1 深圳大学 机电与控制工程学院 深圳市高性能特种制造重点实验室， 广东深圳58060
2 香港理工大学 工业及系统工程系 超精密加工技术国家重点实验室， 中国香港999077
热压印技术是实现高性能玻璃微光学元件低成本绿色制造的有效途径，但是，由于加热冷却周期较长，温度均匀性不高，其制造效率和成型质量被限制。因此，有必要开发高温快速均匀加热模块，实现高效高质热压印成型。首先，基于氮化硅陶瓷加热片设计制造加热模块，搭建加热测试平台，实现加热模块表面温度分布的实时监测；然后，开展恒电压加热重复性测试，评估实验结果的可靠性；接着，建立和修正加热模块恒电压加热有限元仿真模型，并结合有限元仿真模型和正交试验法对加热模块结构进行优化，以提高加热速率和温度均匀性。实验结果表明：优化后的加热模块不仅加热速率快，而且温度分布均匀。进行180 s恒电压加热测试时，加热模块的升温速率可达363 ℃/min，表面温差为10.7 ℃。对加热模块进行700 ℃控温加热时，实测温度曲线与设定温度曲线基本一致，温度波动在0.3 ℃以内，尤其中心20 mm×30 mm区域的温差在2 ℃左右。最后，将高温快速均匀加热模块集成于热压印装置，实现了N-BK7玻璃微结构阵列的高效率高质量热压印成型。
热压印 加热 温度均匀性 有限元仿真 正交试验 hot embossing heating uniformity of temperature finite element simulation orthogonal experiment 光学 精密工程
2023, 31(15): 2203
红外与激光工程
2023, 52(7): 20220898
中国激光
2023, 50(15): 1507204
中国激光
2023, 50(12): 1202303
激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1028011
1 常州大学 机械与轨道交通学院，江苏常州2364
2 常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州130
大功率LED车灯采用风扇进行强制对流散热，针对风扇周边空间尺寸影响车灯散热性能的问题，采用有限元仿真、均匀设计法及响应面分析相结合的研究方法进行优化研究。首先，利用有限元软件FloEFD研究了风扇护风罩与壁面的径向距离A、风扇入风口与壁面的距离B及风扇出风口与散热器的距离C三个设计参数对大功率LED车灯风冷散热系统散热性能的影响；然后，使用均匀设计法设计试验方案进行响应面分析并拟合出三个参数与LED焊点温度之间的回归模型，利用Pareto分析法确定三个参数对系统散热性能的影响大小；最后，利用Minitab软件的响应优化器，以LED结温最小化为目标，确认三个参数的最佳组合是A为8.4 mm、B为16.3 mm、C为4.3 mm。通过对最佳组合进行实验，表明此组合具有最优的散热性能，同时仿真和实验结果具有一致性，验证了仿真的可靠性。
发光二极管车灯 有限元仿真 响应面法 风冷散热 LED headlight finite element simulation response surface method air cooling
1 宁夏大学宁夏光伏材料重点实验室, 银川 750021
2 宁夏大学物理与电子电气工程学院, 银川 750021
连续拉晶用石英坩埚的内壁会随拉晶次数的增多而形成更多的气泡, 易在晶体中产生位错和侵蚀性硅熔体, 导致坩埚随时间溶解和腐蚀等。为研究侵蚀性硅熔体与气泡相互作用对坩埚的影响, 研究人员期望对石英坩埚的性能进行原位观察, 然而, 单晶炉内的极端高温环境使得很难通过实验手段对其内部进行研究。本文以石英坩埚内表面气孔-裂纹为研究对象, 采用有限元模拟获得了高温循环载荷下石英坩埚不同气孔形态、裂纹形状和裂纹倾斜角度的各拉晶阶段应力强度因子(KⅠ、KⅡ、KⅢ), 分析了总应力强度因子的分布规律。结果表明: 随着裂纹倾斜角的增加, KΙ值呈现逐渐减小的趋势, KⅢ值呈现先增大后减小的趋势, 且KⅢ值沿倾斜角45°对称; 随气孔深径比增大, KΙ值呈现减小趋势, 且减小速率以深径比等于1为界有明显的增大, KⅢKΙ, 说明裂纹主导形式为Ⅰ型; 裂纹形状比对KΙ或KШ值影响显著, 形状比越小, 裂纹尖端应力强度因子值越大; 当倾斜角为0°时, 总应力强度因子K值最大, 此时裂纹扩展趋势最强, 对石英坩埚危害最高; 此外, 连续拉晶下放肩阶段的总应力强度因子总是大于等径、收尾、冷却阶段。仿真结果对实际生产有一定的理论指导意义。
石英坩埚 气孔 深径比 裂纹形状 应力强度因子 有限元模拟 quartz crucible pore depth/diameter ratio crack shape stress intensity factor finite element simulation
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 723200
面剪切振动模式产生于［011］极化方向zxt-45°切型的压电单晶, 因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点, 故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择, 在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理, 推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型, 研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律, 优化结构尺寸, 最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g, 工作频带为20 Hz~3 kHz, 横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明, 与传统的剪切式加速度计相比, 所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时, 电压灵敏度提高了11.6%, 这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。
压电加速度计 压电单晶 面剪切模式 有限元仿真 高灵敏度 piezoelectric accelerometer piezoelectric single crystal face shear mode finite element simulation high sensitivity
东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096
该文设计了一种具有高灵敏度、低交叉耦合的双轴谐振式微加速度计, 使用工型梁作为解耦梁, 通过微杠杆机构实现力的放大, 结构呈中心对称形式, 采用差分检测工作方式。通过仿真分析对结构进行优化并完成加速度计整体结构设计, 进而提高加速度计灵敏度, 降低交叉耦合。对加速度计结构进行模态分析、灵敏度分析、交叉耦合分析和谐响应分析, 结果表明, 在±20g量程范围内, x向标度因数为423.6 Hz/g, y向标度因数为421.8 Hz/g, x向交叉灵敏度为0.000 047%, y向交叉灵敏度为0.000 78%。仿真结果验证了所设计结构的可行性。
双轴加速度计 高灵敏度 交叉耦合 有限元仿真 结构设计 biaxial accelerometer high sensitivity cross coupling finite element simulation structure design
1 华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室, 广东 广州 510640
2 广州市艾佛光通科技有限公司, 广东 广州 510700
外部激励施加于薄膜体声波谐振器(FBAR)时会激发纵向与横向剪切的振动, 引发能量损耗, 为了减少寄生谐振, 降低FBAR器件的工作损耗, 提高器件的品质因数, 故需要抑制横向剪切振动。该文采用有限元仿真法讨论了顶电极边缘负载参数对FBAR器件横向寄生的影响, 并通过COMSOL仿真软件实现且制备了结构完整的谐振器。测试结果表明, 负载结构可有效提升器件品质因数约10%。
薄膜体声波谐振器 边缘负载 有限元仿真 寄生 FBAR edge load finite element simulation parasitics
