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内聚力模型(CZM)的原理与应用-上

18天前浏览1007

本文摘要:(由ai生成)
本文介绍了结构应力仿真中预测断裂或界面分层问题的一种方法——内聚力模型(CZM)。该模型用于模拟物体间粘合作用及界面细微断裂或渐进失效现象,主要分为张开型、滑开型和撕开型三种断裂/分层模式。CZM模型采用双线性本构关系描述张力位移关系,并通过初始斜率、峰值力和破坏位移或三角形面积等参数描述损伤演化。文章还介绍了能量释放率的概念及初始损伤准则的确定方法,包括最大名义应力准则和二次名义应力准则。最后,作者预告了下一篇文章将基于ANSYS Workbench软件介绍CZM的应用。

 
在结构应力仿真中,不可避免的会接触到结构断裂或界面分层等问题,此类问题往往困扰结构应力工程师,那么有没有一个好的方法来预测断裂或者界面分层呢?今天给大家介绍一种很好的方法,叫做内聚力模型,简称CZM(Cohesive Zone Model)。此模型用于模拟两个物体之间的粘合作用,在一定的外界条件下,两物体的接触界面发生细微的断裂或者渐进失效,导致界面分离的现象。下面就对内聚力模型的原理及应用进行介绍。

1、断裂模式

      在介绍内聚力模型之前,需要了解一下断裂/分层模式。通常的断裂/分层模式主要有三种,Model Ⅰ(张开型)、Model Ⅱ(滑开型)、Model Ⅲ(撕开型)。张开型为法相应力主导,界面在法相应力的作用下发生分层;滑开和撕开型为剪切应力主导,二者比较相近,因此在理论上不对两种类型进行区分。在实际较为复杂的工程问题中,一个分层问题往往包含法向和切向两种应力主导的情况,因此衍生出混合型断裂/分层模式。

2、内聚力模型的原理

      为了描述上述的现象,提出了内聚力(CZM)模型,研究学者依据不同材料所具有的损伤破坏特性,提出众多内聚力模型的张力位移关系,主要有双线性、梯形、指数型以及多项式等形式,其中应用最广泛的是双线性本构。此模型共分为两个阶段,第一阶段随着应变的增加,应力逐渐增大,当达到最大时分层产生;随着应变的继续增大,应力逐渐减小直至为零,此时完全分层。

为了描述此关系,需要用到三个参数。
  • 基于位移的损失演化方法:告知初始斜率、峰值力、破坏时的位移。
      其中,初始斜率为第一段线段的斜率,斜率值代表了界面的刚度;峰值力代表了界面能够承受的最大的载荷;破坏时的位移代表了界面完全分离时的变形值。
  • 基于能量的方法:告知初始斜率,峰值力以及三角形面积。
      其中,初始斜率与峰值力同位移损失演化方法;三角形面积为两条线段与横轴围成的面积值,实际代表了界面完全破坏时的能量释放率。
      在这里解释一下能量释放率。按照线弹性断裂力学的能量观点,断裂发生的条件是:当裂纹扩展所释放出来的变形能等于或者大于裂纹扩展所需要的能量时,裂纹将失稳扩展。这个观点就是Griffith理论,又叫能量释放率准则,简称G准则。
      能量释放率是根据Griffith的能量释放观点而定义的量,其定义如下:能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时,每单位厚度所释放出来的能量。为了纪念Griffith的功绩,用G来表示,其单位为j.m^-2。
      大家可以注意到,在双线性本构模型中,还有一条虚线,此虚线表示过峰值点后卸载再加载的力学行为,峰值后的力学行为称为损伤后的力学行为(损伤演化),即在峰值前材料是线弹性的,一旦超过峰值点,就会有刚度退化的现象,此时加载力时是沿着虚线的方向。
      此外,对于内聚力模型,初始损伤准则的确定至关重要。应用比较广泛的初始损伤准则主要有两种,分为最大名义应力准则和二次名义应力准则。
  • 最大名义应力准则:某一个方向的力达到最大值时,材料就开始损伤;
  • 二次名义应力准则:三个方向的平方和等于1时达到损伤判据,相对更为保守。
     

      其中tn、ts、tt分别代表了界面受到的法向应力与两个方向的剪切应力, 分别代表了界面能够承受的最大的法向应力与两个方向的剪切应力。
      以上即为内聚力模型的基本原理,希望可以帮到大家,下一篇文章会基于ANSYS Workbench软件介绍内聚力模型的应用,敬请期待。
      如果此文章能够帮到您,请不吝点赞及在看,并分享给更多需要的人。另外作者曾收到一些读者留言,但由于查看消息不及时导致无法回复,在此表示诚挚的歉意。为避免此问题再次发生,各位读者可添加作者微 信,有问题相互讨论,大家共同进步。



来源:芯片封装设计与制造
Workbench断裂裂纹理论材料ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-11-03
最近编辑:18天前
陈皮糖
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中国芯片设计业发展趋势分析

中国芯片设计在过去十年间具有较快发展,2023年统计涉及的集成电路设计企业数量为3451家,比上年的3243家增加了208家。虽然数量保持增加,但设计企业的数量增速进一步下降。并且这些增加的企业中有相当一部分属于已有企业异地发展的结果,实际增加新的设计公司并不多。 2023年芯片设计行业预计销售额为5774亿元,相比2022年增加8%,增速比去年降低8.5个百分点,趋势芯片设计企业数量变化趋势相同。按照美元与人民币1:7的平均兑换率,全年销售额为824.9亿美元,占全球集成电路产品市场的比例略有提升。 2022年与2023年我国芯片设计产业主要发展区域情况如下: 地区和主要城市 2022年 2023年 增长 长江三角洲 上海 1350 1400 3.70% 杭州 520.9 619.5 18.93% 无锡 531.2 589.7 11.01% 苏州 122 137 12.30% 南京 342 376.2 10.00% 合肥 93.6 89.9 -3.95% 小计 2959.7 3212.4 8.54% 珠江三角洲 深圳 724.2 1201.5 65.91% 珠海 118.2 126.1 6.68% 香港 - - - 福州 26 21 -19.23% 厦门 53 53 0.00% 广州 42.2 40.7 -3.55% 小计 963.6 1442.3 49.68% 京津环渤海 北京 845 907.5 7.40% 天津 102.3 97.3 -4.89% 大连 4.5 3.1 -31.11% 济南 70.7 81.6 15.42% 小计 1023.4 1089.4 6.45% 中西部地区 成都 213.6 223.9 4.82% 西安 212.8 233.9 9.92% 武汉 260 220 -15.38% 重庆 52 62 19.23% 长沙 116.6 123.2 5.66% 小计 855 862.9 0.92% 总计 5801.7 6607 13.88% 共统计了长江三角洲、珠江三角洲、京津环渤海以及中西部地区四个区域的芯片设计企业销售额情况,相比于2022年,2023年四个区域的销售额均有所增加。 上海在全国芯片设计企业所在城市中,销售额最高,2022年与2023年的销售总额均超过千亿人民币,同时长江三角洲也是国内芯片设计企业销售额最多的区域; 珠江三角洲的销售总额位居第二,2023年的销售总额超过千亿人民币。值得注意的是,珠江三角洲的芯片设计销售增速最高,为49.68%,其中深圳在2023年珠江三角洲销售总额的83.3%,增速也是全国最快,为65.91%。 北京是京津环渤海地区的销售主力,2023年销售总额为907.5亿元人民币,占京津环渤海地区销售总额的83.3%。虽然京津环渤海销售额整体呈现增长趋势,但天津、大连的销售额均出现降低的情况,其中天津降低4.89%,大连降低31.11%。 中西部地区在2023年相比于2022年销售总额稍有增加,为0.92%,其中成都、西安与武汉三个城市并驾齐驱,其中西安在销售总额上反超成都,在中西部地区位列第一;武汉在2023年销售额有所降低,为-15.38%,销售额由2022年的第一名掉到西安与成都之后。 2023年各地区销售总额情况如下,其中长江三角洲占比48.6%位列第一,珠江三角洲占比21.8%位列第二,京津环渤海占比16.5%位列第三,中西部地区占比13.1%位列第四。 在全国主要的芯片设计企业所在城市中,增速最高的十个城市如下所示: 在参与统计的20个城市(不含香港)之中,有5个城市的设计业出现负增长。下表给出了2023年按照增长速度排列的前10个城市。其中,排在第一位的是深圳,增长65.9%;第二名为重庆,增长19.2%;杭州增长18.9%,济南增长15.4%,苏州增长12.3%,无锡增长11.0%,南京增长10.0%。 序号 2022年 2023年 城市 增长率 城市 增长率 1 武汉 98.1% 深圳 65.9% 2 成都 55.4% 重庆 19.2% 3 无锡 49.0% 杭州 18.9% 4 重庆 48.6% 济南 15.4% 5 合肥 47.2% 苏州 12.3% 6 杭州 42.0% 无锡 11.0% 7 济南 40.6% 南京 10.0% 8 苏州 35.6% 西安 9.9% 9 广州 33.3% 北京 7.3% 10 长沙 32.8% 珠海 6.6% 在全国主要的芯片设计企业所在城市中,规模最大的十个城市如下所示: 上海、深圳、北京继续把持前三位,但深圳和北京的位置颠倒。杭州的设计业规模达到619.5亿元,首次超过无锡。虽然无锡设计业规模为589.7亿元,达到历史新高,比上年增长11%,但与杭州设计业18.9%的增速相比还是差了不少。进入前十的城市设计规模均超过130亿元,门槛提高到了137亿元,提升了15亿元。 序号 2022年 2023年 城市 销售额 城市 销售额 1 上海 1350 上海 1400 2 北京 845.8 深圳 1201.5 3 深圳 724.2 北京 907.5 4 无锡 531.3 杭州 619.5 5 杭州 520.9 无锡 589.7 6 南京 342 南京 376.2 7 武汉 260 西安 233.9 8 成都 213.6 成都 223.9 9 西安 212.8 武汉 220 10 苏州 122 苏州 137 总计 5122.6 5909.1 销售过亿企业分布如下: 区域 2022年 2023年 数量 占比 数量 占比 珠江三角洲 125 22.10% 124 19% 长江三角洲 257 45.40% 311 49.80% 京津环渤海 93 16.40% 91 14.60% 中西部地区 91 16.10% 99 15.80% 总计 566 100% 625 100% 销售过亿企业主要分布在长江三角洲地区,占比为49.8%。上海、深圳、北京继续把持前三位,但深圳和北京的位置颠倒。 2022年 2023年 城市 数量 占比 城市 数量 占比 上海 80 14.1% 上海 90 14.4% 深圳 76 13.4% 深圳 74 11.8% 北京 68 12.0% 北京 67 10.7% 南京 53 9.4% 南京 53 8.5% 杭州 46 8.1% 杭州 51 8.2% 无锡 42 7.4% 无锡 46 7.4% 成都 35 6.2% 苏州 44 7.0% 合肥 23 4.1% 成都 35 5.6% 西安 22 3.9% 合肥 27 4.3% 珠海 19 3.4% 西安 26 4.2% 长沙 18 3.2% 珠海 23 3.7% 广州 17 3.0% 长沙 20 3.2% 济南 15 2.7% 广州 15 2.4% 苏州 13 2.3% 济南 12 1.9% 厦门 9 1.6% 厦门 11 1.8% 天津 8 1.4% 天津 10 1.6% 武汉 8 1.4% 武汉 10 1.6% 重庆 8 1.4% 重庆 8 1.3% 福州 2 0.4% 大连 2 0.3% 大连 2 0.4% 福州 1 0.2% 香港 2 0.4% 香港 NA NA 总计 566 100.0% 625 100.00% 统计了设计企业人员情况,在2023年,有34家企业人数超过1000人,与2022年持平;有65家企业人员规模为500~1000人,比2022年增加了2家;人员规模100~500人的企业有461家,比2022年增加26家;但占总数83.77%的企业是人数少于100人的小微企业,共2891家。从总体数量上来看,小微企业仍然占了绝大多数。 设计企业人员情况 n≥1000 1000>n≥500 500>n≥100 n<100 总计 2022年 34 63 435 2711 3243 1.05% 1.94% 13.41% 83.60% 100.00% 2023年 34 65 461 2891 3451 0.99% 1.88% 13.36% 83.77% 100.00% 2023年我国芯片设计业的从业人员规模大约为28.7万人,人均产值为200.1万元人民币,约合28.6万美元,由于人数增加较快和汇率的影响,人均劳动生产率出现负增长。 我国芯片设计业产品领域分布情况如下所示,其中排名前三的分别为消费类、通信类以及模拟类,其中消费类企业数量最多,占比44.5%,销售额占比最大为35.9%;通信类企业占比18.8%,销售总额占比30.4%,排名第二;模拟类企业数量占比12.8%,销售占比9.6%,位居第三。 产品领域分布情况 序号 领域 2023年 销售占比 企业 比例 销售总额 1 通信 650 18.8% 1753.4 30.4% 2 智能卡 101 2.9% 129.5 2.2% 3 计算机 277 8.0% 496.3 8.6% 4 多媒体 85 2.5% 271 4.7% 5 导航 101 2.9% 87.3 1.5% 6 模拟 443 12.8% 551.8 9.6% 7 功率 257 7.4% 411 7.1% 8 消费类 1537 44.5% 2073.8 35.9% 总计 3451 100.0% 5774.1 100.0% 根据2023年上半年已经上市的108家设计企业的半年报数据,可以看到上市企业的销售收入总和为1358.9亿元人民币,占全行业的比重为23.5%,利润总和为63.6亿元,利润率为4.7%,盈利企业66家,亏损企业42家,也就是说38.9%的企业上半年出现亏损。虽然这些数据不能说明上市公司2023年全年的情况,但也提醒我们,即便是上市企业,今年的情况也不容乐观。上市企业发展质量还需改善。 这两年,Chiplet一词出现的频率很高。其实,这一技术已经在产业界存在十多年了,之所以最近成为大家关心的热门,是因为Chiplet能够在一定程度上缓解性能、功耗、成本等因素相互制约的矛盾。 目前存在两种极端的认知,一种是认为Chiplet无所不能,甚至坚信它是未来集成电路的唯一发展方向。另外一种是认为Chiplet不过是一种封装技术,不必要将其看的太重,单片集成永远是解决问题的正道和王道。 历史的经验告诉我们,任何一个产品能否持续发展,技术因素确实重要,但经济性才是决定性的因素。Chiplet可以在很大程度上降低使用最先进工艺的要求,在成本上大大缓解先进工艺带来的高额费用,确实有吸引力。Chiplet有可能派生出一个采用第三方小芯片,按照应用需求,通过混合堆叠和集成打造芯片级系统的新商业模式,甚至新业态。 中国集成电路设计业的发展已经走过了将近三十年的发展历程,从开始的个位数企业,寥寥数千万元销售收入成长为今天拥有3000多家企业,销售收入超过5000亿元的企业群体,在全球占有重要的一席之地。 如果说,中国集成电路设计产业的发展之前更多还是跟随和模仿其它先进国家和地区,今天我们已经清醒地认识到面对中国这个庞大的市场和当前的国内外形势,简单地跟随已经不行了,必须要走出一条自己的道路。 如果说之前的全球化,中国更多地是被动的跟随,在全球化过程中,中国必须主动并有所作用。要想实现这一点,就必须让我们的产品走在国际前列。这也意味着设计业的任务和使命将与之前完全不同,这既是挑战,更是机遇。 来源:芯片封装设计与制造

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