类型影响疲劳行为的许多方面。聚合物是存在表现应力结晶是一个主要的考虑因素。就像以前所讨论的，在合适或高应力水平下，应力结晶对疲劳行为产生有利的结果。如想与能够对环境影响的敏感程度有所降低。不存在应力结晶的聚合物，在同期性负荷下，连续的裂纹增长是显著的。表现为应力结晶的聚合物例如有天然橡胶，异戊橡胶，氯丁胶，顺丁胶，丁基橡胶，丁腈橡胶，丁丙橡胶。橡胶弹性体的类型和应用的论述Hamed 已经给出。由于在合成橡胶中得到宽系列的性能是可能的，所以除了高度简单或标准的配方外，很难给出某一聚合物在特定应用中的结果代表。Lake和Lindley关于8种填充和非填充的聚合物类型的疲劳裂纹增长行为的结果被展示在图表中，Power-law疲劳裂纹增长固定不变是由于Young，4种填充天形体和它们的应用在表格1种给出。从这些数据中能够看出，表现应力结晶的橡胶有一个较低的疲劳裂纹增长指数F，再高能量释放速率下由于其他弹性体。在低应力下，丁胶优于丁氰橡胶，丁苯胶优于天然橡胶。图6页展示了顺丁胶在低能量释放速率下也表现优越的行为，再高释放能量速率下可以看出，弹性体类型的不同可以解释裂纹增长速率所占据的两个数量级。在低能量释放速率下，不同点看起来会少一些，Young的结果可以看出关于能量释放速率的Power-law 指数，可以通过不同聚合物的类型并用来一定程度上得到控制。
B 填料
在橡胶混合物中加入炭黑有明显的补强作用，并依赖于填料的类型以及所占的体积分数。在一定体积分数下，低结构的炭黑度明显优于高结构的炭黑度，且较高比表面积也是有利的。填料对疲劳性能的影响归因于多种机理。包括:1填料的刚度和滞后性能导致明显的变化;2裂口的橡胶填料组分的不均匀导致裂口不锋利，有偏差以及分歧:3填料粒子的附聚作用导致有效的起始缺口航次村的增加。当基于相同的能量释放速率进行比较，最理想的填料量可以比较得出，即最小的
裂纹增长速率(最高疲劳寿命)。低于理想体积分数时，随着体积分数的增加，逐渐提高的增强作用的分散性导致疲劳寿命提高。对于高理想的体积分数时，有效起始缺口尺寸的增加抵消了其他的得到的，导致了总体上疲劳寿命的降低。基于Auer 的数据，在丁苯橡胶中HAF炭黑的理想填充量为每100份的橡(按重量)需30-60份的炭黑。Lake和Lindley对具有三种不同填料体系(一种为不加填料，一种为50phrN900，另一份加50phrN300)的8种聚合类型展示在图表6中。可以看出加入炭黑的弹性体相对不加炭黑的弹性体来说总体上降低了裂纹增长速率。增长的程度很大程度上依赖于炭黑的类型。较细级别的炭黑产生更大的提高。相应的影响(填充弹性体优于为填充的弹性体，较细级别的炭黑优于较粗级别的)可从图表6中看出。
由于填料的体积分数对混合物的硬度有很大的影响，所以考虑是否这种应用在位移控制和负荷控制或介于某个范围之间是重要的。在位移控制下，最小的复合物硬度(例如用较少的填料)使能量释放速率达到最低限度，得到最大疲劳寿命。但是在负荷控制下，最小的复合物硬度能增大能量释放速率，导致短的疲劳寿命。由于硬度的不同，对聚合物不同的有效比较，不仅能解释疲劳寿命的不同，而且能结识能量释放速率的不同。
C 抗降解剂
抗降解剂被夹道橡胶聚合物中，能部分的避免氧化和臭氧的老化作用。在一
些情况下，加这些作用物几乎能够和在真空操作下是等效的。不同的作用物依赖
于不同的机理阻止化学反应降解，在橡胶中石蜡迁移到橡胶表面，再弹性体和空气中的降解剂之间提供一个物理障碍。其他降解剂通过与降解剂或其他要求完成降解反反应的物质发生化学反应而起作用。有效的抗降解剂对材料性能作用和用处的全面调查需要对聚合物有一定的细节性了解。这超过了这次评论的范围。对于感兴趣的读者，我相信Scott的评论应该可以提供一个有帮助的起点
D 交联剂
交联剂被用在热固性弹性体中，在邻近聚合物键之间产生共价键或交联键，在很大的程度上交联键的密度决定了橡胶的物理性能。高交联度能够提高硬度降低滞后作用。存在一个最佳的交联密度导致最长的疲劳寿命。由于补强的竞争作用，交联键数量的增加以及由于滞后现象消耗能量的能量降低而使疲劳寿命达到最高点在交联过程中形成的交联键类型对疲劳性能也有一定的影响。多硫键优于单硫键和碳碳双键。多硫键的优越性在于主要弹性体网链C-C破坏之前交联键的破坏和随后重新形成的能力这种机制导致增加裂纹尖端钝化和滞后作用的能量消耗。
再一次说明聚合物不同的有效比较不仅说明了疲劳性能不同，而且说明了能量释放速率的不同。聚合物硬度对能量释放速率有直接影响。主要依赖于这种作用是否取决负荷控制和位移控制。
一定的环境因素对疲劳寿命有一定的影响。通过他们对交联状况的影响，辐射就是一个例子。
阳谷一中2014—2015学年第二学期阶段测试
高二政治试题
第I卷 选择题(共70分)
一、 选择题(本大题共50小题，1-40每小题1.5分，共60分;41-50为附加题，每小题1分，
共10分。在每小题列出的四个选项中，只有一项是最符合题目要求的。) 1(2014年10月13日，法国教授让?梯若尔(Jean Tirole)因其对市场力量和管制的研究分析获
得诺贝尔经济学奖。从哲学角度看，经济学家的这一研究成果 ( )
A(提供了认识世界的根本方法 B(源于经济学家对经济活动的观察和思考
C(构建了主观见之于客观的桥梁 D(是对自然知识的概括和总结
2(美丽的花朵，五颜六色。世界上有黑色的花朵吗,有人说，没有，因为至今从未见过黑色的花。
下列说法与这种判断方式一致的是 ( )
?世界是一团永恒的活火 ?万物皆备于我 ?事物是理念的影子 ?世界是不可认识的
A(?? B(?? C(?? D(??
3(“日往则月来，月往则日来，日月相推而明生焉;暑往寒来，寒暑相推而岁成焉。”这是《易
传》中的观点。该观点主要体现了 ( )
?世界的本原是物质 ?运动是无条件的、永恒的、相对的
?运动是事物的固有属性和存在方式 ?认识到事物处于运动变化之中
A(?? B(?? C(?? D(??
4(爆发于非洲的埃博拉疫情以其蔓延速度快、死亡率高震惊了世界，世界卫生组织也集中力量加
快对此疫情的研究，经过不懈努力，2014年10月科学家终于发现了对抗埃博拉病毒的抗体。
上述材料说明( )
?思维和存在具有同一性 ?思维能够直接创造存在
?思维对存在具有促进作用 ?世界上没有不可认识之物，只有尚未认识之物
A.?? B(?? C(?? D(??
5(以下选项能够正确反映唯物主义三种基本形态演进顺序的是( )
?存在就是被感知 ?原子是世界的本原，原子的属性就是物质的属性 ?世界是一团永恒的活火 ?物质是标志客观实在的哲学范畴
A(????? B(????? C(????? D(????? 6(马克思主义哲学的产生，开启了无产阶级和全人类的解放事业。之所以这样说，是因为马克思
主义哲学( )
?确立了科学的实践观 ?是科学之科学 ?实现了实践基础上的科学性和革命性的统一 ?吸收了合理的自然科学和哲学成果
A.?? B(?? C(?? D(??
7.传统的横版中国地图沿经线分割，地图呈东西方向，给人的错觉是中国东西长、南北短，同时
南海诸岛是以插图形式表现，读者无法全面直观地认识中国全图。湖南地图出版社采用中科
院专家设计的“广义等差分纬线多圆锥投影方法”，沿纬线分割，绘制出的竖版中国地图更
具直观性，海域展现更完整。从哲学上看，这表明( )
?地图绘制技术的发展对认识活动产生重要影响 ?作为测绘结果的地图是对陆域海域的能动反映 ?沿纬线分割方法比沿经线分割方法更具优越性 ?越具直观性的东西越能揭示事物的内在规律性
A.?? B(?? C(?? D(??
8(唐山市南湖改造前曾是垃圾成山、杂草丛生的采煤沉降区，该市经过多次考察论证，决定用绿
色植物的生态功能彻底改善下沉区的生态环境，经过多年的治理改造，南湖如今成为独具特
色景观的森林公园。唐山南湖“化腐朽为神奇”的嬗变充分说明( )
?人的意识活动具有自觉选择性和创造性 ?人的意识是沟通物质与精神世界的桥梁 ?人们的科学观念是成功改造事物的基础 ?人们能够在正确意识的指导下改造世界
A(?? B(?? C(?? D(??
9(网上曾经流传一个帖子，“世界排名前十位的奢侈品”不是什么名表豪车，而是生生不息的信
念、点燃他人希望的精神特质等。其理论依据在于( )
?理想、信念具有直接现实性的特点 ?高昂的精神使人振奋，萎靡的精神让人颓废
?意识对人的生理活动具有决定作用?发挥意识的主观能动作用，有利于获得成功
A(?? B.?? C.?? D(??
10(燃料电池具有能量转化效率高、零排放无环境污染等渚多优点。然而，燃料电池中的核心部
件“质子传导膜”存在燃料渗透等难题，极大地限制了燃料电池的大规模应用。最近中德荷
科学家的研究表明，质子可以较为容易地“穿越”石墨烯和氮化硼等二维材料，从而解决了
燃料渗透的问题。这表明 ( )
?人们的认识能力始终受到实践能力的制约?科学研究成果始终是检验认识真理性的标准?认识决定于实践并指导实践活动的开展 ?认识在实践基础上不断推翻已确定的真理
A(?? B(?? C(?? D(??
11(20世纪70年代，以青草鲢鳙为主的亚洲鲤鱼被引入美国，用于清除池塘中泛滥成灾的藻类和
其他植物，以改善生态环境。但随着数量的增加，亚洲鲤鱼已经向美国五大湖蔓延，对当地
生态造成巨大威胁。从哲学的角度看，这说明( )
?规律是客观的，不能人为地干预生物的生存环境和条件
?联系是具体的，不能人为地改变自然界固有的生态平衡
?发展是永恒的，要认识到事物的量变必然引起事物的质变
?矛盾是普遍的，要用对立统一的观点看待外来物种的引进
A.?? B(?? C(?? D(??
12.爱因斯坦曾经说他相信有上帝，但是相信的不是一个人格化的上帝。他不满意玻恩和海森伯对量子性质随机性和不可精确预期性的诠释，说了一句名言:“上帝永远不会掷骰子。”对爱因斯坦世界观的正确理解有 ( )
?爱因斯坦否认物质世界存在着规律性 ?爱因斯坦倾向于世界具有统一性 ?爱因斯坦相信客观世界受规律支配 ?爱因斯坦没有清晰一致的世界观立场 A.?? B(?? C(?? D(??
13(巴西科研人员通过反复研究，在实验室中培育出具有特定,,,序列的蛛丝蛋白，进而制作出世界上首条人造蛛丝。这种人造蛛丝不仅具有弹性好、韧性大等优点，还能够生物降解，未来有望在纺织材料、医疗和飞机船舶制造等领域得到应用。人造蛛丝的成功研制说明( )
?人可以根据主观需要创造出新的具体的物质形态
?人能够通过实践将观念中的存在变成现实的存在
?发挥主观能动性是科学研究获得成功的必要前提
?离开了对规律的尊重主观能动性就不能发挥作用
A(?? B(?? C(?? D(??
14(一直以来人们对彗星充满无限遐想。为了解彗星的形成、进化和结构等，欧洲航天局于2014年11月通过“罗塞塔”号探测器向彗星“67P,丘留莫夫,格拉西缅科”彗核成功发射着陆器“菲莱”。对彗星的科学探测活动将进一步佐证( )
?人类的好奇、兴趣和遐想是推进有关彗星认识的直接动力
?现代科技和探测手段的发展推动有关彗星认识的深化发展
?严密的逻辑和精心的准备能确保彗星探测实践的如期成功
?实践发展提出的客观需要是推进有关彗星认识的根本动力
A(?? B(?? C(?? D(??
15.《五子十童图》是以人为题材的共生画，画中画了一群活泼可爱的儿童，
只有五张脸、五双手、五双脚，故称“五子”。但通过身体部位的相
互借用，却可以数出姿态各异的“十童”。关于共生画，下列评析正
确的是( )
?构造画面需要立足整体，把握各要素之间的有机联系
?欣赏画作需要欣赏者发挥意识能动性，自主建构画面
?画的创作要敢于突破人体结构规律，匠心独运、巧妙设计
?审美趣味因人而异，画面的内涵取决于欣赏者的审美取向
A(?? B(?? C(?? D(??
16.古语云:“流丸止于瓯臾(意为瓦器)，流言止于智者。”流言之所以止于智者，主要是因为
( )
A. 流言是对客观事实歪曲错误的反映 B. 智慧是检验流言正确性的唯一标准
C. 主体对外部世界的反映具有能动性 D. 智者善于透过事物现象把握其本质 17(**主席指出:“亚洲各国就像一盏盏明灯，只有串联并联起来，才能让亚洲的夜空灯火
辉煌。”**以“明灯”比喻亚洲国家，寄语各国只有加强互联互通建设，才能共同编织
和平、富强，进步的亚洲梦。这表明我国( )
?在事物的固有联系中把握和改造事物 ?以美好意愿为基础建立与各国的具体联系
?看到了任何两个事物之间都有着联系 ?掌握和运用系统优化的方法实现最佳效果
A(?? B.?? C.?? D.??
18.一位领导同志在谈到“一把手”应当是什么样的人时说，干部总有更替，任职总有期限，但一
个地区科学发展的总体方向不能变，科学规划的基本思路不能变，应保持工作的连续性和稳
定性，每一位领导干部都应该有“功成不必在我任期”的境界。这一认识的哲学依据是( )
?要果断地抓住时机促成质变 ?要学会具体问题具体分析
?事物的发展是一个量的积累过程 ?物质世界是绝对运动和相对静止的统一
A(?? B(?? C(?? D(??
19(人类正从IT(Information Technology)时代走DT (Data Technology)时代。IT是以我为主，
方便我管理，DT是以别人为主，强化别人，支持别人。DT思想是只有别人成功，你才会成功。
由IT到DT，这是一个巨大的思想转变，会带来技术的转变。这表明( )
?矛盾具有同一性，矛盾双方在一定条件下相互转化
?看问题的角度决定了事物之间的界限和本质的差别
?人的思想观念只有反映了事物的本质才具有创造性
?世界是普遍联系的，我们要用联系的观点看问题
A(?? B(?? C(?? D(??
20.某市从2011年10月起在当地医院部分科室率先试行“先住院后付费”诊疗服务模式。 试行期
间未发生过一起逃费、欠费的情况。在总结试行经验的基础上，该市从2014年8月起，在全市
二级以上医院推行“先住院后付费”模式。该市上述做法的辩证法依据是 ?矛盾同一性和斗争性在一定条件下可以相互转化?矛盾普遍性和特殊性在一定条件下可以相互
转化?矛盾普遍性寓于矛盾特殊性之中 ?矛盾特殊性通过矛盾普遍性表现
A. ?? B. ?? C. ?? D. ??
21、中国古人说“钉子缺，蹄铁卸，战马蹶;战马蹶，骑士绝;骑士绝，战事折;战事折，国家
灭。”这说明:( )
A(事物是由量变引起质变的 B(事物是普遍联系的
C(事物是变化发展的 D(事物的本质是由现象表现的 22、画家通过对水、墨等物质材料的加工、组合，创作美术作品，表现个人内心世界。这表明，
美术作品的创作是( )
?创造物质材料新的必然联系来表现人的内心世界?建立系统和要素之间的有机联系，赋予作品以精神内涵?建立物质材料之间的具体联系，以表现内心世界的主观联系 ?依据物质材料的固有联系，建立作品与内心世界的具体联系
A(?? B(?? C(?? D(??
23、《人民日报》载文指出，多头管理，个别部门为了眼前利益，竭泽而渔，非法捕捞，当地群
众在实地过度放牧，造成了东洞庭湖国家级自然保护区鸟类急剧减少，湿地濒危。上述事实说
明( )
A(事物的联系是普遍的客观的 B(人类的活动是自然界存在和发展的基础
C(任何两个事物之间都是相互联系的 D(矛盾双方绝对的相互转化
24(巴以冲突爆发后，有分析人士认为，人性决定思维，态度决定一切。犹太人与阿拉伯人的生
活观与世界观就决定了，这是对立的双方。“人性决定思维，态度决定一切。”这句话从唯物
论角度看，有其不合理之处，是因为:( )
A(违背了意识决定物质 B(违背了物质第一性、意识第二性
C(没有做到具体问题具体分析 D(违背了客观规律
25(人们能够利用木料制出桌椅来，体现了人们可以改变自然物的具体形态，使自然物人工化。
但是，自然物人工化的基础与前提是:( )
A(人是自然界长期发展的产物 B(人本身是客观存在的自然物
C(人有动物所没有的制作能力 D(客观存在的自然物及其属性
26、“一个和尚挑水喝，两个和尚抬水喝，三个和尚无水喝，”这一故事说明:( )
A(部分离不开整体，整体具有部分没有的功能，在认识事物和处理问题时，必须学会从整体上把握事物的联系
B(关键部分对整体功能的发挥，在一定条件下甚至起决定作用
C(整体由部分构成，整体功能发挥离不开部分
D(整体功能小于部分功能之和
27(下列观点包含实践是认识的基础的有: ( )
?近水知鱼性，近山知鸟音;?冰冻三尺，非一日之寒;?没有调查就没有发言权;?百
闻不如一见;?学习如逆水行舟，不进则退
A(??? B(??? C(??? D(???
28、“寒江雪柳日新晴，玉树琼花满目春。历尽天华成此景，人间万事出艰辛。”该诗蕴涵的主
要哲理是( )
A(发展是前进性和曲折性的统一 B(矛盾的主要方面决定事物的性质
C(矛盾普遍性与特殊性的相互结合 D(严冬过去就是春天的到来 29(2008年8月8日，北京奥运会开幕式期间，共在北京21个作业点持续发射了1104枚火箭弹，
实现了奥运史上首次成功的人工消雨。实施人工消雨作业表明:( )
?人们可以认识利用规律造福于人类;?发挥主观能动性是尊重客观规律的基础;?人们可
以发挥主观能动性利用规律; ?规律是客观的，不以人的意志为转移
A(?? B(?? C(?? D(??
30(当今，各地城市建设除了追求“人文、生态、宜居”的目标，还注重展现个性魅力、地方特
色和时代气息。这种城建思路体现的哲理是( )
A(思维与存在的关系 B(矛盾普遍性和特殊性的关系
C(主要矛盾和次要矛盾的关系 D(矛盾主要方面和次要方面的关系 31(“从一个较长的历史时期来说，改革会使人人受益”，但“改革不是一首田园诗，它伴随着
眼泪和痛苦”。这两句话包含的哲学道理主要是:( )
,(量变是质变的前提和必要准备，质变是量变的必然结果
,(事物的发展是前进性和曲折性的统一
,(矛盾的主要方面规定事物的性质
,(矛盾的双方在一定条件下相互转化
32(一头驴子又渴又饿，在它面前等距离放着一束干草和一桶水，因为驴子不能确定先喝水还是
先吃干草，结果死于饥渴，这就是法国哲学家布里当提出的著名的论点——“布里当的驴”。
回答:“布里当的驴”给我们的哲学启示是: ( )
?正确发挥主观能动性，寻求最优目标;?抓住时机，促成事物的飞跃;?坚持一切从
实际出发，及时作出取舍 ?认识的最终目的在于指导实践活动
A(?? B(?? C(?? D(??
33(一些地方以建设和谐社会、维护社会稳定为由，压制群众上访。这种做法从哲学上讲
A(是回避矛盾掩盖矛盾的做法 B(违背了矛盾普遍性与矛盾特殊性的辩证关系
C(违背了主次矛盾的辩证关系原理 D(违背了主观必须符合客观的道理
34(民间俗语寓意深远、代代相传，凝聚着广大劳动人民的智慧。“到什么山上唱什么歌”、“看菜吃饭，量体裁衣”这两句话蕴涵的哲学道理是( )
?矛盾中的两个方面既相互对立，又相互统一 ;?具体分析矛盾特殊性是正确认识矛盾的重要前提;?矛盾的普遍性与特殊性是具体的历史的统一;?离开对具体矛盾的具体分析就不能正确解决矛盾
A. ?? B. ?? C. ?? D. ??
35(iPhone手机一上市，就掀起了人们的抢购热潮，除了打电话外，人们还可以利用它宽带上网、视频通话、玩网络游戏、收发邮件、传输音像、收看网络电视等。这说明 ( ) A(人们可以根据自己的需要创造新的事物
B(必须创造规律促使现有事物的变化发展
C(新事物对旧事物的否定是肯定中有否定
D(人们可以创造一定条件建立多样性联系
36(美国前总统林肯在总结自己的人生经验时说:“一个不犯错误的人通常不能成就任何事业。我的经验使我相信，没有缺点的人往往优点也很少。”这句话蕴含的哲理是:( ) A(任何矛盾都有主次方面 B(矛盾双方是对立统一的 C(分清主次才能正确认识事物的性质 D(人生就是成功与失败的总和 37(下表是我国汽车消费税率调整的情况:
车 型 排 量 税 率 前后对比
小于1.5L(含),1.0L未变，1.0—1.5L的降2%3% 乘用车
1.5L—2.0L(含) 5% 1.5L—2.0L的未变 (含越野车)
2.0L—4.0L(含) 9%—15% 2.0L—4.0L涨1%—7%
表中所反映的对不同排量汽车税率的调整，体现的哲学道理是:( ) A(看问题要分清主流和支流 B(具体问题具体分析是正确解决矛盾的关键 C(认识具有反复性和无限性 D(矛盾的普遍性要求我们坚持全面的观点 38(现代家居设计中，最能体现设计感的往往是部分而非整体，一个“点睛之笔”的创意设计往往能让人眼前一亮，并能迅速提升整个居室的层级。这表明 ( ) A(整体和部分相互区别，整体统率着部分，部分服从整体
B(整体与部分相互制约，关键部分的功能会影响整体的功能
C(整体和部分相互转化，关键部分会发挥整体的功能与效果
D(整体与部分相互联系，部分的作用往往大于整体的作用
39(绿色GDP的核心就是发展不仅要关注经济指标，而且要关注人文指标、资源指标和环境指标。
发展决不能“一条腿短，一条腿长”和“吃祖宗饭，断子孙路”。这说明:( )
?做工作必须树立整体观念和全局思想;?看问题要坚持全面的观点;
?要坚持两点论与重点论的统一;?矛盾的主要方面对事物发展起决定作用
A(?? B(?? C(?? D(??
40(老子云:“图(打算)难于其易，为大于其细;天下难事，必作(开始)于易，天下大事，必作
于细。”这句话蕴涵的哲学道理是 ( )
?一切事物的变化发展都是首先从量变开始的 ?量变是质变的前提和必要准备 ?当量变积
累达到一定程度时，必然引起质变 ?质变是量变的必然结果
A(?? B(?? C(?? D(??
41(宋代禅宗大师青原行思曾提出参禅的三重境界:参禅之初，看山是山，看水是水;禅有悟时，
看山不是山，看水不是水;禅中彻悟，看山还是山，看水还是水。其中蕴涵的哲理是:
( )
?获得理性认识才是认识的最终目的;?认识是不断发展的;?认识是主体对客体的能
动反映;?认识是主体创造客体的过程
A(?? B(?? C(?? D(??
42(培根说:“读史使人明智，读诗使人聪慧，数学使人精密，哲学使人深刻，伦理学使人有修养，逻辑学使人善辩。”这表明:( )
A(事物内部都存在矛盾 B(矛盾双方各有其共同之处
C(矛盾在其发展的不同阶段各有其特点 D(不同事物的矛盾各具特点 43(嫦娥工程第一步:绕，即发射我国第一颗月球探测卫星，实现首次绕月飞行;第二步:落，
即发射月球软着陆器，并携带月球车进行探测;第三步:回，即发射月球采样返回器，表面
软着陆采样，将样品带回地球。与“嫦娥工程三步走”体现的哲理一致的选项是 ( )
A(不积跬步，无以至千里 B(己所不欲，勿施于人
C(问渠哪得清如许，为有源头活水来 D(人有悲欢离合，月有阴晴圆缺 44(“穷则变，变则通，通则久”“终日乾乾，与时偕行”的观点与“道之大原出于天，天不变，
道亦不变”的观点，反映了:( )
A(唯物论与唯心论的对立 ,(唯物论与辩证法的统一
C(辩证法与形而上学的分歧 ,(唯心论与形而上学的联系
唐诗《泾溪》“泾溪石险人兢慎，终岁不闻倾履人。却是平流无石处，时时闻说有沉沦。” 据此回答4,—4,题。
45(这首唐诗所包含的哲学道理主要是:( )
A、矛盾双方各向自己相反的方向转化 B、事物发展是前进性与曲折性的统一
C、矛盾是事物发展的根本动力 D、事物发展是量变与质变的统一 46(下列成语与材料中唐诗的哲学内涵相一致的是:
A、声东击西 B、居安思危 C、循序渐进 D、画蛇添足 47(苏轼在《琴诗》中写道:“若言琴上有琴声，放在匣中何不呜,若言声在指头上，何不于君
指上听,”诗中琴、指头、琴声三者之间的联系表明 ( )
A、事物与事物之间是有区别的 B、系统和要素是可以相互转化的
C、整体具有部分所不具有的功能 D、整体功能总能大于部分功能之和 48(有这样一道数学题:90%×90%×90%×90%×90%=59%。它告诉我们，一项工作做到90%已经很不错了，但经过环环相扣的一系列过程结束后，“很不错”的90分最终带来的结果町能是59分——一个不及格的分数，这就是过程控制效应。这启示我们( )
?质变是量变的结果，要重视量的积累;?要抓住时机，实现事物的质变;?要注重系
统内部结构的优化趋向;?要立足整体，发挥整体统率作用
A、? B、?? C、?? D、??
49(生活在我国长江流域的中华鲟被誉为“活化石”。2009年10月4日，我国某研究所在世界上
第一次成功实现了中华鲟全人工繁殖。这是人类在保护这一濒危物种过程中取得的重大技术
突破，具有里程碑意义。从联系观来看，人工繁殖中华鲟的成功说明 ( )
?离开了人为事物的联系，自然事物的联系就不能实现;?认识事物的本质联系，能引
导事物朝有利的方向转化;?发挥主观能动性，人可以创造有利于实践的具体联系;?离开
了事物的真实联系，主观能动性就不能发挥作用
A(?? B(?? C(?? D(??
50(古城选址都很讲究，一般都依山傍水，城市布局也是依势随形，追求人工与自然的协调。如
泉城济南，南依千佛山，市内泉群广布，汇入大明湖，形成四面荷花三面柳，一城山色半城
湖的独特景观。从哲学上看，城市布局追求人与自然的协调体现了:( )
?发挥主观能动性与尊重客观规律和客观条件的辩证关系;?城市布局要深刻地把握人
与自然的联系;?城市布局要追求各自的个性;?依山傍水是城市选址应遵循的一般规律
A(?? B(?? C(?? D(??
第?卷 非选择题(40分)
二、非选择题
51(情境探究，回答问题。
由美国次贷危机引发的金融危机波及全球以来，引起了全世界人民的普遍关注。我校高二(9)班同学开展了相关探究活动。
情境一: 同学们通过新闻了解到,2008年,对于中国经济社会发展而言是一个极不寻常的年
份,注定要在历史上写下浓重的一笔。不同寻常之处在于,这一年里宏观调控政策取向
从“防过热、防通胀”转向“保增长、控物价”,再进一步转向“保增长、扩内需”。特别是11
月份以后,扩大内需的政策不断出台,从财政货币政策转向到4万亿元投资安排,从解
决企业困难到部署金融促进经济发展政策,从提高部分产品出口退税到调整部分产品关
税,从增值税转型改革到燃油税费改革,速度之快、力度之大、密度之高,历史罕见。 情境二:席卷全球的世界金融危机冲击着世界各国的企业,我国的企业也深受影响。江苏某企业
围绕“如何生存、如何生存得更好"这个主题进行了深入的探讨,找出了一些对策。该企业
负责人说, “我们要不断提高产品的质量,一个产品的质量不是表现在产品的主要部件
上,而是表现在那个产品不起眼的部件上,表现在它的售后服务上。如果细节问题处理
好了,那整个产品的质量就会上一个新台阶。”
(1) 用唯物论与认识论有关知识分析一年来，我国宏观调控政策经历了迅速而大幅度调整的原
因。(10分)
(2) 结合材料，用联系的观点简要解释这段话所包含的哲学道理。(10分) 52( 中科院院士蒋民华写给上海长宁中学学生杨阳的信中有这样一段话,“真正干一番事业,要成才,需千锤百炼。在攀登科学高峰崎岖的山路上,在生活的激流中尤其要经得起失败和挫折的锻炼,才能做到‘有志者,事竟成。希望你们从身边小事做起,处处注意搬炼自己,也从中培养自己的兴趣。干事业如入‘万山圈子,一山方出一山拦’,需要没完没了地攀登。”
材料是怎样体现唯物辩证法的发展观的,(10分)
53( 经过20多年的改革和发展,我国农业和农村经济的发展实现了历史性的跨越,中国人民终于摆脱了农产品长期短缺的困扰,圆了温饱梦。这是一个了不起的成就。但是事物总是在矛盾中发展的,现阶段农业发展又面临着库存增加、农产品增收缓慢的新问题,这一新问题与过去农产品短缺的问题有着本质的区别。从根本上解决这些问题,必须对农业和农村经济结构进行战略性调整,把农业和农村经济发展真正转到以质量和效益为中心的轨道上来,努力增加农民收入。这是现阶段农业和农村经济发展的根本出路,也是当前和今后一个时期农业和农村工作的中心任务。
请回答上述这段论述是如何运用矛盾分析法的。(10分)
阳谷一中2014—2015学年阶段测试高二政治试题参考答案 1--10 BDDCC CACDB 11—20 DCBCA DDBDB 21—30 BDABD CDABB 31—40 BBACD BBBAA 41—50 BDACA BCBBA
51答:(1)?物质决定意识，要求我们坚持一切从实际出发。这一年里宏观调控政策取向从“防过热、防通胀”转向“保增长、控物价”，再进一步转向“保增长、扩内需”，这是我国就进发展过热逐渐向下行，，甚至可能出现通缩这一现实绝决定的。 ?实践是认识的来源和动力。由于全球性金融危机对我国就进发展产生了一定影响，这就促进宏观调控政策也要随实践的发展而不断的变化。 ?真理是具体的有条件的。任何真理都是相对于特定的过程来说的，都是主观与客观，理论与实践的具体的历史的统一。不顾历史条件的变化，不顾过程的推移，真理就会变成谬误。我国的宏观经济政策也一样，应随着经济发展形势的变化而变化。
(2)?事物是普遍联系的，该企业全面分析影响产品质量的各个因素，坚持用联系的观点看问题。?整体和部分是辩证统一的，部分影响整体，关键部分的功能及其变化甚至对整体的功能起决定作用。只有提高产品不起眼的部件、提高产品的售后服务水平，才能使整个产品的质量上一个新台阶。
52. [答案]?唯物辩证法认为，任何事物的发展都是前进性与曲折性的统一，事物发展的方向是前进的、上升的(事物前进的道路是曲折的、迂回的。因此我们既要看到前途是光明的，对未来充满信心，积极鼓励、热情支持和悉心保护新事物的幼芽，促使其成长壮大，又要做好充分的思想准备，不断克服前进道路上的各种困难，勇敢地接受挫折与考验，在曲折的道路上问鼎事物的辉煌。要做到“有志者，事竟成”，尤其要经得起失败和挫折的锻炼。
?“希望你们从身边小事做起，处处注意锻炼自己(也从中培养自己的兴趣。干事业如入‘万山圈子’，‘一山方出一山拦’，需要没完没了地攀登。”这句话包含的哲学道理是:事物的发展都是量变和质变的统一。事物的发展都是从量变开始的，量变是质变的必要准备，质变是量麦的必然结果;质变又为新的量变开辟道路，使事物在新质的基础上开始新的量变。事物的发展就是这样由量变到质变，又在新质的基础上开始新的量变，如此循环往复，不断前进。科学的发展也是如此。
53、?运用一分为二的观点分析我国的农业和农村经济。我国农业和农村经济既取得了解决温饱这一了不起的成就，又面临库存增加、农民增收缓慢的新问题。同时，经过20多年的改革与发展，短缺转化为过剩，这一分析是一分为二观点的运用。
?坚持具体问题具体分析。我国农业不同发展阶段的矛盾各有其特点，解决的方法也不同。解决现阶段农业发展中的矛盾，必须对农业和农村经济结构进行战略性调整，把农业和农村经济发展真正转到以质量为中心的轨道上来，努力增加农民收入。
?善于把握重点和主流，坚持两点论和重点论的统一。分析我国农业和农村经济时，既充分肯定了成绩，又指出了所面临的问题，这样就抓住了发展这一本质及主流;同时还指出了当前和今后一个时期农业和农村工作的中心任务，这样就抓住了我国农业和农村经济发展的主要矛盾，做到了两点论和重点论的统一。
阳谷一中2014—2015学年第二学期阶段测试
高二政治试题答题卷
51.(1)
?
班级: 姓名: 学号:????????????
…………… 密 封 线 内 不 可
答 题 。 1 题 … ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
(2)
52.
53.
范文三：基于疲劳寿命模型的压力容器疲劳分析
基于疲劳寿命模型的压力容器疲劳分析 第35卷第1期
2006年1月
石油化工设备
PETRo—CHEMICALEQUIPMENT
V01.35No.1
Jan.2006
文章编号:1000—7466(2006)01—0034-03
基于疲劳寿命模型的压力容器疲劳分析
王茂廷,刘佳,王莲,钱桂安
(1.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;
辽宁石油化工大学外国语学院,辽宁抚顺113001) 2.
摘要;含缺陷压力客器的疲劳分析是石油化工行业的一个重要课题,通过分析影响裂纹扩展寿命
的多个随机因素及使用疲劳寿命模型,讨论了裂纹尺寸的计算方法.考虑压力容器所承受栽荷,材
料断裂韧度及裂纹尺寸等参数,使用一次二阶矩法和MonteCarlo法,得出了在一定可靠度下的疲
劳裂纹扩展寿命,计算了一定使用寿命时结构的失效概率,比较了不同初始裂纹尺寸对疲劳寿命的
影响.算例表明,此方法可为含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据.
关键词:压力容器}疲劳可靠;蒙特卡罗法l一次二阶矩法
中图分类号:TH49;O346.2文献标识码:A
Fatigueanalysisofpressurevesselbasedonfatiguelifemodel
WANGMao—ting.LIUJia.WANGLian,QIANGui—an
(1.TheSchoolofMechanicalEngineering,LiaoningUniversityofPetroleum
&ChemicalTechnology.Fushun113001.China;2.TheSchoolofForeignLanguage, LiaoningUniversityofPetroleum&ChemicalTechnology.Fushun113001,China) Abstract;Thefatigueanalysisofthepressurevesselsisanimportanttaskinthepetroleum chemicalengineering.Byanalyzingstochasticofeffectonthefatiguecrackpropagationlife,fa—
tiguelifemodelwasused.Thecalculationmethodsforcracksizearediscussed.Consideringthe
randomcharactersoftheloads.materialfracturetoughness.defectsizesandotherparameters,
thefatiguecrackpropagationlifeunderacertainreliabilityandfailureprobabilityunderacertain
lifeareobtainedbyusingthefirstordersecondmomentmethodandMonteCarlomethod.Fa- tiguelifeofdifferentcracksizeswascompared.Anexamplewasusedtoexplainitsapplicationin
reliabilityestimateoffatiguelifeanditsengineeringsignificance.Itwassuitabletotheprobabi—
listicdamagetoleranceevaluationofstructuresincludingallkindsofcracks. Keywords:pressurevessel;fatiguereliability;MonteCarlomethod;thefirstordersecond momentmethod
压力容器一直被广泛应用于能源,石油及运输
等各个行业中.但由于各种原因,在用压力容器中
的一部分设备经常会存在表面裂纹,这些裂纹在疲
劳载荷作用下将继续扩展,造成一定的安全隐患,为
此有必要对存在裂纹缺陷
行研究.
的压力容器的疲劳寿命进
目前,压力容器裂纹的疲劳扩展分析一般采用
断裂力学理论[1]影响压力容器疲劳寿命的因素很
多,而且绝大部分因素都存在着不可确定性,常规的
以定值法为基础的容器设计分析方法,已无法全面 正确地反映这些不确定性.文中以概率论为基础. 使用疲劳寿命模型对压力容器的疲劳寿命进行可靠 收稿日期:2005—07—23
作者简介:王茂廷(1960一).男,辽宁建平人,教授,硕士,研究方向为疲劳,断裂,损伤
及振动,并从事力学教学工作.
第1期王茂廷,等:基于疲劳寿命模型的压力容器疲劳分析 性分析,通过MonteCarlo法和一次二阶矩法对该 寿命模型求解,并将其结果进行了比较.
1压力容器寿命计算及失效分析
1.1疲劳寿命计算公式
在恒幅载荷作用下,疲劳寿命由Paris公式计 算得出:
N:r—一(1)J口oC(fAct?兀口)
式中,n.为初始裂纹尺寸,n一(差),为临界
裂纹尺寸,m;c,D.I为疲劳裂纹扩展系数;f为构件 几何与裂纹尺寸的函数;为应力幅,为最大 应力,MPa~K为材料的断裂韧度,MPa?~/m. 制造,测量甚至计算本身都不可避免地受各种 因素的影响而造成一定的误差.因此,在进行分析 研究时常常将有关的量认为是随机变量[2].式(1) 中的随机变量认定为初始裂纹尺寸a.,系数c,/-n和 应力幅,然后采用MonteCarlo法进行抽样值的 计算,以期研究结果更接近于实际工程.
1.2疲劳失效分析
疲劳失效分析时采用以疲劳寿命作为参数的疲 劳寿命模型,并且结合疲劳累积损伤或者裂纹扩展 理论来进行疲劳可靠性分析,其基本安全裕量方程
式如下[2,43:
M=N.一N(2)
式中,为安全裕量,N0为设计寿命,N为使用寿 命,单位均为循环次数.
其疲劳可靠度尺和结构的失效概率P分别 表示为:
R一P{N.一N?O}(3)
PF一1一R.(4)
1.3模型建立与求解
建立疲劳寿命模型可以采用一次二阶矩法和 MonteCarlo2种方法.
1.3.1一次二阶矩法[5]:
把考虑为随机变景37,027.,…,的函数, 即Ma=f(x1,372,…,37)(5)
式中,37l,372,…,37的均值分别为1,2,…,;方 差分别为.,dz.,….,其中各37互相独立,均值 和方差均为已知.将在随机变量的均值 点展开为泰勒级数,并忽略二阶以上的项,则M^的 均值和方差用下列公式表述:
E(M):,(1,2,…,)(6)
(Ma);==耋(喾).(7)(Ma);==?f1.(7) 已知M|的均值和方差,就可以很方便地进行 可靠性分析.
可靠性系数和结构可靠度R分别表示为: 卢:(8)
R;()(9)
1.3.2MonteCarlo法
应用MonteCarlo法要求首先明确各随机变量 的分布特征,根据分析可知,机械强度推荐选择随机
变量服从正态分布和对数正态分布.通过产生均匀 分布的随机数计算疲劳寿命并比较其对应值所处的 区间号的大小,即可确定构件的失效概率.计算步 骤:?根据a.,a,c,tn和的分布抽样进行变量 抽样.?抽出的变量代人式(1)中计算N.?根据 式(5)判断是否符合N<N..?重复抽样1O次, 统计N<N.的次数为,则可靠度R一n/lO,失 效概率Pf一1一n/lO.
用框图表示的计算疲劳寿命的方法见图1 图1计算流程图
2算例分析
某天然气公司从波兰进口了1台体积3300rft. 的天然气球罐,其公称直径18.6rft,壁厚30mm, 设计压力为1.37MPa,设计温度为5O?,材料为 18CANb钢,[d]=398MPa.油罐在运行中,气体 压力由0.294MPa至1.37MPa,每天波动变化 1次,周而复始地操作运行,在交变应力下形成了低 周疲劳.球罐基本参数计算结果见表1[6].
第35卷第1期
2006年1月
石油化工设备
PETRO-CHEMICALEQUIPMENT V0I.35No.1
Jan.2006
文章编号:1000—7466(2006)01—0036—05 卡箍型快开盲板头盖优化设计及失效风险分析 刘亚丽,杨冬伟,苗一.,谢禹钧
(1.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;2.华东理工大学化工机械研
究所,上海200237)
摘要;利用ANSYS对卡箍型快开盲板头盖关键尺寸进行优化,并结合实际操作工
况,应用Monte
Carlo数值模拟技术对拱形头盖进行了失效风险分析,得到其失效概率.优化后的
拱形头盖体积
与优化前相比减小了34.7,失效概率仅为0.0072,达到了开启便捷且安全可靠的设
计目的.
关键词:盲板头盖;优化设计;有限元分析;失效风险分析 中图分类号:TQ050.3;TB115文献标识码:A 表1低周疲劳的球罐基本参数计算结果
用MonteCarlo法和一次二阶矩法分别计算不 同使用寿命时的失效概率,见图2.
使用~-IxlO'循环次数
图2不同使用寿命时的失效概率曲线
爨
誊
刍
X
嚣
罨
初始裂纹尺寸l/蜘蜘
图3不同初始裂纹尺寸时的疲劳寿命曲线 用MonteCarlo法和一次二阶矩法分别计算可靠 度为99时,不同初始裂纹尺寸的使用寿命,见图3. 3结语
使用疲劳寿命模型对压力容器的疲劳分析比较 直观,该计算模型还可以计算其他元件的疲劳可靠 性.疲劳寿命模型的求解可用MonteCarlo抽样法和 一
次二阶矩法.MonteCarlo抽样法虽然计算量大,
但结果准确,一次二阶矩法求解则更保守,更安全.
参考文献:
[1]DowlingNE.Notchedmemberfatiguepredictioncombing crackinitiationandpropagationEJ3.FatigueandFractureof EngineeringMaterialsandStructures.1979,2(2):129138. E2]杨冰.赵永翔.何朝明.等.考虑概率与置信度的疲劳裂纹扩
展率模型及其参数测定方法[J].机械工程,2004,40(6):
183—187.
E33吕海波,姚卫星.结构元件疲劳断裂可靠性估算方法[J].力学
进展,2000,30(4);538545.
E43罗毅.黄堵彦.刘文埏.裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型研
究[J].北京航空航天大学,2002,28(1);113—115.
[5]WirschingPH.Fatiguereliabilityforoffshorestructures[J]. JournalofStructuralEngineering,ASCE,1984t110(10):2340—
2356.
[6]冯贤桂.3300m.天然气球罐可靠寿命计算[J3.重庆工业高
等专科学校.2000.15(4):19—22.
(许编)
收稿日期:2005—08-13
作者简介:刘亚丽(1979一),女(汉族),辽宁凌源人,在读硕士研究生,从事压力容器
应力分析方面的研究.
范文四：沥青混合料的疲劳试验与疲劳寿命预测
第5卷第6期2008年12月现代交通技术
ModernTransportationTechnologyVol.5No.6Dec.2008
沥青混合料的疲劳试验与疲劳寿命预测
马芹永，吴金荣
（安徽理工大学，安徽淮南232001）
摘
要：采用正弦波荷载对沥青混合料小梁试件的疲劳特性进行了试验研究，并用累积耗散能原理对其疲劳寿
命进行预测。试验结果表明：随着加载应力水平的提高，其疲劳寿命是不断降低的。沥青混合料的耗散能能够较好地反映沥青混合料的疲劳过程，是分析和预测沥青混合料疲劳特性的有效方法。关键词：沥青混合料；疲劳试验；累积耗散能;疲劳寿命预测中图分类号：U416.217
文献标识码：A
文章编号：（2008）1672－988906－0001－03
ExperimentalResearchonAsphaltMixturesandPredictionoftheFatigueLife
MaQinyong，WuJinrong
（AuhuiUniversityofScienceandTechnology，）Huai′nan232001，China
Abstract：Thefatiguebehavioroftheasphaltmixturesbeamsisexperimentedbysinewaveload，andthefatiguelifeispredictedbyaccumulativedissipatedenergytheories.Testresultsshowthatfatiguelifeofasphaltmixturesdecreaseswiththeincreasingofstresslevel.Dissipatedenergycanreflectbetterfatigueprocess，anditisaneffectivemethodtoanalyzeandforecastfatigueproperty.
Keywords：asphaltmixtures；fatiguetest；dissipatedenergy；predictionoffatiguelife
沥青混凝土路面具有优越的路面使用性能，在道路工程中得到了广泛应用。如美国沥青路面所占
［1］
比重为94%，俄罗斯为87%，波兰甚至为100%。沥青路面的疲劳开裂（包括路面反射裂缝问题）是
表2矿料密度试验结果
材料名称表观密度/(g··cm-3)毛体积密度/(gcm-3)吸水率/%2#料3#料4#料矿粉
2.7512.7732.7602.733
2.7102.7212.641
0.550.681.40
沥青路面结构的主要破坏形式之一。因此，研究沥青混合料的疲劳特性对提高沥青路面的使用品质和使用寿命具有十分重要的意义。1
试验概况
1.2
配合比设计
沥青混合料的配合比设计包括矿质混合料配合
1.1材料选择
根据沥青混合料对各种组成材料的技术要求和试验的主要目的，确定试验用沥青为韩国SK70#沥青，其各项技术指标如表1所示。集料为淮南产石灰岩，密度试验结果如表2所示。
表1沥青材料的技术指标
软化点密度沥青种针入度（25℃，延度（5cm/min，
（环球法））/（25℃/
类100g，））5s/0.1mm15℃/cm-3
·℃（gcm）AH-70
75.0
＞100
47.9
1.030
比设计和确定沥青最佳用量2个部分。合理的矿料级配使沥青混合料之间拌和均匀，不致产生离析现象。适量的沥青用量，可以避免混合料疏松或结团现象。
根据沥青混合料的配合比设计要求，最终确定矿质混合料配合比为：2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=32∶
沥青最佳用量为4.8%。25∶42∶1，2.3
试验方法
沥青混合料疲劳性能试验方法可以分为3种
类型：第1种是实际路面在真实汽车载荷作用下的疲劳试验；第2种是足尺路面结构在模拟汽车载荷
基金项目：安徽省优秀青年科技基金（编号04043076）
作者简介：马芹永（1964-），男，教授，博导，主要研究方向为路面结构。
·2·
现代交通技术
表3
温度/℃试件编号
PL1-10
25
PL1-11PL1-12PL2-10
-5
PL2-11PL2-12
2008年
极限应力试验结果
·）极限承载力/kN极限应力（/Nmm-2单个值平均值5.255.0755.1751618.2517.25
17.1675.167
单个值1.5761.5231.5534.85.4755.175
5.151.551平均值
作用下的疲劳试验，如环道试验；第3种是试验室内的小型疲劳试验。由于前2种试验方法耗资大、周期长、应用并不广泛。而室内小型疲劳试验因其费用低而得到大量应用。周期短、
在选择疲劳试验方法时，应该考虑的因素主要有：对现场的模拟程度、试验结果的可应用性、试验方法的简便性和现场修正因素等。
综合考虑以上各因素的影响，疲劳试验采用小梁试件，其尺寸为100mm×100mm×400mm。疲劳试验的试验温度为25℃、-5℃。其中-5℃的养护采用江苏省某仪器厂生产的-40D/160低温养护箱。
疲劳试验采用等幅加载，加载波形为正弦波，为了加快试验速度，在相邻波形之间频率为0.1Hz。
不插入间歇时间。为避免长时间试验可能出现的试件脱空现象，从而对试件产生冲击作用，本试验设置正弦波荷载的最小荷载为最大荷载的2%。而且，在正式试验开始前，以最小荷载对试件进行预加载，以使各部件接触良好。
沥青混合料的疲劳响应与加载控制方式有关。通常有两种控制方式：控制应力和控制应变。应力控制方式的再现能力较好，所需的试验时间较短，一般以试件断裂作为疲劳损坏标准，疲劳破坏的定应力控制试验所需试件数量较少，试义明确。另外，
验数据离散性较小，应力精度控制可靠，且容易设试件一般不会定试件破坏状态。而应变控制方式，
出现明显断裂破坏，而一般以混合料劲度下降到初始劲度的50%或更低为疲劳损坏标准，因此具有一定的随意性，且在技术应用上存在一定困难。
综上所述，本试验采用应力控制的加载方式，应力比为0.5、0.6和0.7三种应力水平控制加载，
荷载和变形均用计算机动态采集。试验温度为每个温度条件下12个试件，共24个疲25℃、-5℃，
劳试件，其中6个试件用于测定其极限承载力，18个用于疲劳试验。3
疲劳试验结果与分析
-525温度/℃
表4沥青混合料疲劳试验结果试件编号PL1-1
PL1-2PL1-3PL1-4PL1-5PL1-6PL1-7PL1-8PL1-9PL2-1PL2-2PL2-3PL2-4PL2-5PL2-6PL2-7PL2-8PL2-9
应力水平0.5
疲劳寿命/次单个值平均值939893（舍去）72767776（舍去）62576057（舍去）39（舍去）271312359278258276202（舍去）124195
312
0.6
0.7
0.5
0.6271
0.7195
由表4可以看出，在25℃和-5℃时，加载应力水平对疲劳寿命有明显的影响，随着加载应力水平的提高，沥青混合料的疲劳寿命是不断降低的。这就是说，低应力水平时，疲劳寿命高；高应力水平时，疲劳寿命低。典型的疲劳循环曲线如图1和图2所示。
3.1试验结果
疲劳试验前，在25℃和-5℃分别用3个试件测定其极限承载力，以便计算疲劳试验的应力比。试验结果如表3所示。
根据极限承载力的试验结果，预测25℃和-5℃时小梁疲劳破坏极限承载力分别为5.617kN和
疲劳试验加载频率为0.1Hz。疲劳寿命17.167kN，如表4所示。
2.2
图1
（25℃）0.5应力水平的典型疲劳循环曲线
试验结果分析
对于一种沥青混合料试件而言，可以对其在不
第6期马芹永，等：沥青混合料的疲劳试验与疲劳寿命预测
·3·
表5疲劳寿命和对应的累积耗散能
疲劳寿命累积耗散能
温度T应力比试件编号
NF/次WF/kPa
PL1-1932.9732
0.5PL1-2983.0129
（舍去）PL1-37225℃
0.6
PL1-4
PL1-5PL1-6PL1-7PL1-8PL1-9PL2-1PL2-2PL2-3PL2-4PL2-5PL2-6PL2-7PL2-8PL2-9
7677（舍去）625760（舍去）39（舍去）271312359
278258276202（舍去）124195
2.39532.38912.09842.1107
图2（-5℃）0.5应力水平的典型疲劳循环曲线
0.7
同应力水平下的疲劳寿命进行回归分析，得到其双对数直线关系为：
（1）Nf=k(1)n
式中：Nf为不同应力水平条件下的疲劳寿命；σ为应力水平；k，n为回归系数。
按式（1）进行线性回归，得到沥青混合料在（2）、式（3）所示：25℃和-5℃的回归方程如式
）（2）Nf=28.765(1)1.7155R2=0.9881（25℃
）（3）Nf=124.28()1.378R2=0.926（-5℃
σ
式（1）中的系数k和n随着沥青混合料种类的不同而有较大的差异。n值代表了图中双对数坐标下疲劳曲线的斜率，反映了沥青混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度，n越大，表明疲劳寿命对应力的敏感程度越大。k值代表了疲劳曲线的位置，k值越大，曲线越靠向上方，沥青混合料的疲劳阻抗越高。3
耗散能原理预测疲劳寿命
由于沥青混合料是一种粘弹性材料，其疲劳破
［2］坏可以用累积耗散能的形式来表示。
［3，］4
大量的试验研究表明，在沥青混合料的疲劳
0.5
11.6915
13.87649.39569.14629.25436.23086.1531
-5℃0.6
0.7
运用此规律对试验数据进行线性回归，可以得到沥青混合料用累积耗散能表示的疲劳方程
4
）WF=0.05569×NF0.876（25℃3
）WF=0.01555×NF1.145（-5℃
（5）
（6）
4结论
通过室内小梁疲劳试验，并对试验结果进行统
计分析得到以下主要结论：沥青混合料的疲劳寿命是随着加载应力水平的提高而不断降低的；沥青混合料的耗散能与疲劳特性之间存在良好的关系，能够较好地反映沥青混合料的疲劳过程，是分析和预测沥青混合料疲劳寿命的有效方法。
参考文献
破坏过程中，累积耗散能与疲劳寿命之间存在唯一的关系。运用耗散能理论分析沥青混合料的疲劳过程，可以得到沥青混合料的疲劳方程，即沥青混合料的疲劳寿命NF与达到疲劳破坏时的总能耗WF
之间的简单关系为：
（4）WF=AN
式中：A、B为试验中确定的材料参数，因沥青混合
B
F
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(收稿日期：2008-08-15)
料的不同而不同。在双对数坐标系中上式是直线方程，是直线的截距，B是直线的斜率。
通过试验确定了参数A、就可以预测沥青混B，合料的疲劳寿命并进行能耗分析。
按照耗散能理论，可以得到沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能，计算结果如表5所示。
范文五：电镀铜薄膜的疲劳断裂研究
电镀铜薄膜的疲劳断裂研究
1. 引言
微电子机械系统,即 MEMS(Micro-electro-mechanical Systems),是指由关键 尺寸在亚微米至亚毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或系统,它将传 感、 处理与执行融为一体, 以提供一种或多种特定功能。 随着超大规模集成电路 和 MEMS 技术的发展, MEMS 器件的市场迅速增长。
MEMS 的结构材料主要包括硅 (单晶硅、多晶硅 ) 、金属 (铜、镍及其他合金 ) 及高分子材料等等, 其微小构件的尺寸已明显向微米、 亚微米甚至纳米尺度减小。 国内外试验研究表明, 许多材料在微纳米状态下的失效机理与宏观状态相比已发 生了本质上的改变,如原本属于脆性材料的硅在微尺度下会产生疲劳失效现象, 金属微薄膜的疲劳强度与宏观状态相比已发生了显著改变。 对于某些依靠固有频 率稳定性来工作的 MEMS 产品 (如加速度传感器、微陀螺仪等 ) ,即使不发生疲 劳断裂,其疲劳损伤的累积也会导致测量结果发生较大的偏差。 MEMS 不是传 统机械的简单几何缩小, 当构件细微到微纳米尺寸后, 这些材料本身的力学、 物 理性质有显著变化,会出现强烈的尺寸效应、表面效应等。这些研究表明,在宏 观块体下所测得的机械弹性模量、 拉伸强度、 断裂韧性及疲劳强度等并不一定适 用于 MEMS 的设计。 宏观机械疲劳已有近百年的研究历史, 其现有的研究理论、 方法是否适用于微机械还有待进一步研究。
金属铜在硅集成电路上被广泛应用于金属布线,在 MEMS 传感器和执行器 中被广泛应用于制作铜微结构。 在这些应用中, 铜微构件经常承受热循环应力作 用或机械循环应力作用而发生疲劳破坏,其疲劳强度已成为制约 MEMS 器件长 期服役可靠性的因素之一,因此近年来成为国内外研究的热点问题。
研究表明,众多材料在宏观机械领域表现出的性能与在微观领域有很大不 同, 宏观机械疲劳特性的研究方法是否适用于微尺度机械疲劳还有待验证。 此前 已有一些学者对不同方法制备的不同尺度的铜薄膜的疲劳特性进行了研究,如 Zhang 等研究了 100nm 厚有基体支持铜薄膜的疲劳断裂行为; Maire 等测定了用 等通道转角挤压法制作的铜薄膜的循环应力一应变响应; Read 等开展了用电子 束蒸发工艺制作的铜薄膜拉伸疲劳试验; Merchant 等研究了电镀和轧制铜薄膜的 弯曲疲劳特性。但测试无基体支持的电镀铜薄膜疲劳特性参数并进行寿命预测, 还需进一步研究。
2. 基本原理 (铜材料微构件的疲劳特性 )
2.1 循环形变行为及疲劳强度
Judelewicz 等研究了经轧制的晶粒尺寸为 100m μ、厚度为 20~150m μ的铜 薄膜的疲劳行为。 对于不同应力水平来说, 在低应力与高应力时都呈现硬化现象; 用扫描电镜和透射电镜发现,在高周疲劳时,可以观察到位错、孪晶、驻留滑移 带等变形结构,在低周疲劳时,可观察到准梯形裂纹结构。另外,其还发现晶粒 的大小并不影响位错的形态,薄膜的循环形变与单晶体相似。其又发现厚度为 100m μ的铜薄膜的疲劳寿命比 20m μ的疲劳寿命低 10~30倍,显示出明显的疲 劳尺寸效应。
Hong 和 Weil 研究了 25m μ厚饿电镀铜薄膜和 33m μ厚的轧制铜薄膜的拉 -拉疲劳行为, 他们发现铜薄膜的疲劳强度系数高于块体材料的疲劳强度系数; 此 外, 铜薄膜表现出循环应变硬化行为, 原因在于疲劳形变在材料中引入了高的位 错密度和孪晶密度。
最近, Schwaiger 和 Kraft 等对厚度具有微米和亚微米的银薄膜和铜薄膜的疲 劳行为进行了较为系统的研究, 其发现随着薄膜厚度的减小, 引起疲劳损伤的临 界应力幅值将显著升高,薄膜表现出明显的疲劳尺寸效应。
2.2 疲劳裂纹的萌生与扩展
2.2.1 疲劳裂纹的萌生
Judelewicz 发现厚度为 100m μ的铜薄膜中仍然出现疲劳挤出,而厚度为 20m μ的薄膜中的疲劳挤出只在疲劳寿命末期才出现,表明较薄薄膜中疲劳挤出 损伤的出现有被推迟的趋势。 Hong 和 Weil 发现厚度为 25m μ铜薄膜中疲劳开裂 起源于位错的胞墙或孪晶界处。 Schwaiger 等人通过对银薄膜和铜薄膜疲劳损伤 行为的研究表明, 3.0m μ厚的薄膜表面仍然出现类似于块体材料的 “挤出” 损伤, 疲劳裂纹萌生于挤出处,如图 2-1所示。
图 2-1 不同厚度铜薄膜的微结构损伤图
随后, Zhang 等利用聚焦离子束显微镜 (FIB)对不同厚度铜薄膜表面的疲劳挤 出进行了观察, 并对疲劳挤出面积与晶体面积比进行了定量的测量, 他们发现铜 薄膜疲劳挤出的尺寸 (即挤出宽度与高度 ) 随薄膜厚度的减小而减小。分析认为, 疲劳挤出尺寸的减小是由于较薄薄膜中的循环应变局部化的倾向减小所致。 因此 需要更高的外加应力引起疲劳破坏, 从而解释了疲劳强度随薄膜厚度减小而升高 的尺寸效应。
2.2.2疲劳裂纹的扩展
Shimizu 等用电子散射衍射电镜观察了厚度为 100m
μ轧制回火后铜薄膜疲 劳裂纹扩展情况, 其发现:如果预制裂纹与轧制方向相同, 那么裂纹沿直线式扩 展; 如果预制裂纹垂直于轧制方向, 那么裂纹扩展呈现锯齿形状。 他们还发现疲 劳裂纹易在回火孪晶处产生,因为回火孪晶与立方体金属滑移带在同一平面内; 薄膜轧制后的各项异性在回火后仍然存在, 且回火孪晶边界大多数与轧制方向一 致。
Hadrboletz 等在研究厚度为 20~200m
μ的铜薄膜的疲劳裂纹扩展行为时发 现,厚度小于 100m
μ的铜薄膜疲劳裂纹扩展速率随循环数的增加而减小,而厚 度大于 100m
μ的铜薄膜疲劳裂纹扩展速率随循环数的增加而增加, 如图 2-2。 通 过建立不同厚度薄膜的裂纹张开柔度与裂纹长度的关系, 可以看出, 随薄膜厚度 减小, 裂纹张开的柔度随裂纹长度的增加而减小。 经分析认为, 两者的差别是由 于较薄薄膜和较厚薄膜分别收到了平面应力和平面应变的作用。
图 2-2 铜薄膜疲劳裂纹扩展行为
2.2.3 疲劳损伤的微观机制及尺寸效应
在块体金属材料中, 循环形变行为及疲劳损伤机制与材料中的位错结构有着 密切的关系,疲劳引起的挤出 /侵入对应着驻留滑移带 (PSB)的位错墙结构,而疲 劳裂纹往往萌生于 PSB 或者是 PSB 撞击的晶界处。由于薄膜材料的厚度均在微 米至亚微米范围,材料中的位错行为将仍然对疲劳行为起重要作用。
Hofbeck 等认为,所观察到的细铜丝中缺少疲劳挤出特征是由于滑移的位错 受到表面像力的作用和相互湮灭的影响。 Judelewicz 等发现,较薄薄膜不容易萌 生裂纹是由于其几乎没有疲劳 “挤出” 损伤和因较短位错滑移距离及像力的作用 导致位错数量的减少。在上述这些研究中,晶粒尺寸均在几十个微米。 Hong 和 Weil 认为,在晶粒尺寸大于 2m μ的铜薄膜中,循环应变硬化来源于位错缠结和 位错胞墙结构的形成。 Read 研究了电子束蒸发的晶粒尺寸为 0.98m μ,厚度为
1.1m μ铜薄膜的疲劳行为,发现薄膜表面没有疲劳台阶和位错胞结构。这些前期 工作初步表明, 材料疲劳行为的尺寸效应不仅与材料外部几何尺寸有关, 也与内 部组织结构尺寸, 如晶粒大小有关, 但没有系统地针对不同厚度的薄膜及各种尺 寸的晶粒进行位错结构研究。
最近, Zhang 等对经疲劳变形的厚度为 3.0~0.4m μ的铜薄膜进行了较为系 统的电镜观察。 他们发现, 只有薄膜厚度或晶粒尺寸都大于 3.0m μ时, 才会出现 像块体材料中的典型位错胞、 墙。 而随着薄膜厚度或晶粒尺寸的减小, 位错结构 变成松散的缠结组态; 当薄膜厚度或晶粒尺寸小于 1.0m μ时, 只有单根位错存在。 他们还观察到, 在厚度为 3.0m μ的薄膜中疲劳挤出处有位错墙结构, 而较薄薄膜
中的疲劳挤出处只有单根位错存在,说明疲劳损伤和材料内部的位错行为有关。
这些位错结构的观察结果清楚地表明了无论是材料的几何尺度或是微观结构尺 度都控制了疲劳位错结构的形成。
由于薄膜中的位错可动性降低, 同时较薄薄膜内的位错源相对较少, 从而导 致了位错不能够像块体材料那样进行充分的交互作用,如位错偶极子的相互捕 获,湮灭等,故位错结构的形成受到了抑制。可见, “材料尺度越小,疲劳强度 越高” 的疲劳尺寸效应, 是由于材料尺度对位错结构形成的强烈约束, 导致材料 只有靠少量单根位错的运动来累积循环塑性应变, 从而导致疲劳形变局部化的损 伤行为受到抑制。
3. 铜薄膜缺口件疲劳的研究现状
目前关于缺口件电镀铜薄膜疲劳研究的文献仍很少, 此前学者主要对光滑件 铜薄膜作出了一些研究,一部分为关于铜薄膜的常规机械性能,例如屈服强度、 抗拉强度、 塑性指数的研究; 一部分为光滑件电镀铜薄膜的疲劳性能及影响因素, 例如轧制铜薄膜与电镀铜薄膜的疲劳性能, 不同晶粒尺寸铜薄膜疲劳性能, 铜薄 膜低周疲劳性能与高周疲劳性能等。 但对于缺口件电镀铜薄膜的疲劳性能及其影 响因素方面鲜有研究。 因此, 研究铜薄膜缺口件的疲劳断裂特性及其影响因素对 提高 MEMS 器件的可靠性具有重要的理论和实际意义。
4. 电镀铜薄膜疲劳的研究内容及科学问题
(1) 查阅文献,结合国内外相关研究成果和经验,在现有的条件下设计出合 理的电镀铜薄膜疲劳试样。
(2) 设计、绘制以及加工制造出电镀铜薄膜光刻掩膜板,并利用准 LIGA 技 术制作电镀铜薄膜。
(3) 利用微机械疲劳试验机对电镀铜薄膜进行疲劳加载试验,并在试验过程 中进行疲劳试验现象观察,且用扫描电镜对断裂面进行观察和分析。
(4) 建立有限元模型,对缺口件电镀铜薄膜进行塑性有限元分析。
(5) 利用试验结果以及有限元计算数据对电镀铜薄膜的寿命进行预测。
5. 电镀铜薄膜疲劳研究的试验方法
5.1基于准 LIGA 技术的电镀铜薄膜试件制作
LIGA 工艺(光刻、电铸、注塑)是微机械加工中最重要的工艺之一,在微 机械特别是高深宽比微构造的制作上占有很重要的地位。 LIGA 技术具有许多优
点 , 如加工精细 (最小横向尺寸可达 1m μ), 精密度高 (误差小于 0.2m μ), 可获得很大 的深度比 (深度 /宽度 >50),结构高度最大可达 500m μ, 可制作任意形状的二维平面 结构等等。但其掩模版制作困难,需要用高能量 X 射线源—同步回旋加速器, 这一昂贵的设施和复杂的掩膜制造工艺限制了它的广泛应用。
准 LIGA 工艺过程除了所用光刻光源和掩膜外,与 LIGA 工艺基本相同。准 LIGA 技术可满足微系统对加工精度、集成度以及成本的要求,丰富并充实了 MEMS 技术,当对微结构侧壁的垂直度要求不是很高时 , 它可取代 LIGA 技术。 以前采用表面微机械加工技术制作的微结构,也大多可用准 L IGA 技术制作而 成。
5.1.1 准 LIGA 技术介绍
准 LIGA 技术是利用常规光刻机上的深紫外光对厚胶或光敏聚酰亚胺光刻, 形成电铸模, 结合电镀、 化学镀或牺牲层技术, 由此获得固定的或可转动的金属 微结构。
准 LIGA 技术典型的光刻工艺流程为:涂胶和前烘→曝光→显影和坚膜→服 饰→去胶。
涂胶是在光刻硅片表面敷上一层光刻胶膜, 其要求是粘附良好、 均匀、 厚薄 适当。 前烘的目的是使胶膜体内溶剂充分地挥发, 使胶膜干燥, 以增加胶膜与结 构层的粘附性和胶膜的耐磨性; 同时, 只有光刻胶干燥, 曝光时才能充分进行光 化学反应。 曝光是指采用尽量平行的光束垂直照射到硅片上, 使胶膜没被掩膜版 挡住的部分在光线的照射下发生光化学反应。 显影是把曝光后的基片放在显影液 里, 将应除去的光刻胶膜溶剂干净, 以获得所需要的抗蚀剂的图形。 坚膜就是在 一定的温度下, 将显影后的片子进行烘烤, 除去显影时胶膜所吸收的显影液和残 留水分, 改善胶膜与基片间的粘附性, 增加胶膜的抗蚀能力, 以及消除显影时所 引起的图形变形。 腐蚀就是用适当的腐蚀剂, 对未被胶膜覆盖的结构层进行腐蚀, 按照光刻胶上已显出来的图形,完整、清晰、准确地腐蚀,供选择性扩散或达到 金属布线的目的。去胶就是在结构层的图形做出来后,把起保护作用的胶除净。
在硅片上刻出所需试件图形后, 将硅片置入电镀液中, 并与纯铜板连接成电 流回路, 此时通入适当的电流, 并搅拌电镀液, 硅片上刻蚀出的图形部分将逐渐 淀积纯铜。
5.1.2 铜薄膜试件制作工艺流程
试验用铜薄膜试件制作的工艺流程为:
1. 采用标准 RCA 工艺清洗硅片,去除硅片表面杂质及损伤;
2. 在单管氧化炉中将硅片表面进行氧化,生成约 0.5nm 厚的氧化层,生成 SiO 2绝缘层;
3. 在氧化层上旋涂聚酰亚胺,在 150℃下烘烤五分钟,形成牺牲层;
4. 在聚酰亚胺层上分别溅射 Cu 种子层,为电镀做准备,使 Cu 生长在种子 层;然后继续在 Cu 种子层上溅射 Cr 层,是为了防止显影液溶解 Cu 种子层; 5. 进行甩光刻胶, 110℃烘烤 1分钟, 为光刻做准备; 随后曝光、 显影、 110℃ 固胶 5分钟,将掩膜板上的图形转移到光刻胶上,形成一个凹槽;
6. 用刻铬盐酸甘油去掉铬层,露出种子层;然后进行电镀,设置电流大小, 控制电镀试件,并不停搅拌,使 Cu 在种子层上按照图形均匀生长;最后溶解牺 牲层聚酰亚胺释放出铜薄膜试件,得到无基本支持的铜薄膜试件。
需要注意的是, 制作出试件后, 应尽快开展疲劳试验, 否则铜薄膜表面将会 很容易被空气氧化,影响实验结果。
5.2 MEMS疲劳试验方法
微机械疲劳试验由于其试件尺度很小, 因此在试件制作、 试验夹持及测量精 度等方面增加了试验难度。综合国内外的研究成果,可以将 MEMS 疲劳试验方 法总结如表 5-1:
表 5-1 MEMS疲劳试验方法
分 类 片上测试 片外测试
原 理 静电谐振 电磁驱动 压电激励 超声激励 适用材料 硅 硅、金属、高分子
特 点
利用 MEMS 工艺制造集驱动、检
测为一体的性能测试系统, 直接在芯片
上进行测试,能实现对 MEMS 器件机
械性能的在线检测,无需装卡、对中,
加载频率高,但试件制作工艺复杂、成
本高
利用 MEMS 工艺制造试件,制造 工艺相对简单,加载方式稳定可靠,试 验中的各种参量易于记录, 但需要复杂 的驱动、检测试验系统,且试件装卡、 对中难度较大。
5.2.1静电谐振法
谐振疲劳试验装置是利用对试样施加与其固有频率相当的周期性驱动力, 使 结构发生共振而产生周期性的应力与应变, 以达到疲劳试验的效果。 试验加载方 式与 MEMS 构件的实际受力环境较为接近,因此试验结果更接近真实情况。 基于梳状驱动器的谐振疲劳试验装置采用静电驱动原理, 其中最主要的部件 就是如梳齿一样相互交错的静电力驱动器, 在梳齿的两边施加一固定频率的交流 电压,从而产生交变静电力,驱动结构发生振动,造成对试样的循环加载。
图 5-1基于梳状驱动器的谐振疲劳试验装置
基于梳状驱动器静电力驱动的硅微薄膜谐振疲劳试验装置如 5-1左图所示, 其中 A 、 C 为两组相互交错的梳齿, A 为驱动器, C 为电容式位移传感器, B 为 共振块, D 为试样,右图为试样的放大图。试样中的缺口是为了引入应力集中系 数,增大试验的应力水平。
驱动器 A 靠近外沿的梳齿接正弦电压,与振动块 B 相连的梳齿接地,这样 便会使两者之间产生周期性的静电力,从而导致悬置的振动块 B 发生共振而带 动试样 D 作往复运动,试样除了受循环变化的弯曲力和剪切力外还受到循环变 化的离心力, 该离心力是由于振动块在振动过程中角速度的变化而导致的。 位移 传感器 C 靠近外沿的梳齿接恒定电压,共振块的振动将会造成梳齿间电容的变 化, 根据电容的变化便能够测得共振块的振动幅度。 试样所受的应力可以根据振 动块的振动幅度由有限元分析算出。
5.2.2 电磁驱动法
电磁驱动是一种较为理想的驱动方
式,它具有很好的线性、低滞后性、无摩
擦, 能直接进行精确控制等特点 ; 运动的磁
铁或线圈相对于结构具有很小的惯性,在
磁力作用下能实现沿轴向自动对中,从而
消除横向力,同时也能降低振动。在得到
电磁力与电流的线性关系后,可通过施加
交变电流以控制载荷的大小,从而克服微
拉伸装置中微小力的测量困难,其原理图
如图 5-2。 Ando 等人采用的装置如图 5-3(a)
所示,主要由载荷传感器、真空台、试样
图 5-2 电磁驱动原理
芯片、 顶针及位移传感器组成。 试样芯片如图 5-3(b)所示, 包含外框架、 加载梁、 扭转块和试样四个部分,其中试样的放大图如图 5-3(c)所示。
图 5-3 Ando采用的疲劳拉伸装置 试验过程中对顶针加载点进行位移和力的跟踪测量, 再利用平衡原理可求得 试样所受的应力和应变。采用控制应变方式,加载频率为 10Hz ,载荷比为 0.1, 在不同的应变水平下对不同晶向的单晶硅进行了疲劳试验。
5.2.3 压电激励法
目前, 适用压电式激励器作为驱动方式的较多, 主要用计算机编程控制压电 单元释放位移, 从而带动夹头提供驱动力, 但压电单元中存在蠕变、 滞后和非线 性等问题,至今未能很好解决。
Allameh 采用的拉伸疲劳试验装置见图 5-4,主要由压电驱动器、载荷传感 器、试样、旋转 /平移台和摄像机组成。试验中通过对压电驱动器施加固定频率 的交流电压, 由于压电效应, 便可对试样产生循环变化的拉伸力以达到疲劳试验 的效果。试验所采用的载荷比为 R=0.1,加载频率为 10Hz 。
图 5-4 Allamaeh采用的拉伸疲劳试验装置图
5.2.4 超声激励法
超声激励是利用超声波振动, 使滑块产生往复位移, 从而对试件产生循环拉 (a) (b)
(c)
压作用。 Cho 采用的拉伸疲劳试验装置由超声波驱动, 主要由扬声器、 直线滑块、 试样、 夹具和力传感器组成。 试验通过扬声器发出一定频率的声波, 导致滑动块 的振动从而形成对试样的循环加载,加载频率为 200Hz ,载荷比为 0.1。与压电 驱动器相比,这种方法能够获得更高的振动频率。
图 5-5 Cho采用的拉伸疲劳试验装置
5.2.5 纳米压痕法
目前对材料在纳米尺度下疲劳特性的研究相对较少, 采用的方法主要是纳米 压痕法,该方法的基本原理如图 5-6所示。纳米压头对固定梁的中点施加循环载 荷 ) sin() (t P P t P os mean ω+=(其中 mean P 为平均压力, os P 为压力幅 ) ,因为疲劳损伤 的累积会导致试样刚度的下降, 因此在试验过程中通过对接触刚度的连续观测可 以得知试件的疲劳损伤情况,从而能够间接对纳米梁的疲劳特性进行研究。
图 5-6 纳米压痕法原理图
5.3 疲劳寿命预测方法
目前对于宏观疲劳寿命研究已经有较为成熟的研究方法, 如名义应力法, 局 部应力应变法等,但对于微机械疲劳寿命研究,其研究并不多见。
5.3.1 名义应力法
前人已对名义应立法进行了大量的研究, 积累了许多宝贵的资料和经验。
在
11
应力水平较低, 载荷比较稳定的情况下, 名义应力法仍是目前工程中广为应用的 一种寿命估算方法。其根据 S-N 曲线,应用线性疲劳累积损伤理论 (Miner定律 ) 进行寿命估算。此方法以外部名义应力作为损伤控制参量。其寿命预测步骤为:
(1) 求名义应力谱;
(2) 计算结构缺口的应力集中系数和其他影响因素的系数;
(3) 利用 S-N 曲线应用插值方法确定所求的应力集中系数和应力水平下破坏 寿命值。
该方法优点是:构件的名义应力很容易根据外载计算或者实际测量得到。 但 这种方法也有很大的不足之处:疲劳破坏总是从结构上具有应力集中的部位开 始,但是名义应力不能够代表应力集中部位的真实的应力 -应变状况,也不能正 确的考虑应力次序和各级载荷之间的相互作用, 因此它不能反映出疲劳破坏的本 质。
5.3.2 局部应力应变法
局部应力应变法是目前预测疲劳寿命的一种主要方法, 这种方法综合了五十 年代以来疲劳强度研究中各方面成果, 特别是材料循环特性的研究, 采用了现代 的试验方法和分析技术, 建立了一套估算裂纹形成寿命的方法, 得到了广泛的应 用。
其基本思想是, 认为零件和构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应 力 -应变状态。局部应力 -应变法认为循环塑性变形是造成疲劳损伤的根本原因。 其与名义应力法相比,在描述材料的疲劳性能时,用 N -ε关系代替了 N -σ曲 线, 用循环的 εσ-代替了单调的 εσ-曲线; 采用弹塑性有限元分析或试验力学 分析方法求解局部屈服状态下的应力 -应变。其估算疲劳形成裂纹形成寿命的具 体步骤如下:
(1) 首先确定材料的疲劳性能参数 (E c b k n f f , , , , , , εσ) 和缺口几何参数 (t k 或 f k ) ;
(2) 根据名义应力、应变和局部应力、应变转换关系求解缺口根部的局部应 力、应变;
(3) 根据选定的损伤寿命公式进行损伤计算及寿命预测。
上述局部应力应变法中的每一个主要步骤,在具体应用时都有多种处理方 法,由于采用的方法不同,寿命计算结果可能也会不一样。
5.3.2.1 缺口处局部应力和应变的确定
目前,在局部应力应变法中,一般采用以下几种方法来确定局部应力 -应变
12 关系:
(1) 采用试验方法确定缺口根部的局部应力 -应变值。
确定缺口局部应力 -应变的试验分析方法有很多,如电测法、云纹法、光弹 法、散斑法等。工程上使用较多的是电测法和云纹法。试验方法直观准确,但试 验繁琐,往往由于实际条件的限制,不便于采用此种方法。
(2) 用近似计算法确定局部应力 -应变值。
工程上可采用简单实用的近似计算方法,如 Molski 等效能量法、诺伯法和 修正诺伯法等。该方法的缺点是计算出的应力应变数据不够精确。
(3) 采用弹塑性有限元法计算局部应力 -应变值。
目前计算机运算功能十分强大, 在处理实际问题时极大地方便了研究工作者开展 研究。目前较为通用的有限元软件有 ANSYS 等,有限元法模拟的精度很高。
5.3.2.2 损伤计算及寿命预测
目前,在局部应力应变法寿命估算中许多损伤公式都是以 Manson-Coffin 公 式为理论演化的,其中应用较广的损伤公式有:
(1) Dowling 损伤公式
Dowling 等人认为以转换寿命 (f N -ε曲线中弹性线与塑性线的交点 ) T N 为 界。当 t pa εε≥时塑性应变分量占优势,平均应力影响可以忽略不计。塑性应变 幅值 pa ε循环一周造成的损伤为:
()c pa
f f N D /1/' 2/1εε== (5-1) 当 t pa εε<时弹性应变量占优势,弹性应变幅值 ea="">
考虑平均应力影响时,
(2) Landgraf 损伤公式
Landgraf 选择塑性应变幅值与弹性应变幅值之比作为计算损伤的参数:
(3) Smith-Watson (SWT) 损伤公式
Smith 等人选择 εσ?, max 作为损伤计算的参数,由于最大应力 max σ在对称循
b ea f f E N D /1' 2/1???? ???==εσ(5-2) b ea m f f E N D /1' 2/1???? ???-==εσσ(5-3) c b m f ea f f pa f f E N D -????????-???==1' ' ' ' 2/1σσεεσεσ(5-4)
13 环中等于应力幅 a σ, 所以, b f f N ) 2(' max σσ=。 结合 Manson-Coffin 公式, 得到:
5.4 铜薄膜缺口件有限元分析
传统的设计分析方法已经不能满足设计的需求, 因而工程设计中出现了有限 单元分析法。 有限元的核心思想是结构的离散化, 就是将实际结构离散为有限个 单元通过有限个节点按一定次序连接在一起并在一定边界条件下求解的集合体。 有限元不仅计算精度高, 而且能适应各种复杂形状。 通过有限元分析, 可发现设 计阶段潜在的问题,增加可靠性 ; 可模拟试验方案,减少试验次数,从而减少试 验经费;降低原材料成本 ; 缩短产品投向市场的时间。随着计算机技术的普及和 计算速度的不断提高,有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重 视,已经成为解决复杂工程分析问题的有效途径。
5.4.1 有限元数值分析基本假设
材料非线性分析与线形分析相比,最明显的不同体现在材料属性的定义上。 在材料非线性问题的建模过程中, 定义材料属性时必须将非线性这一特性恰当地 表示出来。在 ANSYS 程序里面,提供了多种塑性材料选项,在此主要介绍四种 最常用的材料选项,可以通过激活一个数据表来选择这些选项。
经典双线性随动强化 (BKIN):使用一个双线性来表示应力应变曲线,有两 个斜率,分别是弹性斜率和塑性斜率,由于随动强化的 V on Mises屈服准则被使 用, 所以包含有包辛格效应, 此选项适用于初始为各向同性材料的小应变问题 (如 大多数金属 ) 。
双线性等向强化 (BISO):使用双线性来表示应力 -应变曲线,适用于初始各 向同性材料的大变形问题。
多线性随动强化 (MKIN):使用多线性来表示应力 -应变曲线,模拟随动强化 效应,此选项使用 V on Mises屈服准则。
多线性等向强化 (MISO):使用多线性来表示应力 -应变曲线,它适用于比例 加载的情况和大应变分析。
在实际分析中, 应根据试验的实际情况, 选择最适合的模型, 选择适当的参 数和条件,根据公式计算以及相关理论和知识得到结果。
5.4.2 有限元网格划分
c b f f f b f f N N E E +?+=??) 2(' ' 2) 2(' 22max εσσσ(5-5)
有限元分析过程中, 模型的建立与网格的划分是非常重要的。 它直接影响计 算结果的正确与否和精确程度。 有限元模型, 边界条件及加载过程都尽量逼近实 际的试验情况, 这样计算结果将更为准确。 由于试件厚度方向尺寸很小, 试样受 力情况为平面应力状态, 建模时选取平面单元结构。 为了验证网格模型的收敛性, 并寻求最好的网格划分形式, 通过试算不同的网格模型, 最后确定最终的网格形 式。
随后, 还需进行加载方式及加载步骤的设置, 利用有限元软件计算验证并对 试验结果进行分析。
6. 电镀铜薄膜疲劳的现有研究成果
根据以上所述的基本原理以及试验研究方法, 研究者利用微机械加工中的准 LIGA 工艺,根据其工艺要点以及铜薄膜的制作工艺流程,设计和制作电镀铜薄 膜试件, 并进行电镀铜薄膜试件进行疲劳拉伸试验研究; 并对试验过程进行观察 和分析, 得到其寿命曲线及其他疲劳性能参数。 此外还借助有限元技术对缺口根 部进行弹塑性有限元分析, 并对结果进行验证。 基于缺口断裂部位有限元分析结 果,结合相关理论,还可对缺口件的疲劳寿命进行较好的预测。
(1)研究者已成功设计并制作了试验用电镀铜薄膜试件,通过对试验过程的 观察,试件已达到了试验的要求。
(2)在微机疲劳试验机上对薄膜进行拉 -拉疲劳试验,得到了试件的 S-N 曲 线、 循环应力应变曲线等疲劳性能参数。 并观察到裂纹萌生出现在疲劳寿命末期, 之后迅速扩展断裂,多数电镀铜薄膜试件的断裂发生在缺口根部。
(3)对铜薄膜缺口根部进行了弹塑性有限元分析,并间接验证了有限元加载 模型的选择、 建立及分析过程。 基于有限元分析发现, 缺口件铜薄膜的危险区域 在缺口根部,连接危险区域边界点与缺口曲率中心的边界线。
(4)利用损伤理论对缺口件疲劳寿命进行了预测,发现了采用弹性变形的损 伤理论估算疲劳寿命好于其他考虑塑性变形的损伤理论, 其说明了应采用弹性变 形作为损伤参量来预测缺口件的寿命。
(5)通过寿命预测发现考虑平均应力的影响使使疲劳寿命减小,主要原因是 由于缺口根部发生塑性变形, 释放应力, 平均应力作用不大; 另外是因为拟合参 数本身由脉动加载转化而来。
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