CN106803007A - 一种多次振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种多次振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法，属于机械制造与振动处理应用技术领域。装置包括试件隔断装置、模态激振器、试件隔断装置、功率放大器和信号发生器；用有限元分析软件静态分析模拟原始试件疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，分析试件受力情况，得到最优修复效果及其对应的参数；由于每次疲劳损伤后铜薄膜试件内部的微观组织变化都不同，需要用有限元软件进行瞬态分析以模拟振动修复处理实验，求得最优修复效果及其对应的参数，将每次得到的最优参数作为设备输出参数。本发明通过有限元模拟得到的最优参数指导实验进行多次振动修复处理，使试件的损伤不断擦除，每次的修复效果达到最佳，从而持续延长剩余寿命。

Description

一种多次振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法
技术领域
本发明属于机械制造与振动处理应用技术领域，特别提出了一种多次振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法。
背景技术
振动时效基本思想是通过对应力工件施以循环载荷使工件内应力释放从而使工件残余应力降低，尺寸稳定下来而达到时效之目的。它能有效愈合金属构件的疲劳损伤，延长其疲劳寿命，且生产周期短，处理地点灵活，耗能少，无环境污染，因此具有很大的实用价值和工程意义。铜薄膜广泛地应用于大规模集成电路及微电子机械系统中，在服役过程中常常受到循环应力应变的作用而失效甚至破坏，从而带来较大的经济损失，因此提高铜薄膜的使用寿命，采取有效的方法进行疲劳损伤修复是至关重要的。
有限元法是利用计算机而发展起来的一种有效的数值方法。对于振动处理的研究除了应用试验方法外，还可以利用有限元数值模拟的方法进行研究。而且有限元方法可以降低研究成本和研究时间，大大的节约了人力、财力和物力。
专利号为CN201610405871.0的学者曾提出“一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法”。该方法对于单次振动修复取得了较好的修复效果，但是在实际应用中，按其参数进行多次疲劳振动时，修复效果较差。对此，探究振动机理并且用有限元仿真求得多次振动最优参数从而指导试验，进一步提高铜薄膜疲劳寿命的方法是很必要的。
发明内容
本发明的目的是为了最大程度提高铜薄膜材料的疲劳寿命，提供一种新型的多次振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法。由于单次振动处理的方法对疲劳寿命的延长较有限，且用同一参数进行多次振动处理无明显效果。因此用有限元分析软件模拟多次振动修复处理试验，以求得每次最优修复效果及其对应的参数。将每次得到的最优参数作为设备输出参数，实现对每次损伤后的修复，从而持续延长其剩余寿命。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多次振动处理修复铜薄膜疲劳损伤的方法，其步骤包括如下：
步骤1)该振动处理装置包括试件隔断装置、模态激振器、波形发生器和功率放大器；其中试件隔断装置与模态激振器的振动台刚性固定在一起；模态激振器和功率放大器相连接；功率放大器和波形发生器连接，并且均与电源连接；
步骤2)用有限元分析软件静态分析模拟试件疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，分析试件受力情况，得到最优修复效果所对应的参数：频率和电压值；
步骤3)调整模态激振器位置使其保持水平，将铜薄膜试件水平放置在试件隔断装置内，使试件周围不受约束；
步骤4)依次开启功率放大器和波形发生器,待指示灯显示设备为正常运行状态，在波形发生器处输入步骤2)获得的最优频率和电压值，得到目标频率及振动加速度，设置输出波形为正弦波；
步骤5)参数设置完成后，启动波形发生器的输出键，并使试件处于自由振动状态；
步骤6)3小时后依次关闭波形发生器和功率放大器,将铜薄膜试件从试件隔断装置内取出；
步骤7)将修复后的铜薄膜试件再次进行疲劳损伤处理或应用，然后重复步骤2)-6)：用有限元分析软件静态分析模拟试件该次疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，分析试件受力情况，得到最优修复效果所对应的参数；用有限元仿真分析不同频率下的塑性应变，最小塑性应变对应的数值即为最优参数，将每次得到的最优参数作为设备输出参数，再将试件放入振动修复装置中，进行疲劳修复处理；
步骤8)用有限元仿真分析多次振动下的塑性应变，提取并输出最优参数，进行多次振动处理，直至铜薄膜试件最终疲劳断裂。
所述步骤3)和7)中，由于每次疲劳损伤后铜薄膜试件内部的微观组织变化都不同，需要用有限元软件进行瞬态分析以模拟振动修复处理实验，求得最优修复效果及其对应的参数，将每次得到的最优参数作为设备输出参数，才能实现对每次损伤后的修复。
所述步骤5)和步骤7)中的损伤程度一般选取为试件0.5倍原始寿命。损伤程度过小，无修复必要，损伤程度过大，出现疲劳裂纹后，方法不起作用。
本发明的创新在于：第一次修复后的铜薄膜试件再次受到疲劳损伤后，可针对该次损伤情况，用有限元软件进行分析以模拟损伤处理和振动修复处理试验，从而得到最优修复效果及其对应的参数。通过模拟得到的最优参数指导试验再次进行疲劳修复处理，使试件的损伤不断擦除，每次的修复效果达到最佳，从而持续延长剩余寿命；振动修复系统耗能少，无环境污染，简单且易操作，其工艺简单，方法实用，效果显著，有很大的实用潜力。
本发明的有益效果在于：通过采用上述多次振动处理修复疲劳损伤试件的方法使试件的损伤不断擦除，持续延长其剩余寿命，使累积疲劳寿命大幅度提高。
附图说明
图1为本发明中振动处理修复装置的示意图。
图2为本发明中待处理试件的示意图。
图3为本发明中试件放置的示意图。
图4为本发明中试件隔断装置的示意图。
图5实施例1试件第一次受损有限元仿真分析不同频率下的塑性应变。
图6实施例1试件第二次次受损有限元仿真分析不同频率下的塑性应变。
图7实施例1试件第三次受损有限元仿真分析不同频率下的塑性应变。
图中：1、试件隔断装置、2模态激振器，3、功率放大器，4、波形发生器，5、待处理试件，11、试件隔断装置单元。
具体实施方式
下面结合附图，通过举例对本发明方法做进一步的阐述，请参阅图1至图4。对试件施加最大应力为180MPa的脉动循环载荷，循环加载时间至试件0.5倍原始寿命，然后对其进行多次振动修复处理，直至试件断裂。一种多次振动处理修复铜薄膜疲劳损伤的方法，其步骤为：
步骤1)提供振动处理修复装置，所述振动处理修复装置包括试件隔断装置1，模态激振器2，功率放大器3和波形发生器4；所述试件隔断装置1和模态激振器2的振动台刚性固定在一起；所述模态激振器2和功率放大器3连接；所述波形发生器4和功率放大器3连接，并且均与电源连接；由于在振动处理修复试验过程中，所述试件隔断装置1包括6个相同大小的试件隔断装置单元11，用以对损伤试件5进行振动修复处理；
步骤2)用有限元分析软件静态分析模拟原始试件疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，分析试件受力情况，得到最优修复效果所对应的参数；
步骤3)调整模态激振器位置使其保持水平，将存在疲劳损伤的铜薄膜试件5水平置于试件隔断装置单元11内的中心位置；
步骤4)依次开启功率放大器3和波形发生器4,指示灯显示状态为正常运行状态，通过波形发生器4的频率键和电压键设置输出频率65HZ和电压640mV；
步骤5)参数设置完成后，启动波形发生器4的输出键，使试件隔断装置1中的损伤试件5处于自由振动状态；
步骤6)振动处理3小时后，依次关闭波形发生器4和频率放大器3，取出试件隔断装置单元11中的试件5；
步骤7)对取出的试件再次施加最大应力为180MPa的脉动循环载荷，循环次数为原始寿命的一半，试验完成后再次进行疲劳损伤试验。针对该次损伤情况，用有限元静态分析模拟试件该次疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，求得最优修复效果所对应的参数。用有限元仿真分析不同频率下的塑性应变，最小塑性应变对应的数值即为最优参数，由图5可知频率为65Hz时塑性应变最小，所以试件第一次振动的最优参数为频率65Hz，电压值780mV，加速度5g。由图6可知该试件第二次振动的最优参数为，频率105Hz，电压值800mV，加速度5g。由图7可知该试件第三次振动的最优参数为，频率100Hz，电压值800mV，加速度5g。将每次得到的最优参数作为设备输出参数，再将试件放入振动修复装置中；振动3小时后依次关闭波形发生器4和频率放大器3；
步骤8)重复步骤7)，用有限元仿真分析多次振动处理下的塑性应变，提取并输出最优参数，进行多次振动处理，直至铜薄膜试件最终疲劳断裂，进一步提高试件的使用寿命，使之使用寿命最大化。
本发明通过采用上述的多次振动处理方法修复铜薄膜材料的疲劳损伤，使材料的累积寿命实现最大化地提高。试验结果显示：通过有限元模拟得到的最优参数指导试验进行多次振动修复处理，使试件的损伤不断擦除，每次的修复效果达到最佳，从而持续延长剩余寿命。

Claims (3)

1.一种多次振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法，其特征在于：该装置的步骤如下：
步骤1)该振动处理装置包括试件隔断装置、模态激振器、波形发生器和功率放大器；其中试件隔断装置与模态激振器的振动台刚性固定在一起；模态激振器和功率放大器相连接；功率放大器和波形发生器连接，并且均与电源连接；
步骤2)用有限元分析软件静态分析模拟试件疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，分析试件受力情况，得到最优修复效果所对应的参数：频率和电压值；
步骤3)调整模态激振器位置使其保持水平，将铜薄膜试件水平放置在试件隔断装置内，使试件周围不受约束；
步骤4)依次开启功率放大器和波形发生器,待指示灯显示设备为正常运行状态，在波形发生器处输入步骤2)获得的最优频率和电压值，得到目标频率及振动加速度，设置输出波形为正弦波；
步骤5)参数设置完成后，启动波形发生器的输出键，并使试件处于自由振动状态；
步骤6)3小时后依次关闭波形发生器和功率放大器,将铜薄膜试件从试件隔断装置内取出；
步骤7)将修复后的铜薄膜试件再次进行疲劳损伤处理或应用，然后重复步骤2)-6)：用有限元分析软件静态分析模拟试件该次疲劳损伤过程，用瞬态动力学分析模拟振动处理过程，分析试件受力情况，得到最优修复效果所对应的参数；用有限元仿真分析不同频率下的塑性应变，最小塑性应变对应的数值即为最优参数，将每次得到的最优参数作为设备输出参数，再将试件放入振动修复装置中，进行疲劳修复处理；
步骤8)用有限元仿真分析多次振动下的塑性应变，提取并输出最优参数，进行多次振动处理，直至铜薄膜试件最终疲劳断裂。
2.根据权利要求书1所述的基于多次振动处理的一种铜薄膜试件疲劳损伤的修复方法，其特征在于：所述步骤3)和7)中，由于每次疲劳损伤后铜薄膜试件内部的微观组织变化都不同，需要用有限元软件进行瞬态分析以模拟振动修复处理实验，求得最优修复效果及其对应的参数，将每次得到的最优参数作为设备输出参数，才能实现对每次损伤后的修复。
3.根据权利要求书1所述的基于多次振动处理的一种铜薄膜试件疲劳损伤的修复方法，其特征在于：所述步骤5)和步骤7)中的损伤程度一般选取为试件0.5倍原始寿命。损伤程度过小，无修复必要，损伤程度过大，出现疲劳裂纹后，方法不起作用。
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