针对数控机床主轴-立柱系统因受热变形而影响机床加工精度的问题, 本文基于能量守恒定律建立了主轴-立柱系统耦合分析模型来获取其热态特性。该模型综合考虑了热源计算、传热系数计算、结构约束以及散热面放置情况等因素, 并采用风速法来获取主轴与空气间的传热系数。为了验证主轴-立柱系统耦合分析模型的有效性, 本文设计并搭建了数控机床热态特性试验平台, 以具体数控机床为研究对象获得了其主轴-立柱系统的温度场分布、热变形以及热平衡时间等热态特性。试验结果表明: 各测点数据中温度的最长绝对误差和最大相对误差分别为0.71 ℃, 294%, 出现在主轴体的测点处, 热变形的绝对误差和相对误差分别为1.49 μm, 8.71%, 采用风速法建立的主轴-立柱系统耦合分析模型所获得的热态特性与试验获得的结果基本一致。本文的研究成果为数控机床减少热误差, 提高精度保持性提供了参考。

利用分步傅里叶算法求解锥形半导体激光放大器中的稳态行波方程,对线性张角结构和非线性张角结构波导形状的激光放大器进行光学和热学性质的数值模拟。通过比较两种结构的激光放大器的输入电流-输出功率曲线,输入功率-输出功率曲线和光丝形成数量,研究放大器中光丝的形成机理,解释两种激光放大器中不同光场分布的原因。结果表明,非线性张角结构的放大器不仅能使增益分布和光场分布更契合,而且能减小波导边缘反射光和入射光的耦合,所以有着更高的光光转换效率和更稳定的模式输出。

基于Comsol Multiphysics平台, 通过使用有限元仿真对三维集成电路的硅通孔(TSV)模型进行了热仿真分析。分别探究了TSV金属层填充材料及TSV的形状、结构、布局和插入密度对三维(3D)集成电路TSV热特性的影响。结果表明: TSV金属层填充材料的热导率越高, 其热特性就越好, 并且采用新型碳纳米材料进行填充比采用传统金属材料更能提高3D集成电路的热可靠性; 矩形形状的TSV比传统圆形形状的TSV更有利于3D集成电路散热; 矩形同轴以及矩形双环TSV相比其他结构TSV, 更能提高TSV的热特性; TSV布局越均匀, 其热特性越好; 随着TSV插入密度的增加, 其热特性越好, 当插入密度达6%时, 增加TSV的数目对TSV热特性的影响将大幅减小。

立式加工中心主轴系统的热特性是影响其加工精度的主要因素之一, 对立式加工中心主轴系统进行热特性相关分析尤为重要。对VMC850E立式加工中心进行研究, 利用API主轴热漂移误差分析仪, 采用先进电容式或电感式传感器以及接触式测温传感器, 分析主轴温升情况与热漂移之间的关系。从实验数据的变化趋势可以得出: 主轴在温升阶段径向和轴向热漂移均增大, 其中Y轴方向热漂移最大, 各个方向的热漂移均有先下降后上升的趋势, 进而在加工过程中对主轴的润滑和冷却便提出了更高的要求。

机床的热态性能已成为影响高速机床工作性能的最重要的因素之一。主轴是机床的关键功能部件, 其热态特性在很大程度上决定了机床的切削速度和加工精度, 是影响机床精度提升的最重要因素。因此, 在主轴的设计阶段减少机床热误差的影响, 对于提高机床的热态特性十分重要。在过去的近一个世纪时间中, 国内外众多学者针对主轴热设计方法开展了研究探索, 基于热设计的过程可以分成三部分内容: 热态特性分析方法, 热设计与优化方法和热态特性试验方法。先通过主轴热态特性(如温度场分布、热变形、热平衡时间等)建模与分析获取必要的参数, 然后以此为基础开展主轴结构设计优化、材料设计优化和冷却系统设计等热设计措施, 获得较佳的主轴热态特性, 最后通过热态特性试验来校验分析和设计优化的结果, 整个过程循环直至达到满意结果为止。本文以此为脉络展开, 分别探讨了三部分内容的国内外典型研究现状、主要研究内容和所存在的优缺点, 并对未来的研究趋势进行了展望。

采用COMSOL有限元分析软件的固体传热模块, 对有机电致发光器件(OLED)的热学特性进行了仿真, 发现器件温度随着输入功率成线性增大。在驱动电流为150 mA·cm-2时, 仿真结果表明, Alq3发光层的最高温度为82.994 3 ℃; 玻璃基板下表面的最高温是77.392 6 ℃; 器件阴极表面中心区域的最高温度为82.994 2 ℃, 其平均温度为78.445 ℃。通过改变功能层热传导率、功能层厚度、对流换热系数、表面发射率等参数模拟其对OLED器件热学特性的影响, 结果表明, 当增加基板的热传导率时, OLED器件温度显著下降而且表面及内部温度梯度大幅减小; 提高空气对流换热系数及基板的表面发射率, OLED的温度可以大幅减小。而其他参数则对其影响并不明显。

在半导体激光器芯片与热沉的焊接过程中不可避免地会在焊料层产生一些空洞,而空洞会在铟的电迁移以及电热迁移作用下慢慢变大,使芯片局部温度迅速上升, 进而影响半导体激光器的性能。针对10 W的808 nm单管焊装半导体激光器建立三维有限元模型, 分别模拟计算了空洞面积、空洞厚度和空洞位置与结温的关系。芯片出光面边缘的有源区区域形成的空洞对芯片的结温影响更为显著, 最后得到空洞面积与器件结温的关系, 并表明对空洞率控制的重要性。

由于芯片之间存在的热耦合效应, 多芯片LED器件内部存在复杂热学规律。本文通过多芯片LED热学模型描述多芯片LED器件系统内部热阻支路路径, 进而通过有限体积数值计算多芯片LED器件结温。通过本文试验验证, 单颗芯片、2颗芯片、3颗芯片以及4颗芯片在负载不同电功率(0.3~1.2 W)情况下,结温的测试值和计算值的最小误差值为0.8%, 最大误差值为6.8%, 平均误差值为3.4%, 计算结果与测试结果基本保持一致, 因此有利论证了多芯片LED热学模型可为评价多芯片LED器件热学性能提供重要的参考作用, 有助于更全面分析多芯片LED热阻内部芯片之间的热耦合效应。该实验结果为准确预测多芯片LED器件内部结温提供了重要理论依据。