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高温温差发电半导体焊层应力场分析及疲劳寿命研究

作　者: 冯倩
导　师: 孙登月
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 高温温差发电器焊层热应力发电性能疲劳寿命
分类号: TM913
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

随着人类生活水平的日益提高，人们对现代化的需求越来越高，环境恶化和能源危机成为我们迫切需要解决的问题，于是资源的有效利用成为我们关注的焦点。生活生产中的余热和废热以及绿色能源的利用变得尤为重要，温差发电技术可以利用热电效应将热能直接转换为电能。中国在温差电方面的研究主要是在制冷应用比较成熟，而在发电方面的进展相对缓慢。发电方面的研究主要集中在温差材料方面，目的是提高优值系数从而优化发电性能，但是对于结构完整的温差发电器在工作性能方面的研究还不深入，可以根据温差发电器的实际结构建立数值模型并进行分析。在温差电单体的组成部分中，焊层在起到连接作用的同时，还需要导电导热和耐高温，所以焊层部分成为温差发电器中的关键技术部分，它的应力场分布情况和寿命长短是衡量温差电单体性能好坏的一个标准。本文是基于温差发电技术的基础理论以及温差发电器的工作原理，以温差电单体为研究对象，主要完成如下基础工作：(1)充分了解温差电单体的理论基础，根据其结构特征分析出所研究的温差电单体模型的几何尺寸及各种可变的边界条件，确定所研究的温差电单体各个组成部分的材料及相关材料特性，以保证温差电单体的正常工作。(2)利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立温差电单体的有限元模型并进行了热电耦合分析以及瞬态结构分析，通过改变电偶臂长度、热端温度值、冷端温度值、温差值、电偶臂横截面形状以及固定端面得到了在不同外界条件对温差发电单体的热电转换性能及焊层上的应力场分布情况，分析最大应力值的分布情况及应力差值。(3)根据温差发电器的正常工作时的各项参数确定其疲劳分析机理，同时应用FE-SAFE软件对不同外界条件下的温差电单体中的焊层进行疲劳寿命分析，通过数值模拟结果进行分析研究，从而确定疲劳寿命值较大的外界条件因素并研究寿命寿命值的影响因素。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 能源与环境现况  9
  1.2 温差发电概述  9-15
    1.2.1 热电材料的发展状况  10-13
    1.2.2 温差发电器发展状况  13-15
  1.3 本文的主要研究内容和意义  15-17
第2章热电转换基本原理及发电性能参数  17-30
  2.1 温差发电基本效应  17-22
    2.1.1 塞贝克效应  17-18
    2.1.2 帕尔贴效应  18-19
    2.1.3 汤姆逊效应  19-21
    2.1.4 傅里叶效应  21
    2.1.5 焦耳效应  21-22
    2.1.6 开尔文关系式  22
  2.2 温差发电原理  22-24
  2.3 温差发电基本结构  24-25
  2.4 半导体温差发电性能参数  25-29
    2.4.1 温差电优值系数  25-26
    2.4.2 温差发电的输出功率  26-27
    2.4.3 温差发电的工作效率  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章温差发电单体有限元建模  30-40
  3.1 有限元法简介  30
  3.2 ANSYS WORKBENCH  30-32
  3.3 建立有限元模型  32-39
    3.3.1 创建几何部件  32-34
    3.3.2 定义材料属性  34-36
    3.3.3 划分网格  36
    3.3.4 施加载荷  36-38
    3.3.5 提交分析  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章焊层的数值模拟结果分析  40-52
  4.1 发电模块实际模型数值模拟  40-44
    4.1.1 电偶臂横截面为方形  40-42
    4.1.2 电偶臂横截面为圆形  42-44
  4.2 温差发电器不同边界条件分析对比  44-51
    4.2.1 电偶臂长度对发电性能及应力的影响  44-46
    4.2.2 温差对发电性能及热应力的影响  46-51
    4.2.3 固定边界条件对热应力的影响  51
    4.2.4 电偶臂横截面对发电性能及热应力的影响  51
  4.3 本章小结  51-52
第5章温差发电单体焊层疲劳寿命分析  52-66
  5.1 疲劳寿命分析软件 FE-SAFE  52-54
  5.2 疲劳寿命分析方法  54-57
    5.2.1 高温疲劳和热疲劳  54-56
    5.2.2 疲劳寿命分析方法的对比  56-57
  5.3 焊层的疲劳破坏形式和影响因素  57
  5.4 寿命计算  57-65
    5.4.1 FE-SAFE 寿命计算  57-58
    5.4.2 分析结果  58-65
  5.5 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-71
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  71-72
致谢  72-74
作者简介  74

高温温差发电半导体焊层应力场分析及疲劳寿命研究

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