試論金屬?gòu)?fù)合材料機(jī)械連接的熱接觸效應(yīng)

高鵬，王鵬宇，王譽(yù)鋒

(齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊洽爾 161000)

試論金屬?gòu)?fù)合材料機(jī)械連接的熱接觸效應(yīng)

Thermal contact effect of mechanical connection of metal composite materials

高鵬，王鵬宇，王譽(yù)鋒

(齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊洽爾 161000)

復(fù)合材料因具有設(shè)計(jì)成型簡(jiǎn)單、剛度大、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。實(shí)際應(yīng)用中，為充分發(fā)揮復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)注重金屬和復(fù)合材料機(jī)械連接接觸熱阻問(wèn)題分析。本文對(duì)接觸熱阻理論進(jìn)行分析，探討影響接觸熱阻影響因素，為金屬與復(fù)合材料間更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接提供參考。

金屬?gòu)?fù)合材料；機(jī)械連接；熱接觸效應(yīng)

金屬和復(fù)合材料接觸面凹凸不平，其間充滿(mǎn)大量空氣，引起額外熱阻的產(chǎn)生。研究表明，產(chǎn)生的熱阻會(huì)給金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，因此，加強(qiáng)金屬和復(fù)合材料機(jī)械連接接觸熱阻研究，對(duì)提高復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值具有重要意義。

1 接觸熱阻理論分析

本文選擇隨機(jī)尺寸、位置以及形狀規(guī)則的粗糙峰用以分析代表性單位模型特點(diǎn)，在傳統(tǒng)接觸熱阻模型理論的基礎(chǔ)上，使得隨機(jī)分布的代表性體積單元模型與工程器件中的連接件的真實(shí)狀態(tài)更為接近。

粗糙峰隨機(jī)分布算法理論為：運(yùn)用兩個(gè)典型立方體連接模型表示接觸連接的代表性體積單元，其中接觸面積為L(zhǎng)×L。使用平均分布算法在接觸面中生成位置、半徑均隨機(jī)的圓柱體。運(yùn)用該方法形成的粗糙峰應(yīng)確保第i個(gè)粗糙峰和之前產(chǎn)生的任意粗糙峰及接觸邊界不能相交，滿(mǎn)足條件要求后生成下一個(gè)粗糙峰。分析連接件接觸時(shí)，將其中一個(gè)表面當(dāng)做光滑剛性面，粗糙峰僅在其中一個(gè)表面生成。粗糙峰高度與兩接觸材料表面粗糙度平均值相當(dāng)。

由經(jīng)典熱傳學(xué)知識(shí)可知，對(duì)接觸面上、下表面全部節(jié)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可獲得對(duì)應(yīng)表面等效熱流密度。而且通過(guò)計(jì)算可得出接觸上下表面的平均溫度分別為T(mén)1、T2，接觸上下表面平均熱流密度q1、q2，運(yùn)用以下公式便可計(jì)算得出接觸熱阻TCR：

粗糙峰隨機(jī)分布接觸熱阻代表性體積單元中，連接件間實(shí)際接觸面積及名義接觸面積，分別用Ar、A表示，此時(shí)有效傳熱接觸面積比為Ar/A。

接下來(lái)對(duì)模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證分析，以典型工況為例，輸入接觸材料熱物理性質(zhì)、接觸材料、傳熱方式、熱荷載、接觸面積、粗糙峰高度等參數(shù)。結(jié)合代表性體積單元模型溫度場(chǎng)分布理論，兩接觸面積傳遞的熱量?jī)H在少量隨機(jī)分布的粗糙峰上，而在名義接觸面積上，實(shí)際粗糙峰接觸面積所占的比例比較小，導(dǎo)致接觸面兩側(cè)溫度差較為明顯，呈現(xiàn)較大的溫度梯度分布。同時(shí)，受粗糙峰隨機(jī)分布影響，接觸表面面內(nèi)溫度分布較為不規(guī)則，尤其在上接觸面粗糙峰區(qū)域的面內(nèi)溫度較附近區(qū)域低，而下接觸面則較周?chē)鷧^(qū)域高。

選擇接觸面積比固定，而不同分布位置的粗糙峰，對(duì)其接觸熱阻進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接觸面積比相同條件下，粗糙峰特征尺寸、位置分布會(huì)引起等效接觸熱阻出現(xiàn)波動(dòng)，而且建模計(jì)算次數(shù)不斷增加時(shí)，等效接觸熱阻結(jié)果總體上較為穩(wěn)定。最終通過(guò)對(duì)多組接觸熱阻、溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出代表性體積單元可有效計(jì)算出接觸體的接觸熱阻。

2 接觸熱阻影響因素研究

研究接觸熱阻影響因素，有助于給金屬?gòu)?fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。研究表明，接觸面積比與粗糙峰高度、粗糙峰特征尺寸比、導(dǎo)熱系數(shù)等均會(huì)給接觸熱阻帶來(lái)影響。

2.1 接觸面積比與粗糙峰高度

通過(guò)選擇不同接觸面積比與粗糙峰高度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)粗糙度增加時(shí)，接觸熱阻逐漸增大，存在一個(gè)加速過(guò)程。例如，面積比在4.61%時(shí)，粗糙峰高度由0.1 μm增加至0.5 μm時(shí)，接觸熱阻增加了18.11%。而當(dāng)粗糙峰由3 μm增加到5 μm時(shí)，接觸熱阻增加101.66%。通過(guò)分析面積比給接觸熱阻造成的影響得出：面積比增大時(shí)，粗糙度不同的接觸熱阻的差距逐漸減小，并且差距趨于穩(wěn)定。

粗糙度不同時(shí)，當(dāng)接觸面積增大時(shí)接觸熱阻反而減小，這一變化呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系。而當(dāng)面積比超過(guò)12%后，接觸熱阻與接觸面積間的關(guān)系較為接近，接觸熱阻差距較小。

2.2 粗糙峰特征尺寸比

使用公式RR=Rmax/L衡量粗糙峰特征尺寸給接觸熱阻帶來(lái)的影響。其中Rmax、L分別表示粗糙峰特征尺寸以及接觸面的特征尺寸。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RR不同時(shí)接觸熱阻分布狀態(tài)為離散的點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)粗糙峰和接觸面積尺寸比值增加時(shí)，接觸熱阻逐漸減小，因此，當(dāng)名義與實(shí)際接觸面積一定時(shí)，界面內(nèi)最大粗糙峰半徑增加，接觸熱阻會(huì)減小。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

連接件材料熱物理性能也會(huì)給接觸熱阻帶來(lái)一定影響，本文主要針對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)給接觸熱阻帶來(lái)的影響進(jìn)行分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料導(dǎo)熱性能增加時(shí)代表性體積單元接觸熱阻以非線(xiàn)性減小，尤其在導(dǎo)熱性質(zhì)較低時(shí)，下降速度比較快，反之減小速度緩慢。同時(shí)，對(duì)相同材料代表性單元體積模型進(jìn)行分析時(shí)，材料具有越大的導(dǎo)熱系數(shù)，接觸熱阻反而越小，此時(shí)更加有助于連接件間熱量的順利傳遞，由此可見(jiàn)當(dāng)兩種材料間導(dǎo)熱系數(shù)不同時(shí)，可通過(guò)改變一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提升整個(gè)熱量傳遞效果。例如，當(dāng)將其中接觸面材料由純鐵更換為純銀，而保持另一接觸面為純鐵時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)比增加，接觸熱阻就越小，減小趨勢(shì)為非線(xiàn)性。并且隨著兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)比值的增加，減少趨勢(shì)逐漸放緩。

3 結(jié)論

金屬?gòu)?fù)合材料機(jī)械連接件在生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料機(jī)械連接熱接觸的接觸熱阻進(jìn)行研究，并得出以下結(jié)論，為提升金屬?gòu)?fù)合材料機(jī)械連接件質(zhì)量提供指導(dǎo)。

（1）本文在對(duì)傳統(tǒng)接觸熱阻研究方法的前提下，提出接觸界面隨機(jī)分布粗糙峰數(shù)據(jù)模擬方法，后經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證得出代表性體積單元可有效計(jì)算出接觸體的接觸熱阻。

（2）通過(guò)對(duì)接觸熱阻影響因素進(jìn)行分析得知，接觸面積比和粗糙程度、粗糙峰特征尺寸比、導(dǎo)熱系數(shù)均會(huì)給接觸熱阻帶來(lái)影響，并呈現(xiàn)以下規(guī)律：接觸熱阻隨著粗糙度的增加而增加，而面積比越大，不同粗糙度間熱阻接觸差距越小；當(dāng)接觸面積比固定時(shí)，接觸面最大粗糙峰半徑增加時(shí)接觸熱阻波動(dòng)性減??；當(dāng)代表性單元模型為同種連接材料時(shí)，接觸熱阻會(huì)歲導(dǎo)熱性質(zhì)的增大而減小，并呈現(xiàn)非線(xiàn)性減小。在低熱性質(zhì)時(shí)接觸熱阻下降較快，反之越慢。同時(shí)，當(dāng)連接材料不同時(shí)，接觸熱阻會(huì)隨著導(dǎo)熱系數(shù)比的增加而減小，以非線(xiàn)性趨勢(shì)減小。

[1] 魏景超. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)新型緊固件連接強(qiáng)度與失效機(jī)理[D].西北工業(yè)大學(xué), 2014.

[2] 朱智毅. 復(fù)合材料厚板螺栓連接擠壓強(qiáng)度研究[D].南京航空航天大學(xué), 2014.

[3] 呂霞. 復(fù)合材料機(jī)械連接局部應(yīng)力與強(qiáng)度的影響因素研究[D].南京航空航天大學(xué), 2013.

(R-03)

TQ320.671

1009-797X(2016)22-0029-02

B DOI∶10.13520/j.cnki.rpte.2016.22.010

高鵬（1990-），男，碩士研究生，助教，主要從事機(jī)械材料加工方面研究與教學(xué)。

2016-08-17