形变模拟

形变模拟（共9篇）

形变模拟 篇1

随着放疗的发展, 对于治疗的精确性要求也越来越高。但我国很多放射治疗中心的现状是, 尚有一定比例的患者仍然由于种种原因采用常规放射治疗方式进行放射治疗。模拟机摆位图像采集是这一治疗流程上的关键性环节。因为从患者治疗的开始, 将首先在模拟机下得到模拟摆位图像。有了模拟摆位图像才能进行以后的制作挡块和治疗。模拟定位机的图像直接影响常规放射治疗的精度。但由于影像增强器的电子光学系统采用近似同心球静电聚焦成像的方式, 使得模拟机直接的数字图像存在几何畸变。如用胶片获取图像的方式一方面会浪费较多时间, 另一方面洗胶片的废液将增加环境污染。而要从厂家获取图像校正的升级的软件将花费一笔不小的费用。本文利用图像处理技术对模拟机畸变图像后处理来获取矫正图像。提出了校正方法并对编程实践中出现的关键问题进行研究。

1 材料和方法

1.1 一般材料:

矫正标准模板的制作。使用制作挡块的有机玻璃板, 在其上画出严格的方形网格, 最小网格为1×1cm。最大面积为22×22cm。对于旧式模拟机可以完全获得野内的图像。在每条横线和竖线上使用0.2mm的保险丝对准固定在其上。

1.2 标准矫正图像获取方式:

在核通公司OLDEFT-M型的模拟机下, 拍摄一组标准的校正图像。拍摄方法为, 把自制的网格板放置在模拟机床面上。网格板中心处的保险丝对准模拟机等中心。网格的方向与模拟机的十字中心线方向严格一致。分别在治疗床为0到90°的位置, 步进为10°拍摄一组标准的校正图像。

1.3 病人图像的获取:

选择本院使用常规治疗的病人摆位图像两例, 其中一例为肺部治疗体位图像, 一例为盆腔部治疗体位图像。

1.4 计算机矫正处理方法:

采用通用的摄像机镜头非线性畸变的校正算法中的基于标定模板方法。

(1) 坐标变换, 使用从畸变图像到理想图像的前向映射方法。

创建理想的22×22cm网格模板, 把形变图像与模板中心点重合, 确定正确的横纵黑线的正确的坐标, 与理想网格模板的坐标进行比较, 可获得校正参数。流程如图1。

(2) 灰度重建, 主要使用双线性插值法。

先把畸变的方格的四个顶点调整到正确位置。每个方格的中间所有像素点根据四个顶点的调整而进行移动。中间像素点调整和四个顶点的关系为:中间点与四个顶点的距离成反比例。流程如图2。

1.5 程序开发环境:

使用VC++的MFC框架。

2 结果

2.1 图像调整关键程序代码。

设定用标准网格模板拍摄的数字化图像的四个方格顶点为a, b, c, d。具体位置及移动方向和距离的信息已经通过对比全部记录一个程序类中。任意取方格中间的一个像素点s, 横纵坐标定义为i, j。s到a、b、c、d的距离分别用sa、sb、sc、sd 表示。则调整后的点s横坐标为:

i+ (1/sa) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *axp+ (1/sb) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *bxp+ (1/sc) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *cxp+ (1/sd) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *dxp。

同理:s的纵坐标为:

j+ (1/sa) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *ayp+ (1/sb) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *byp+ (1/sc) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *cyp+ (1/sd) / (1/sa+1/sb+1/sc+1/sd) *dyp。

初次调整后会出一些图像不理想的问题, 有则进行二次改进。

2.2 实际病例处理结果如图3, 图4。

3 讨论

3.1 计算机算法和实现问题探讨。

已有一些研究者对于图像校正算法进行了研究。对于摄像机镜头非线性畸变的校正算法一般可分为两类: (1) 基于标定模板方法。 (2) 不使用标定模板, 如基于畸变率、基于畸变等效曲面、基于测量设备等校正算法迭代或直接求出畸变系数。本文使用了基于标定模板的畸变图像校正方法。具体实现可分为两步:坐标变换和灰度重建。坐标变换可以分为从畸变图像到理想图像的前向映射方法和从理想图像到畸变图像的后向映射方法, 本文采用了前者;而灰度重建目前有邻近插值法、双线性插值法和立方卷积插值法。邻近插值法精度不高, 立方卷积插值法精度高但运算量大, 双线性插值可以折中邻近插值法和立方卷积插值法, 因此本文使用了这种方式。

初次使用算法编程处理图像后, 会出现一些问题:图像歪歪扭扭;图像出现类似撕裂的现象;直线的连接不够平滑。通过一些相应的改进, 进行了二次处理, 做法为:适当调整出现问题的方格四个顶点的处理坐标使其与标准模板更加符合;找出出现像素撕裂的位置, 根据周围的像素点颜色, 选取最好的临近值赋给撕裂带;对比形变后的图像与标准网格模板, 找出方格的边没有准确落在标准线上的线, 通过程序检索这些没有落在标准线上的像素点, 然后移到标准线上。

3.2 模拟机图像形变对常规挡块制作的影响。

从矫正前的模拟机图像可以看到, 由于影像增强器的电子光学系统采用近似同心球静电聚焦成像的方式, 使得图像存在几何畸变。这种形变会使按定位图像勾画的照射范围轮廓与实际情况有较大偏差。而且随着距离中心的的增加这种形变越来越严重。有研究者这对于头颈部影响的差异进行了研究。这在使用常规大照射野时影响更严重。如图3中, 宫颈癌常规大野照射, 由于射野已经超出了模拟机影像增强器的范围, 那么使用此图像进行挡块制作时应该特别注意。因此应该对图像形变进行矫正。另一方面, 形变图像会严重影响医生判断肿瘤与正常器官的位置。因为, 一般治疗定位中心在肿瘤中心处。而正常器官可能就会落在图像的边缘。会造成对正常器官的保护不足。

本文提出的模拟机图像形变的校正方法, 及编程实现。对于相关图像形变校正都有很强的参考性。用于临床工作会使常规放射治疗的精确性进一步提高, 免于使用胶片带来的不便。

摘要：目的:利用计算机图像处理技术对模拟机扭曲变形的数字图像进行矫正处理研究。方法:利用标准网格模板获取矫正形变参数, 然后使用形变参数对实际图像进行形变矫正处理。结果:处理的图像在边缘效果变化明显。整个图像得到较理想的矫正。结论:模拟机直接输出数字图像一定的形变扭曲。利用本方法可以对模拟机图像进行很好的形变矫正, 以便保证放射治疗的质量。可以广泛推广使用。

关键词：模拟机,图像处理,形变矫正

参考文献

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形变模拟 篇2

7.9级地震前乌鲁木齐形变站垂直形变异常特征初析

通过对2003年9月27日发生在新疆友谊峰东北7.9级地震震前乌鲁木齐形变站垂直形变异常特征的`分析,得出该台站垂直形变在地震临震前有明显的异常反映,地震前北天山中、西段地区4.9级以上地震活动较活跃,垂直形变运动速率加速上升,地震当日观测数据出现突跳现象.

作 者：王治民 张永岗 冯向东 WANG Zhi-min ZHANG Yong-gang FENG Xian-dong 作者单位：新疆维吾尔自治区地震局,新疆,乌鲁木齐,830011刊 名：内陆地震 ISTIC英文刊名：INLAND EARTHQUAKE年，卷(期)：200822(1)分类号：P315.7关键词：友谊峰东北7.9级地震 形变站 垂直形变 异常特征 变化规律

形变模拟 篇3

地震的孕育和发生是应变积累和释放的过程, 而应变固体潮观测是了解地壳应变状况的最直接最有效的办法。固体潮精度的高低对于研究地壳应变与地震的关系是非常重要的。丰满台形变数字化改造后, 各方面的指标都有了显著的提高, 大大的提高了观测精度, 也对地震预报提供了有利的保障。

1 台站基本情况及形变仪器概况

丰满地震台位于吉林市东南的丰满区, 距丰满大坝2公里, 地理坐标:北纬43.73度, 东经126.66度, 海拔240米。属综合性观测台站, 观测手段有:测震、形变、流体。丰满台自1973年便开始进行形变观测, 主要的观测仪器是JB型金属摆倾斜仪, MSQ型目视水管倾斜仪。2006年底进行了形变数字化改造, 主要以倾斜 (应变) 固体潮汐观测为主的形变观测, 现有的数字化仪器有DSQ型水管仪, SS-Y型伸缩仪, VS型垂直摆。

2 观测条件的对比

改造前的金属摆和目视水管放于山洞之内, 进深较浅, 木头门关闭不严。观测员调摆、读数、维修仪器出入山洞, 导致洞体温度变化产生气流, 对仪器的记录产生很大的影响。数字化改造后, 山洞重新被覆, 平均在50-60米, 进深超过120米, 仪器放在用砖砌的槽内, 外面用苯板密封, 洞内还增加了多道船舱密封门, 减少了外部气温、气流对仪器的干扰, 大大的提高了仪器的观测精度。

3 观测方式的对比

改造前金属摆是人为的去量相纸记录的整点值, 目视水管也是由观测员看刻度读数。由于人的视力不同, 测量的习惯不同, 观测的时间不同, 势必造成读数的误差。改造后实现了形变观测数据网络化传输和计算机处理。数字化形变仪器每分钟自动采数一次, 大大增加了观测数据量, 提高了观测的精度。数据存于数采中, 通过网络传输到台站的服务器中保存, 还实现了区域内的数据共享, 为形变工作人员和研究人员提供了方便。

4 观测设备的对比

改造前我台一直使用武汉仪器厂生产的金属摆 (JB) 倾斜仪, 和目视水管 (MSQ)

倾斜仪, 由于仪器使用的年限比较长, 有些已经趋于老化, 而且没有相应的备件, 造成仪器在观测过程中出现故障时, 只能先停止观测, 想办法买零件维修, 待修好后才能继续使用。这样势必造成数据的缺失和不连续, 使得精度降低。数字化改造后, 我台不但安装了倾斜仪, 还安装了应变仪, 观测类型增多, 扑捉到的地震信息也就越多。并且每套仪器都有备用的零部件, 出现故障, 只要正确的判定好原因, 可以很快的将仪器恢复正常。减少了缺记率, 大大的提高了连续率和精度。对更好的扑捉到地震信息提供了有利的保障。

5 固体潮汐精度的对比

数字化改造后, 无论在观测条件、观测方式、还是设备完善方面都有了很大的改进, 因此固体潮汐的精度也有了很大的高。下表对1993年金属摆 (模拟) 东西向 (东西向变化幅度大) 和垂直摆 (数字化) 东西向固体潮汐精度作一下对比:

6 结语

丰满台形变数字化改造以来, 观测的效果已经得到了有力的证明。改造后仪器灵敏度升高, 固体潮汐精度提高, 可记录到的干扰 (风、气压、降雨、抽水、丰满大坝放流等) 也相对的增加, 这就需要我们在今后的观测中尽量的降低人为的干扰 (进洞要随手关上船舱门阻断空气的对流和温度的大幅变化、减少进洞次数和人员数量等) 。找出自然干扰中的规律, 去伪求真, 以便获得更准确、可靠的地震信息。为地震预报提供更有利的保障。

参考文献

异常形变检测方法探讨 篇4

异常形变检测方法探讨

在讨论以往方法的基础上,将拟准检定法拓展用于发现异常形变.该方法直接以真误差为研究对象,避免了其他方法以最小二乘残差及其函数为研究对象的`缺点.最后通过一个算例,简单介绍了拟准检定法检测异常形变的实施过程.

作 者：柴艳菊 欧吉坤 韩保民 作者单位：中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学开放研究实验室,武汉市徐东路54号,430077刊 名：武汉大学学报(信息科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：GEOMATICS AND INFORMATION SCIENCE OF WUHAN UNIVERSITY年，卷(期)：27(4)分类号：P207.2关键词：异常形变 拟准检定法 假设检验法

形变监测网优化分析 篇5

形变监测网, 采用大地测量方法建立平面与高程监测网。形变监测网优化设计是形变监测研究工作中迄今尚未能很好解决的一个基本问题。本文结合具体的工程实例, 对形变监测网优化设计进行分析具有重要的研究意义。

形变监测网优化设计分析

控制网的优化设计问题分为零类优化设计、一类优化设计、二类优化设计和三类优化设计。

记设计矩阵为A, 观测量的权阵为Pl, 其相应的协因数阵为Ql=Pl-1, 未知参数向量X的协因数矩阵为Qx, 它可由法方程的广义逆而得出

则上述设计分类可通过固定参数和自由参数来描述见表1。

在实际问题中, 优化设计问题并不能严格按照四种类型分开, 而通常是四类问题的综合。比如, 三类优化设计问题就可以看作是一类、二类的混合问题。一、二和三类优化设计问题的解又必须预先或同时解零类优化设计问题, 而二类优化设计不仅要求解最优权的分配问题, 还包括对观测计划的某种改善。近几年, 有人提议重新定义一种新的对变形监测网确定最优复测周期的一类优化设计问题, 显然这一设计问题不能从上述最小二乘平差方程导出, 这是性质不同的另一类设计问题。

按照衡量控制网优化设计的质量标准出发, 从精度指标、可靠性准则、灵敏度准则和费用准则, 对形变监测网进行基准分析和位移判定。按照单点位移显著性检验;整体形变检验 (平均间隙法) ;稳健迭代权估计进行比较和检验。

根据点位精度、误差椭圆、多余观测分量和灵敏度的计算公式:

我们通常用来评定待定点的点位精度, 但它不能评定待定点在任意方向的精度。要评定点位精度首先计算出误差椭圆, 定义E为长半轴, F为短半轴:

其中λ1、λ2为特征值:

误差椭圆的长轴与X轴间的夹角 (极大值方向) 为:

在待定点上, 任意方向上的方差值为:

根据起算数据和观测数据需要计算多余观测分量, 由于其与观测值本身的大小无关, 与图形结构A和观测值权阵P有关, 而, 在网形平差前可以计算出多余观测分量H:

H称为观测值的帽子矩阵, 则定义ri为第i个观测值的多余观测分量:

0≤ri≤1

并定义:

, 为网的平均多余观测数。

变形监测网的灵敏度一般用在给定误差概率下 (显著水平α0, 检验功效1 -β0) , 通过统计检验所能发现的变形向量的下界值来表示。

实例分析

1 原有网形

图1 为原有的控制网形状, A, B, C, D四个点为控制点, 控制点的坐标和方位角已知, P1, P2为待求点。L1, L2, , L6为等精度观测角, 测角中误差为 ±1.9", S1, S2, S3, S4为四个观测边, 原网形数据见表2、表3。

经过科学的计算, 方案3 的可行性可表示成精度、可靠性和灵敏度。其中精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=2.41mm, E1=2.05mm, F1=1.27mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=2.18mm, E2=1.91mm, F2=1.05mm;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.77, 0.77, 0.85, 0.39, 0.34, 0.63, 0.89, 0.63, 0.50, 0.22) , 所以rmax=0.89, rmin=0.22, r=0.60;灵敏度为α01=1.55cm, α0.2=3.42cm。

2增加观测边优化网形

将原有控制网形怎加两条观测边且增加四个观测数据L8, L8, S11和S12, 优化网形见图2。通过平差计算后设计结果为, 精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=1.72mm, E1=1.27mm, F1=1.18mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=1.68mm, E2=1.43mm, F2=0.88;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.91, 0.81, 0.88, 0.43, 0.41, 0.72, 0.92, 0.83, 0.67, 0.55, 0.55, 0.70, 0.72, 0.91) , 所以rmax=0.91, rmin=0.41, r=0.72;灵敏度为α01=1.67cm, α02=2.39cm。

加权变权优化网形

网形加权变权即改变中误差的大小, 对于此控制网形有测角中误差和边长中误差, 若要提高两中误差的大小, 可以利用高精度测量仪器即可完成。精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=2.32mm, E1=2.06mm, F1=1.07mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=1.72mm, E2=1.47mm, F2=0.89mm;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.64, 0.74, 0.80, 0.38, 0.33, 0.61, 0.89, 0.63, 0.70, 0.34) , 所以rmax=0.89, rmin=0.33, r=0.6;灵敏度为α01=1.08cm, α02=2.03cm。

更改控制点数目优化设计

将原有网形中A、B、C、D四个控制点增加控制点E见图3, 数据见表4、5。

经过科学的计算, 方案4 的可行性可表示成精度、可靠性和灵敏度。其中精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=2.04mm, E1=1.46mm, F1=1.43mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=1.82mm, E2=1.34mm, F2=1.23mm;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.79, 0.88, 0.42, 0.47, 0.74, 1.6, 0.58, 0.48, 0.16, 0.82, 0.82, 0.81, 0.88, 0.92) , 所以rmax=1.6, rmin=0.16, r=0.74;灵敏度为α01=1.57cm, α02=1.96cm。

结语

综上所述, 通过对以上4 种方案的对比分析, 可以看出通过改变观测值的权这种方案, 不仅其精度最高, 同时可靠性和灵敏度也显著提高。只要测绘仪器精度满足, 使用加权变权方法优化网形能够很好的满足工程需求。第四种方案通过增加控制点的数量, 进一步改善了优化结果的精度、灵敏度和可靠性, 网形设计也相对合理, 因此方案四也比较合理。

建筑物形变测量与分析 篇6

1建筑物变形监测的任务和作用

变形监测是对被监视的对象或物体 (简称变形体) 进行测量以确定起空间位置随时间的变化特征。变形监测为变形分析和预报提供基础数据。变形监测又称变形测量或变形观测。

变形体的变形可分为两类:变形体自身的形变和变形体的刚体位移。自身的形变包括:伸缩, 错动, 弯曲和扭转四种变形;而刚体位移则包括整体平移, 整体转动, 整体升降和整体倾斜四种变形。

变形监测的意义在于通过对观测对象的垂直位移和水平位移监测, 可以起到如下作用:为改善建筑物理参数, 地基强度参数提动依据;为保证机械设备安全, 可靠, 高效运行, 提高产品质量提供技术数据;为监测滑坡随时间的变化过程, 研究引起滑坡的成因, 预报大的滑坡提供技术数据;为完善矿山开采所引起的岩层和地表移动与变形预报模型提供技术数据, 等等。

2多元线性回归分析

回归分析主要包括一元回归分析和多元回归分析。若自变量与因变量之间存在线性函数关系, 则为线性回归;若是非线性关系, 则可根据曲线匹配或多项式函数拟合, 通过变量变换化为线性回归问题。一元线性回归模型为:

其中影响因子x分别取值为x1, x2, …, xn时, 对应y的观测值为y1, y2, …, yn, β0、β1为回归参数, 相应的随机误差为ε1, ε2, …εn。εi的数学期望为E (εi) =0, 方差为σ2, 且εi与εj (i≠j) 之间的协方差为0。多元线性回归模型为

其中 分别取 时, y取得第i次样本观测值yi, β0、β1、β2…βm为未知回归参数, εi为相应随机误差, εi~N (0, σ2) , 且协方差为0。多元线性回归是一元线性回归的拓展, 模型 (16) 和 (17) 充分表达了观测值y与影响因子X之间的关系, 时常在建筑物变形过程中, 以及我们在分析处理建筑物变形时, 总是考虑多方面的影响因子。

2.1.1影响因子的确定

影响变形的因素很多, 一般应根据专业知识选择影响因子X1, X2, …, Xn。在用多元回归模型进行预报或控制时, 应选用尽可能少的影响因子, 达到尽可能高的拟合度。

2.1.2模型参数的估计

由 (2) 得误差方程为

其矩阵形式为

式中

在VTV=min条件下, 得到法方程为

模型参数的最小二乘解为

由此可得到多元回归方程和误差方程。

2.1.3模型的检验

求得回归方程后, 需要进行回归效果的显著性检验 (F检验) 和回归参数的显著性检验 (T检验) 。

2.1.4实例分析

先以建筑工程中的监测来分析

由于观测的点多, 我就暂时选出几个点来做分析:

从表1, 表2, 表3的几个点可以看出, 在建筑过程中变形量相对来说是十分大的, 所以必须要对此进行监测, 以保证施工的安全。

下面我们整个过程的变形来分析, 对某地基为软土的建筑物, 从施工到竣工后一段时间内定期对两个沉降点进行观测, 一共进行了26期。其中取前21期数据进行计算, 后5期用来检验预测值的准确性。现就观测数据进行回归分析并进行预报。观测数据 (单位m) 见表4。

(注:数据来源于参考文献7)

a.确定模型中的影响因子

在软土上的建筑物沉降变形可近似描述为

令 其中h为累计沉降量, t相对应的累计时间。可变换为一元线性模型

经过变换, x可以看作一项关于时间的影响因子。由于建筑物的沉降与上部荷载有直接关系, 故可把荷载作为另一项影响因子。可初步建立线性回归模型

b.模型参数估计

对于观测点1, 误差方程为

对观测值和影响因子进行参数中心化, 得其最小二乘解为 (计算的过程在计算机上完成)

得到回归方程为

其计算时所用单位为:

时间:天累积量:m荷重:t/m2

c.模型的检验

为检验模型的正确性, 应作回归效果和回归参数的显著性检验。

由于回归效果显著性检验原假设为:Ho:β1=β2=0

回归参数显著性检验为:

故进行回归参数显著性检验后, 若检验通过, 则拒绝原假设k, 也就必定拒绝回归效果显著性检验的原假设, 从而回归效果也必然显著。

对于回归参数检验, 可得到统计

取α=0.05, 查得F (17) =4.45。显然有T1>T2>4.45

所以β1, β2是显著的。由于回归参数显著性检验通过, 则回归效果的显著性检验也通过。

d.对其上的结果再一次进行检验, 上面我们用了21组数据, 现在我们用17组数据对起进行分析, 得到其回归方程为:

e.对其上的结果再一次进行检验, 上面我们用了17组数据, 现在我们用15组数据对起进行分析, 得到其回归方程为:

f.对其上的结果再一次进行检验, 上面我们用了15组数据, 现在我们用8组数据对起进行分析, 得到其回归方程为:

得到其每期数据的预测值, 如下表5 (以mm为单位)

由表5我们可以看出, 预测值与实测值有较大的差距, 但对数据的处理目的就是预测建筑物变形的趋势, 若以次为目的的话仍可以达到预期的目的。

此外我们可以得出结论:要做回归模型的分析必须要较多的数据, 如果数据少了, 与实测值的差值就会很大, 数据越详细越多, 则模拟的结果会越好。对于大型的建筑物我们要做长期的测量, 多元线性回归对于这样的情况较适合。

摘要：说明建筑物变形的一些基础知识。介绍了多元回归模型用于建筑物变形测量数据处理, 对比了由于数据量不同而得出的不同的结果, 得出有意义的观点。

关键词：变形测量,变形分析,多元线性回归

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轴承盖高温形变热处理 篇7

形变热处理是近年来发展起来的一项热处理新工艺。它是在金属材料上有效利用形变强化和相变强化, 将压力加工与热处理相结合, 使成形工艺和最终性能统一起来的一种工艺方法。它不但能够得到一般加工方法所达不到的高强度与高塑形的良好结合, 并且还能简化钢材或零件的生产流程而带来明显的经济效益。形变热处理分为高温形变热处理[1]和低温形变热处理两类。高温形变热处理是将钢加热至稳定奥氏体区, 保持一段时间, 在该温度下变形, 随后立即快冷至一定温度, 以获得所需组织。

形变热处理的实质就是在材料的奥氏体区域内, 对钢材进行塑性变形, 随后利用锻造余热进行淬火, 以固定在形变过程中所具有的特殊组织形态, 从而提高材料的塑形、韧性及强度。

凡经锻造加工的普通碳素结构钢、合金钢和不锈钢等的毛坯调质件以及轧制的环类件, 都可以进行形变热处理。这种工艺不仅所需设备简单, 投资耗费少, 而且操作技术也不复杂, 容易掌握。既节约了能源, 降低了成本, 又可缩短施工周期, 确保质量。

2 轴承盖新老热处理工艺比较

轴承盖是机械压力机曲轴部位滑动轴承上的重要零件, 在使用中, 受到复杂载荷的作用, 需要具备较高的综合机械性能。锻件如图1所示。锻件质量6.5kg, 材质45钢, 热处理要求调质217~255HBS。

老工艺锻造及热处理工艺规范为:在燃煤反射炉中加热到1200℃始锻温度[2], 在750kg空气锤上胎膜锻, 锻后在空气中冷却, 然后正火, 再经调质 (淬火, 高温回火) 处理, 其加热曲线如图2所示。其工艺流程为:

形变热处理工艺过程如图3所示。

综合以上两种热处理工艺, 其流程如图4所示。

从图中可以看出, 原工艺锻造完工后, 需经正火加热, 淬火才能高温回火, 而且费时较多。新工艺省去了正火、淬火的加热, 节省能源, 缩短生产周期, 减少造成质量事故的机会。

3 形变热处理工艺规范

锻造前, 将炉温加热到1350℃, 实际的始锻温度为1250℃~1300℃, 终锻温度为1000℃~950℃, 切边后保证温度高于900℃。将锻件放入油或水中淬火, 570℃回火100分钟出炉空冷。

4 数据分析

4.1 探伤

油淬试件10件, 抽取5件进行磁粉探伤, 未发现有影响强度的裂纹。水淬试件10件, 全部进行磁粉探伤, 其中6件发现有裂纹。该裂纹的长度为20mm~55mm不等。深度为<1.5mm。测试结果表明, 用水冷却的能力高, 冷却速度快, 易产生内应力, 高温淬火会导致锻件开裂, 所以选择油淬是合理的, 能完全避免裂纹的产生。

4.2 硬度

对10件油淬试件进行硬度测试 (在轴承盖两连接板平面上) , 硬度值见表1。从表中可看出, 每个连接板上不同的位置上测量的硬度值是基本均匀的。

4.3 金相

(1) 普通调质金相。金相组织为片状索氏体与呈白色网状分布的铁素体, 显微硬度HBS185。由显微组织可以看出, 试样的淬火温度偏低Ac1附近, 未能获得调质效果, 如图5所示。

(2) 形变热处理金相。金相组织肌体为细片状索氏体及白色网状铁素体, 显微硬度HBS230。针状铁素体由晶界向晶内延伸, 有轻微的魏氏组织, 如图6所示。

(3) 普通调质与形变热处理金相比较。形变热处理金相基本符合要求, 但出现了少量的魏氏组织。其原因是锻后温度高, 放入油中淬火时间间隔较长, 使得晶粒粗大。

(4) 压力实验。压力实验表明, 形变热处理后制件的屈服极限达到360MPa, 而普通调质制件的屈服极限350MPa。形变热处理后制件的综合机械性能大大优于普通调质工艺的综合机械性能。经过形变热处理的轴承盖可提高实际使用的可靠性。

5 强化机理分析

金属的强度取决于原子间结合力及组织状态两大因素[3]。融入肌体中的合金元素只能在大的范围内改变原子间结合力。而各种加工处理过程只能改变组织状态。

提高金属强度的途径有二:其一是尽可能减少金属的组织缺陷, 使之接近于理想的完整晶体;其二是在有缺陷的工业材料上通过一定的加工处理引入大量的位错以及造成阻止位错运动的障碍。这样, 因位错本身的相互缠绕或受溶质原子、沉淀相、晶界和亚组织等所构成的障碍阻塞, 造成晶格滑移困难, 从而达到提高强度的效果。

6 结束语

在金属材料上合理综合运用形变强化与相变强化工艺, 可得到更加满意的强化效果。对一些重要零件的强化, 提高综合机械性能, 具有重大实际意义。

参考文献

[1]王健安.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[2]锻压手册编委会.锻压手册 (第二版) [M].北京:机械工业出版社, 2002.

上海深井项目形变观测资料分析 篇8

进入新世纪以来, 地震测技术呈现出由平台观测台网向大规模的立体监测网发展的趋势, 即由单一方法向宽频带综合观测发展, 由地表观测向空间与井下观测发展, 由陆地观测向海洋观测发展[1]。综合深井观测项目集成的仪器包括应变仪、倾斜仪、地震计、空隙压、地磁仪、地温仪、水温仪。地壳形变观测的目的是为了测定地壳表面点位之间的相对位置或重力场的变化, 以获取地壳形变的几何和物理信息, 其观测量为位移、应变和重力的相对变化值, 反映地壳形变的几个方面:潮汐形变、构造形变、荷载形变以及突发性形变。钻孔应变观测仪器探头一般安装于钻孔下数十米的基岩中 (或土层中) , 通过对地层内部应变状态依时间连续变化的精细观测, 是发现和掌握地震应变前兆的 (长) 中短临以及震后调整的时空分布发展变化规律, 构成重要的地震前兆观测手段, 为地震学研究、防震减灾工程提供基础性背景资料[2]。

1 台站基本情况

2011年上海市地震局建成了两个综合深井地震观测站, 分别为崇明长江农场台和浦东张江台。崇明长江农场台位于崇明岛中部, 浦东张江台位于张江高科技园区内。

崇明长江农场台位于上海市崇明岛中部, 地理位置为东经121.53°, 北纬31.66°, 台站台基岩性为燕山晚期花岗岩, 台址周围构造较为稳定。崇明长江农场综合深井观测井井深463.6m°。浦东张江台位于上海市张江高科技园区内, 地理位置为东经121.6°, 北纬31.18°, 浦东张江综合深井观测井井深407m。

2 水泥固化与应变仪曲线变化情况

浦东张江台四分量应变仪安装于井下405米处, 崇明长江农场台四分量应变仪安装于井下460米, 详细的地下情况请参看表1。由于要防止坍塌, 均采取了钢管护壁的办法, 仪器下井安放后利用膨胀水泥进行固化。此次固化工作使用的是标号为425#的水泥, 理论上该标号的膨胀水泥初凝时间在1h左右, 终凝时间在25h小时左右, 但是曲线中显示膨胀水泥的终凝时间却远远超出该理论时间。影响水泥硬化的因素很多, 除了矿物本身的结构, 还与外界条件如温度、加水量有密切的关系。此次深井固化所用的微膨胀水泥的密度是:1.2kg/L~1.3kg/L (松散状态) , 按照稠度达到不挂手的要求, 微膨胀水泥与水的重量配比是:1.8~2.0:1。

3 水泥固化与应变仪曲线变化情况

浦东张江台四分量应变仪安装于井下405米处, 岩性以中风化粉砂岩为主, 崇明长江农场台四分量应变仪安装于井下460米, 岩性以微风化花岗岩为主。由于要防止坍塌, 均采取了钢管护壁的办法, 仪器下井安放后利用膨胀水泥进行固化。此次固化工作使用的是标号为425#的水泥, 理论上该标号的膨胀水泥初凝时间在1h左右, 终凝时间在25h小时左右, 但是曲线中显示膨胀水泥的终凝时间却远远超出该理论时间。影响水泥硬化的因素很多, 除了矿物本身的结构, 还与外界条件如温度、加水量有密切的关系。此次深井固化所用的微膨胀水泥的密度是:1.2kg/L~1.3kg/L (松散状态) , 按照稠度达到不挂手的要求, 微膨胀水泥与水的重量配比是:1.8~2.0:1。

3.1 浦东张江台

浦东张江台四分量应变仪北西分量及北南分量自10月18日开始出现急速下降, 同时曲线斜率减小, 直至10月26日17时左右由于仪器校测调整, 出现台阶;四分量应变仪东西分量及北东分量自10月18日开始出现急速上升, 同时曲线斜率逐渐减小, 直至10月26日17时后出现台阶。对于此次应变仪出现台阶的情况, 我们之前认为是仪器故障或膨胀水泥能力突出释放所引起的, 但是经过调阅浦东张江台综合深井观测组所有仪器, 发现10月26日当天17时以后均出现台阶, 所以我们认为本次台阶是由于仪器调整造成的, 消除这些阶跃后整个曲线基本处于正常水平。

从上述图形中可以发现北西、北南受到的应力降低, 说明北西和北南方向受到拉张作用力的影响;东西、北东方向受到的应力增加, 说明东西和北东方向受到挤压作用力的影响, 对此可以认为此次应变仪四分量的急速变化, 是由于膨胀水泥在硬化过程中体积出现膨胀引起。北西、北南方向和东西、北东方向受到相反方向的作用力, 说明水泥在在固化过程中膨胀中出现了非均匀膨胀过程。这个过程在10月27日仪器调整后消失, 体应变的变化过程趋于一致。

3.2 崇明长江农场台

崇明长江农场台四分量应变仪从2011年10月27日起正式产出观测数据, 观测曲线已经能显现出固体潮的趋势, 同时数据曲线并未显现出大幅的应力应变变化, 这是因为崇明长江农场台在数据产出之前井下的水泥膨胀过程已经完成并持续了一段时间, 因此数据产出时已经能够在一定程度上反应崇明地区的应力变化过程。

4 水泥固化稳定后四分量应变仪耦合情况分析

根据邱泽华等人[3,4]的研究, 任意选择一个元件的孔径相对变化测值, 记为s1, 一次顺时针转动45°, 有元件测值s2、s3和s4。当探头与围岩的耦合处于理想状况时, 应该有

但是这四组测值往往并不完全符合这个关系, 而是有一定的误差。这个误差可能反映了探头与围岩的耦合状况。死分量钻孔应变仪以45°为间隔在4个方向上安装元件, 构成两组互相正交的孔径相对变化观测, 就是为了根据式 (1) 检验检验它们是否相等。这种“自检”对于说明探头与围岩的耦合状况具有关键的作用。

实际上我们可以进一步根据一定的假设来对元件测值进行校正。令Si=kisi (i=1, 2, 3, 4) , 假设

将大量实际测值带入式 (2) , 给定任意一个ki为1, 可以反演得到其他ki。分别给定所有ki为1, 可以得到4组ki (i=1, 2, 3, 4, ) 。对这4组值取ki的平均值作为最终的反演结果。这样的ki都是在1附近取值。特别当耦合处于理想状况时, 所有ki都等于1。我们称对ki的反演为实地相对标定, 称ki为相对校正系数。

现利用上海深井观测校正数据进行相对校正系数的计算, 可以得出两个深井观测站四分量钻孔应变仪的相对校正系数。上海深井观测校正数据有四分量应变仪、二分量钻孔倾斜仪、地磁仪, 据负责此项目的人介绍, 校正数据主要是对存在方向分量的数据进行方向校正, 进而使得数据更为精确。

对于四分量钻孔应变仪, 可以利用其特有的自检功能对资料的稳定性、可靠性进行检验[5]。利用校正数据计算出的结果表明, 上海深井观测台网的四分量应变仪耦合情况良好, 可以提供有价值的应变变化观测数据。

5 结语与讨论

(1) 通过分析浦东张江台综合深井观测及崇明长江农场综合深井观测的四分量钻孔应变仪数据, 认为上述两个台站的四分量钻孔应变仪数据能够运用于日常分析预报任务中, 并且能够较好的体现地下应力应变变化情况。

(2) 浦东张江台四分量钻孔应变仪2011年10月18日~26日的数据能够真实的反映膨胀水泥固化的过程, 能够为今后的综合深井水泥固化提供一定的参考依据;由于对崇明长江农场台四分量钻孔应变仪进行过调整, 崇明长江台水泥固化过程缺失, 对今后类似地质结构下的水泥固化过程的认识存在一定的影响, 但是整体观测曲线正常, 固体潮正常, 该次调整对于崇明长江农场台并无影响。

(3) 综合深井四分量应变仪观测是能够显著减弱地表、人类活动等干扰所带来的影响, 切实反映深部地下岩层应力应变的变化情况。

摘要：本文运用上海市地震深井综合项目所建台站——崇明长江农场台和浦东张江台——井下四分量钻孔倾斜仪观测资料进行分析。通过分析, 了解不同区域内水泥固化因素与四分量钻孔应变仪曲线的对应关系。通过对四分量应变观测仪观测曲线的分析对比, 认为该套仪器的运行正常, 能够正常反映地下岩层应力应变的变化情况, 可以运用于日常分析预报工作。

关键词：综合深井,四分量钻孔应变观测,固化能力,相对校正系数

参考文献

[1]欧阳祖熙, 张钧, 陈征, 等.地壳形变深井综合观测技术的新进展.国际地震动态, 2009, 11 (371) :1-13

[2]李海亮, 李宏.钻孔应变观测现状与展望.地质学报, 2010, 84 (6) :895-900

[3]邱泽华, 阚宝祥, 唐磊.四分量钻孔应变观测资料的换算和使用.地震, 2009, 29 (4) :83-89

[4]邱泽华, 唐磊, 周龙寿, 等.四分量钻孔应变台网汶川地震前的观测应变变化.大地测量与地球动力学, 2009, 29 (1) :1-5

硅微通道列阵氧化形变实验研究 篇9

硅基集成电路制造技术的基础之一是在硅片表面来热生长一层的能力。氧化物掩蔽技术是一种热生长的氧化层上通过刻印图形和刻蚀达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术, 也是上个世纪50年代以来最主要的发展, 这是大规模晶体管发展的关键因素[1,2,3]。从这层意义上讲, 氧化在硅的平面工艺发展中扮演着重要的角色, 同时也解释了氧化直至今日仍能在硅基制造业中得到广泛应用的原因。

在微细加工技术的迅速发展的推动下, 硅微通道结构已经在微通道板器件等方面获得成功应用, 比如具有高深宽比的大面积硅基X射线光栅、硅基微通道板、多孔硅传感器等在医学成像、天文探测、夜间成像等领域的应用越来越广泛。借助了最先进的微细加工技术, 硅微通道板器件的许多性能, 如本底噪声、分辨率、长径比、使用寿命和环保特性等都得到了大幅度的改善[4]。文章就对热氧化变形的问题做具体分析, 比如一片5英寸的硅片, 由于热氧化, 会造成体积膨胀而产生应力变形, 然而把变形的硅片切割为一个个独立的小面积电子元器件后, 相对变形量就基本可以忽略不计了, 对器件在后期的实际应用没有任何的影响。因此微小的硅元器件加工过程中对氧化变形问题的要求不是很严格[5]。大面积高深宽比微结构器件对平整度的要求比常规的硅基器件要高出很多, 比如硅基X射线光栅、硅基微通道板等, 在应用过程中往往需要与其它器件做耦合, 因而, 氧化变形问题就不可忽略[6,7]。影响形变的因素有很多器件面积, 深宽比, 表面粗糙度, 厚度等。文章以此为题研究在高温氧化过程中各参数项对形变的影响。

1 实验过程

样品经过抛光清洗之后, 放在石英舟上送入氧化炉内, 氧气瓶中干燥氧气通过85℃的水浴锅后在通入氧化炉, 氧气的流量为1000sccm, 升高氧化炉温度到1100℃进行湿氧氧化。图1为高温氧化装片示意图。

实验中硅微通道板翘曲度是根据公式

得到的。其中w是弯曲度, h是翘曲两边的平行高度, L是翘曲两边之间的长度。

其中击穿电压的测量所用测量仪器是GPI-735A参数测试仪, 测量时保证周围环境的绝缘, 在硅微通道板氧化过后在其放置于导电橡胶中间, 从底部引出导线, 导线与原型石墨橡胶塾接触。实验进行多点测量得到中心位置和边缘位置的击穿电压。

2 实验结果分析与讨论

2.1 氧化参数与形变量的关系

2.1.1 温度硅微通道板高温氧化形变的影响

表中数据是不同温度情况下氧化前后翘曲度的实验结果, 实验数据是由多组数据求品均值。

硅氧化成二氧化硅体积增加到原来的2.16倍, 由于体积的膨胀所产生的膨胀压力大于硅微通道板的抗束缚能力, 硅微通道板在氧化后弯曲主要原因是由于硅和二氧化硅热膨胀系数的强烈差异, 根据实验结果可以看出在相同规格下, 翘曲度随着氧化温度的升高而增加, 因为热膨胀系数随温度升高而升高, 从中我们可以看出在低温下能较少硅微通道的翘曲形变。

2.1.2 硅微通道板基底对型变的影响

晶体中的应力和应变可以由很多因素影响晶体中的应变场可以从点阵间距离变化或在热失配引起的情况下观察样品改变其弯曲方向所需的温度, 从而将应力计算出来, 对于热氧化生长氧化膜的晶体, 一般可以利用测量机械形变的方法将应力计算出来, 如果晶片的弯曲不大衬底没有发生塑性形变, 且没有相对滑动, 并假设两种材料的弹性是各向同性的, 那么晶片的弯曲情况要满足下式

式中Wg为衬底厚度;Wf为薄膜厚度, Wf远小于Ws, d远小于Ws, Tf为薄膜应力, E和ν分别为衬底的杨氏模量和泊松比;r为撤点离开晶片中心的距离。由公式可以看出当温度确定热膨胀系数相对稳定, 薄膜中的应力也相对稳定所以如果衬底厚度增加会减少晶片的弯曲。

硅微通道板在氧化过程中形变的大小不仅与膨胀应力有关而且与硅微通道板本身的抗弯曲程度也有关, 取三组具有相同的孔道尺寸和半径的样品进行高温氧化, 测量它们在高温氧化过后的弯曲度, 具体实验数据如下

从表格中我们可以看出在相同的条件下, 氧化后给微通道板的翘曲度随着样品厚度的增加而减少, 与我们之前的推算基本一致, 从中可以看出在实验允许的程度下硅微通道板越厚, 热氧化过后样品的形变量越小。

2.1.3 退火方式对氧化后硅微通道板翘曲率影响

晶体中的应力应变可以有多种原因造成, 其中过量空位就是其中的原因之一, 空位在晶体里是最简单的点缺陷, 对于硅来说在接近熔点时可以有约1018/cm3空位, 而在室温时就少很多。硅在高温氧化过后冷却非常快, 在高温下形成的大量空位无法以扩散的形式扩散到表面, 就被“困”在体内, 许多的空位可聚集层团, 当它最后塌崩是, 可形成错位圈, 导致形变。

从实验结果中可以看出高温氧化过后不同退火与不退进行比较, 可以得出退后可以减少热氧化后的翘曲率, 但是自然退火和通入高纯氧气对氧化后翘曲率的影响不大。

综上各实验数据可以得出减少热氧化后高温形变的氧化方法是在样品要求的规格范围内尽量使用低温氧化, 硅微通道板采用厚板, 且在氧化过后进行退火可以有效的减少高温氧化过后给微通道板的形变。

2.2 高温氧化后击穿电压分析

表4为经过抛光-去蜡清洗-标准清洗-湿氧氧化八小时后硅微通道板击穿电压实验结果从中我们可以从中看出大部分的实验结果都是中心击穿打压大于边缘击穿电压, 原因是因为在二氧化过程中热应力滑移错位是器件, 一般来说, 热应力在晶片的边缘比较大, 另外硅片与石英舟的装卡接触应力也主要发生在硅片的边缘。因此晶体边缘的热应力滑移位错比较严重, 由此导致在边缘区域的器件电学性能差。

3 结束语

文章给出了不同氧化条件下对硅微通道板形变的研究, 通过改变氧化温度, 硅微通道板厚度, 以及氧化后的退火条件进行分析, 记录氧化后翘曲度的变化。

通过大量实验数据表明温度在1000℃时氧化后翘曲率最小仅为0.41, 厚度为340μm的样品曲率小于厚度为270μm样品的翘曲率, 同样通过实验大量实验结果得出在氧化后对样品进行缓慢降温可以明显起到减少形变的作用。文章还对氧化后硅微通道板击穿电压进行测试得出在中心区域的击穿电压大于边缘区域, 因为在硅微通道板边缘区域上的缺陷更多, 更容易被击穿。

摘要：在高温氧化工艺中硅片的翘曲和弯曲现象比较严重, 对后续工艺造成很大困难, 使器件成品率和性能受到很大的影响, 造成该现象的主要原因是因为在二氧化过程中硅和二氧化硅热膨胀系数的差异, 由于热膨胀系数随着温度而变化导致形变的产生。从晶体本身分析在热氧化过程中晶体本身产生大量空位在氧化过后温度极速下降导致空位无法扩散, 形成空位团, 当聚集到一定地步会造成塌崩, 形成严重的缺陷导致受到热应力的不均匀, 最后导致形变。通过测量硅微通道板不同位置的击穿电压分析导致击穿电压不均匀的原因。

关键词：热氧化,热膨胀,热应力,击穿电压

参考文献

[1]A.S.Grove, Physcic and Technology of Semiconductor Devices, Wiley, New York, 1967.

[2]H.Z.Massoud, et al., J.Electrochem.Soc.col.1985, 132:2685.

[3]B.E.Deal, J.Electrochem.Soc.vol.1978:125, 576.

[4]W.R.Runyah and K.E.Bean Semiconductor Integrated Circuit Processing Technology.1990:577.

[5]李默.硅微通道结构对Si O2薄膜热应力的影响[D].长春理工大学.

[6]谢书银, 石志仪, 陈中祥.高温工艺中硅片的翘曲[J].半导体技术, 1997.