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研究生: 周政翰
Chou, Cheng-Han
論文名稱: 薄膜應力之有限元素分析與評估
Finite Element Analysis of Thin Film Stress
指導教授: 陳東陽
Chen, Tung-Yang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 131
中文關鍵詞: 薄膜應力有限元素分析
外文關鍵詞: Finite Element Analysis, Thin Film Stress
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  •   本文主要以有限元素ABAQUS的模擬,分析薄膜-基板系統間存在mismatch strain讓整個系統產生的變形,並且找出曲率的數值。由於薄膜內的應力不易量測,一般求得應力的方法都是以量測基板曲率來反算薄膜內的應力,但是由於實驗的對象都是微小的結構,尺度的關係使得實做上相當容易有人為的誤差,在本文裡我們利用有限元素的方式,使用ABAQUS來幫助模擬,先試著建立較為基礎的平板模型,利用平板理論來驗證模型的可行性,再將基礎的模型延伸成為薄膜-基板系統,在Stoney formula的理論假設範圍內比較模型分析數值與理論解,探討其差異並且改變模型的型態,讓可以模擬的範圍更加的廣泛。

     In this work we employ the finite element software, ABAQUS, to simulate the stress evolution in film-substrate system subject to intrinsic mismatch strains. The mismatch strain could be origined from surface stress, different thermal expansion coefficients, and others. In pratical situations it is difficult to measure the stress in situ. The renowned Stoney formula provides a simple analytical connection between the internal stress and the curvature of the substrate, and thus could serve as a convenient tool to estimate stress through the measured curvature. However, the derivation of the Stoney formula was based on classical plate assumptions. In addition, the energy terms associated with the film deformation are all neglected. Naturally, this formula, though simple, could only be valid under certain conditions. Here we employ the finite element analysis to examine the range of validity of Stoney formula.

    目錄 摘要…………………………………………………..…………...……….….I 誌謝…………………………………………………..…………...………...III 目錄…………………………………………………….………..……..……VI 表目錄…………………………………………………………………….VIII 圖目錄………………………………………………………….……………IX 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧與相關研究 2 1.3 論文內容簡介 3 第二章 以ABAQUS模擬均質板受到彎矩的測試 4 2.1 平板理論 4 2.2 薄板微小變形的假設 5 2.3 應變與曲率的關係 6 2.3.1 位移與應變的關係 6 2.3.2 曲率與應變的關係 8 2.4 應力與應力的合力 9 2.5 平衡方程 10 2.6彎矩與位移的關係 11 2.7 變形面的控制方程式 13 2.8 矩形板的側邊受到均佈彎矩的理論解 13 2.9 ABAQUS模擬分析 16 2.10 ABAQUS模型的建立 18 2.10.1 3D-shell的設定 19 2.10.2 3D-solid的設定 22 2.11 ABAQUS數值解與理論解的比較 24 2.11.1 正方形板的比較 24 2.11.2 矩形板的比較 28 2.11.3 圓形板的比較 30 2.12 減少誤差的方法 31 2.13 理論解的可行範圍 33 2.13.1 圓形板理論解適用範圍 33 2.13.1 矩形板理論解適用範圍 35 2.14 曲率的理論解與分析結果的比較 38 2.14.1 矩形板的曲率分析 38 2.14.2 圓形板的曲率分析 39 第三章 模擬薄膜-基板系統受到彎矩的行為 41 3.1 Stoney formula的基本假設與理論解的推導 44 3.2 ABAQUS的設定 48 3.3 ABAQUS的分析 54 3.4 驗證模型合理性 54 3.4.1 改變基板浦松比 58 3.4.2 改變基板厚度 60 3.4.3 改變基板楊氏模數 62 3.5 薄膜的材料係數對曲率的影響 64 3.5.1 薄膜材料係數對曲率的影響 65 3.5.2 薄膜厚度對曲率的影響 71 3.6 結論 75 第四章 3D模型模擬薄膜-基板系統受到彎矩與溫度變化的行為 77 4.1 薄膜厚度對雙層材料曲率的影響與公式的推導 78 4.2 3D-shell模型有可能的誤差來源 82 4.3 3D-solid的設定 84 4.4 尋找曲率的方法 89 4.5 施加外力3D-solid模型分析薄膜厚度改變的影響 92 4.6 施加溫度3D-solid模型分析薄膜厚度改變的影響 95 4.6.1 ABAQUS設定溫度變化的方法 95 4.6.2 ABAQUS設定溫度變化的分析結果 97 4.6.3 薄膜楊氏模數對施加溫度的3D-solid模型分析數值的影響 100 4.7 結論 104 第五章 結論與展望 105 參考文獻 108 附錄A………………………………………………………………………110 附錄B………………………………………………………………………115 附錄C………………………………………………………………………119 附錄D……………………………………………………………………....124 附錄E……………………………………………………………………....130

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    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2006-01-25公開
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