作为典型的硬脆材料，氧化镓晶体(β-Ga2O3)加工时易裂解。金刚石线锯是生产β-Ga2O3晶片的主要方式，切片加工过程中会在晶片表面产生微裂纹损伤层，应力作用下微裂纹会发生扩展，导致材料破碎和断裂。本文建立了金刚石线锯多线切割β-Ga2O3(010)晶面的有限元模型，研究了锯切过程中机械应力、热应力和热力耦合应力的分布变化规律，分析了锯丝速度、进给速度和恒速比下不同参数组合对热力耦合应力的影响。结果表明，锯切过程中锯切热产生的热应力占据热力耦合应力的主导地位，锯切力引起的机械应力占比较小，但机械应力会影响热力耦合应力的分布情况，锯丝速度和进给速度的增加会引起热力耦合应力的增加。

针对电源模块在温度循环条件下工作的可靠性问题,以典型电源模块为研究对象,基于有限元分析软件建立温循条件下电源模块的瞬态温度分布模型和电源模块的瞬态热力耦合模型,着重分析芯片、玻璃绝缘子等易损区域。在此基础上以玻璃绝缘子的最大热应力和芯片的最高温度为优化目标,对电源模块进行遗传算法优化设计。结果表明,相比其他研究直接施加热载荷条件,采用瞬态热力耦合所得电源模块结果更准确,芯片温度为86.03 ℃,玻璃绝缘子的热应力为61.27 MPa。经过遗传算法优化的芯片温度为81.85 ℃,玻璃绝缘子的热应力为37.05 MPa,满足可靠性要求。证明遗传算法与仿真结合,可有效提高产品设计的可靠性。

为研究大型构件激光同轴送粉增材连接过程中的热、力、变形，探明三者分布规律和演化特性，采用ANSYS参数化设计语言，通过编程，实现对连接过程的有限元数值仿真。结果表明，由于连接区域占比较小，热影响区集中分布在连接缝周围，当接缝之间距离较小时，热影响区产生重叠。接缝处应力在连接阶段和冷却阶段表现出不同特征：连接时，应力数值不高，应力集中也不明显；冷却初期，应力数值增大的同时范围趋于集中，一段时间后，应力会在高位稳定，接缝处形成集中高应力区。在边界条件制约下，框架纵向翘曲比较明显，圆柱孔连接后会产生形状误差。由于只存在根部与框架之间的变形协调约束，肋板会产生不同方向、角度的偏转。连接位置和约束方式对成形精度有很大影响。

采用MSC Marc软件建立了热力耦合有限元模型，分析了激光直接沉积过程中的温度与应力变形的演变过程。考虑高温下钛合金的应力松弛行为，通过多次迭代修正了材料本构方程。同时，基于热电偶与激光位移传感器开发了成形过程中的瞬态实时测量装置，对钛合金薄壁件实际成形过程中的温度和变形进行了原位测量。对修正后的模型的模拟计算值和实测值进行比较与分析，结果表明：原位测量结果与模拟结果的温度误差仅为7.9%，变形误差为19.6%，基板变形的规律一致；沉积层总体呈拉应力状态，主应力方向与沉积方向一致。

为突破抽油泵内筒材料表面激光熔覆高熵合金容易形成裂纹的技术瓶颈，本研究团队建立了激光熔覆高熵合金热力耦合仿真模型，该模型以材料热物性参数随温度的变化、相变潜热、激光功率和激光扫描速度为主要自变量。仿真结果表明：由于激光熔覆过程具有局部的快速加热和冷却特性，高的温度梯度主要集中在激光熔覆区域及其附近；在激光熔覆高熵合金温度的空间分布非均匀性、激光辐照区域几何结构的非对称性等因素的影响下，x方向的最大残余拉应力大于y方向和z方向的最大残余拉应力；熔覆区域与基体结合区域存在几何结构突变及温度梯度，因此该区域存在应力集中；残余应力的形成与温度梯度、温度高低、结构约束等因素相关，因此，随着激光功率增大，熔覆层内x方向的最大残余应力增大，y方向的最大残余应力先降低后升高，z方向的残余应力增大；随着扫描速度增加，x方向的最大残余应力降低，y方向和z方向的最大残余应力均先升高后降低。随着激光扫描速度增加，在温度降低带来的热膨胀变形减小与非协调变形对应力影响的综合竞争下，最大残余拉应力增大。最后通过试验对仿真模型进行了验证，验证结果证明了模型的正确性。

反射镜在光学系统中占有很重要的地位。设计了一种轴式镜架正交的反射镜, 包含了一系列的结构几何对称要素, 其温升和耐振特性均满足使用要求。以三种常见材料作对比, 对反射镜结构的温度响应和振动响应进行了分析。采用有限元分析软件ANSYS Workbench, 得到了三种不同材料反射镜的温度场、热应力、模态、等效应力和应变情况。分析结果表明, 铸铁HT300的温度响应更小, 耐振性更好, 在光学系统的工程实践中有较大的应用空间。

以热光学分析为基础, 对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析, 将温度场映射到结构模型中, 利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据, 对正镜面形数据进行拟合和处理, 最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中, 分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10 mm; 当改正镜厚度为15 mm时, 改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求, 又能满足光谱仪性能指标, 为窗口的设计提供了依据。

为了减少熔覆开裂，提高熔覆质量，本文采用一定光束间距的并联双光束激光对铸铁表面进行熔覆，建立熔覆过程三维热力耦合模型，分析双光束激光熔覆热/力特征变化。计算结果表明，双光束激光在提高熔覆效率的同时，相邻两熔道彼此进行预热与缓冷，减小了激光熔覆过程中急剧升温与冷却产生的巨大温度梯度，降低熔层和结合区的残余应力水平，进而达到抑制裂纹产生的效果。1 800 W-1 400 W功率组合、光束间距为12.5 mm是较为理想的参数组合。

采用三维有限元分析方法对16MnR钢激光熔覆Ni-Cr-B-Si合金粉末过程进行了仿真分析，得到了不同激光熔覆参数（激光功率、扫描速度、光斑直径）下的温度场及残余应力分布。采用两种方法来判断最优的激光熔覆工艺参数：1)利用正交试验的直观分析法对基体材料热影响区深度进行进一步分析以获得最优参数；2)利用最大残余拉应力和材料断裂强度的比值来选择最优参数。两种方法得到的最优激光熔覆参数相同。