試論金屬復(fù)合材料機械連接的熱接觸效應(yīng)

高鵬，王鵬宇，王譽鋒

(齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊洽爾 161000)

試論金屬復(fù)合材料機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)計成型簡單、剛度大、強度高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用各個生產(chǎn)領(lǐng)域中。實際應(yīng)用中，為充分發(fā)揮復(fù)合材料實際應(yīng)用價值，應(yīng)注重金屬和復(fù)合材料機械連接接觸熱阻問題分析。本文對接觸熱阻理論進(jìn)行分析，探討影響接觸熱阻影響因素，為金屬與復(fù)合材料間更好的實現(xiàn)機械連接提供參考。

金屬復(fù)合材料；機械連接；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，加強金屬和復(fù)合材料機械連接接觸熱阻研究，對提高復(fù)合材料的實際應(yīng)用價值具有重要意義。

1 接觸熱阻理論分析

本文選擇隨機尺寸、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，在傳統(tǒng)接觸熱阻模型理論的基礎(chǔ)上，使得隨機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狀態(tài)更為接近。

粗糙峰隨機分布算法理論為：運用兩個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×L。使用平均分布算法在接觸面中生成位置、半徑均隨機的圓柱體。運用該方法形成的粗糙峰應(yīng)確保第i個粗糙峰和之前產(chǎn)生的任意粗糙峰及接觸邊界不能相交，滿足條件要求后生成下一個粗糙峰。分析連接件接觸時，將其中一個表面當(dāng)做光滑剛性面，粗糙峰僅在其中一個表面生成。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)知識可知，對接觸面上、下表面全部節(jié)點的溫度值進(jìn)行統(tǒng)計，可獲得對應(yīng)表面等效熱流密度。而且通過計算可得出接觸上下表面的平均溫度分別為T1、T2，接觸上下表面平均熱流密度q1、q2，運用以下公式便可計算得出接觸熱阻TCR：

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

接下來對模型有效性進(jìn)行驗證分析，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分布理論，兩接觸面積傳遞的熱量僅在少量隨機分布的粗糙峰上，而在名義接觸面積上，實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，受粗糙峰隨機分布影響，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，而下接觸面則較周圍區(qū)域高。

選擇接觸面積比固定，而不同分布位置的粗糙峰，對其接觸熱阻進(jìn)行計算分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接觸面積比相同條件下，粗糙峰特征尺寸、位置分布會引起等效接觸熱阻出現(xiàn)波動，而且建模計算次數(shù)不斷增加時，等效接觸熱阻結(jié)果總體上較為穩(wěn)定。最終通過對多組接觸熱阻、溫度場計算結(jié)果進(jìn)行分析，得出代表性體積單元可有效計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，有助于給金屬復(fù)合材料的實際應(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)等均會給接觸熱阻帶來影響。

2.1 接觸面積比與粗糙峰高度

通過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，接觸熱阻逐漸增大，存在一個加速過程。例如，面積比在4.61%時，粗糙峰高度由0.1 μm增加至0.5 μm時，接觸熱阻增加了18.11%。而當(dāng)粗糙峰由3 μm增加到5 μm時，接觸熱阻增加101.66%。通過分析面積比給接觸熱阻造成的影響得出：面積比增大時，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，當(dāng)接觸面積增大時接觸熱阻反而減小，這一變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系。而當(dāng)面積比超過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不同時接觸熱阻分布狀態(tài)為離散的點。同時，當(dāng)粗糙峰和接觸面積尺寸比值增加時，接觸熱阻逐漸減小，因此，當(dāng)名義與實際接觸面積一定時，界面內(nèi)最大粗糙峰半徑增加，接觸熱阻會減小。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

連接件材料熱物理性能也會給接觸熱阻帶來一定影響，本文主要針對導(dǎo)熱系數(shù)給接觸熱阻帶來的影響進(jìn)行分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料導(dǎo)熱性能增加時代表性體積單元接觸熱阻以非線性減小，尤其在導(dǎo)熱性質(zhì)較低時，下降速度比較快，反之減小速度緩慢。同時，對相同材料代表性單元體積模型進(jìn)行分析時，材料具有越大的導(dǎo)熱系數(shù)，接觸熱阻反而越小，此時更加有助于連接件間熱量的順利傳遞，由此可見當(dāng)兩種材料間導(dǎo)熱系數(shù)不同時，可通過改變一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提升整個熱量傳遞效果。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，導(dǎo)熱系數(shù)比增加，接觸熱阻就越小，減小趨勢為非線性。并且隨著兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)比值的增加，減少趨勢逐漸放緩。

3 結(jié)論

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

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

（2）通過對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)均會給接觸熱阻帶來影響，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，接觸面最大粗糙峰半徑增加時接觸熱阻波動性減小；當(dāng)代表性單元模型為同種連接材料時，接觸熱阻會歲導(dǎo)熱性質(zhì)的增大而減小，并呈現(xiàn)非線性減小。在低熱性質(zhì)時接觸熱阻下降較快，反之越慢。同時，當(dāng)連接材料不同時，接觸熱阻會隨著導(dǎo)熱系數(shù)比的增加而減小，以非線性趨勢減小。

[1] 魏景超. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)新型緊固件連接強度與失效機理[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度研究[D].南京航空航天大學(xué), 2014.

[3] 呂霞. 復(fù)合材料機械連接局部應(yīng)力與強度的影響因素研究[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，主要從事機械材料加工方面研究與教學(xué)。

2016-08-17