纳米银焊膏粘接界面的本构描述

摘要

本文将一种同时考虑界面可恢复弹性变形与不可恢复塑性变形的界面模型嵌入有限元分析软件ABAQUS的用户自定义材料子程序VUMAT中，并利用它来模拟新型界面材料纳米银焊膏搭接结构在不同温度和加载率下的剪切力学响应，得到了与实验较为一致的结果。本文还提出一种形式简单的内聚力界面模型，并通过数值分析软件MATLAB拟合参数，对实验结果进行预测。
　　经计算可知，对弹塑性界面模型，描述界面塑性段响应的内变量演化方程中的两个参数——内变量初始值和饱和值对曲线形状有较大影响，内变量初始值决定界面进入塑性时的应力而饱和值是界面应力的极限值。对界面位移的耦合使得模型在不同法向加载率与切向加载率比值（其正切值定义为加载角度）下有不同的力学响应。研究表明，随加载角度的增加，法向响应逐渐向纯法向加载下的曲线逼近，而切向响应则逐渐背离纯切向加载下的曲线。
　　结合VUMAT开发实际，对其在计算过程中的调用方式、变量传递顺序和子程序中参数的功能等关键问题进行了探索，为VUMAT的成功嵌入提供指导，重点研究了子程序中状态变量的使用。利用嵌入VUMAT的弹塑性本构模型对纳米银焊膏单面搭接实验进行了模拟。在拟合模型参数的过程中发现，同一温度不同加载率下的实验数据所对应的模型塑性参数只有内变量饱和值随加载率变化，在实验温度和加载率范围内内变量演化方程中的指数均为1。此外，对内变量饱和值率相关与温度相关进行了描述，得到了与实验吻合良好的结果。不同温度下，内变量饱和值表达式中的激活能均为100kJ/mol，剩下的三个系数分别有着相同的数量级。
　　率相关内聚力模型基本能描述实验结果的特性。随着温度的升高，该模型中的两个主要参数——纯加载模式下的最大应力和界面完全分离位移分别随之降低和增加。

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第一章 文献综述

1.1 粘接结构在工程中的应用

1.2 粘接结构模拟方法的发展及应用

1.3 VUMAT子程序的发展和应用

1.4 新型热界面材料纳米银焊膏简介

1.5 本文的主要研究内容及意义

第二章 界面本构模型分析

2.1 界面的定义

2.2 内聚力界面模型

2.3 弹塑性界面模型

2.4 本章小结

第三章 模型子程序的开发与嵌入

3.1 有限元分析软件ABAQUS子程序介绍

3.2 自定义材料子程序VUMAT

3.3 弹塑性界面模型VUMAT的开发与测试

3.4 内聚力界面模型VUMAT的开发与测试

3.5 本章小结

第四章 模型在纳米银焊膏粘接结构中的应用

4.1 纳米银焊膏搭接接头的剪切响应

4.2 弹塑性界面模型对搭接接头剪切行为的模拟

4.3 内聚力模型对搭接接头剪切行为的模拟

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录I：主要符号说明

致谢