试论金属复合材料机械连接的热接触效应

高鹏，王鹏宇，王誉锋

(齐齐哈尔工程学院，黑龙江 齐齐洽尔 161000)

试论金属复合材料机械连接的热接触效应

Thermal contact effect of mechanical connection of metal composite materials

高鹏，王鹏宇，王誉锋

(齐齐哈尔工程学院，黑龙江 齐齐洽尔 161000)

复合材料因具有设计成型简单、刚度大、强度高等优点被广泛应用各个生产领域中。实际应用中，为充分发挥复合材料实际应用价值，应注重金属和复合材料机械连接接触热阻问题分析。本文对接触热阻理论进行分析，探讨影响接触热阻影响因素，为金属与复合材料间更好的实现机械连接提供参考。

金属复合材料；机械连接；热接触效应

金属和复合材料接触面凹凸不平，其间充满大量空气，引起额外热阻的产生。研究表明，产生的热阻会给金属和复合材料结构的导热性能产生较大影响，进而影响结构的应力状态，因此，加强金属和复合材料机械连接接触热阻研究，对提高复合材料的实际应用价值具有重要意义。

1 接触热阻理论分析

本文选择随机尺寸、位置以及形状规则的粗糙峰用以分析代表性单位模型特点，在传统接触热阻模型理论的基础上，使得随机分布的代表性体积单元模型与工程器件中的连接件的真实状态更为接近。

粗糙峰随机分布算法理论为：运用两个典型立方体连接模型表示接触连接的代表性体积单元，其中接触面积为L×L。使用平均分布算法在接触面中生成位置、半径均随机的圆柱体。运用该方法形成的粗糙峰应确保第i个粗糙峰和之前产生的任意粗糙峰及接触边界不能相交，满足条件要求后生成下一个粗糙峰。分析连接件接触时，将其中一个表面当做光滑刚性面，粗糙峰仅在其中一个表面生成。粗糙峰高度与两接触材料表面粗糙度平均值相当。

由经典热传学知识可知，对接触面上、下表面全部节点的温度值进行统计，可获得对应表面等效热流密度。而且通过计算可得出接触上下表面的平均温度分别为T1、T2，接触上下表面平均热流密度q1、q2，运用以下公式便可计算得出接触热阻TCR：

粗糙峰随机分布接触热阻代表性体积单元中，连接件间实际接触面积及名义接触面积，分别用Ar、A表示，此时有效传热接触面积比为Ar/A。

接下来对模型有效性进行验证分析，以典型工况为例，输入接触材料热物理性质、接触材料、传热方式、热荷载、接触面积、粗糙峰高度等参数。结合代表性体积单元模型温度场分布理论，两接触面积传递的热量仅在少量随机分布的粗糙峰上，而在名义接触面积上，实际粗糙峰接触面积所占的比例比较小，导致接触面两侧温度差较为明显，呈现较大的温度梯度分布。同时，受粗糙峰随机分布影响，接触表面面内温度分布较为不规则，尤其在上接触面粗糙峰区域的面内温度较附近区域低，而下接触面则较周围区域高。

选择接触面积比固定，而不同分布位置的粗糙峰，对其接触热阻进行计算分析。结果发现，接触面积比相同条件下，粗糙峰特征尺寸、位置分布会引起等效接触热阻出现波动，而且建模计算次数不断增加时，等效接触热阻结果总体上较为稳定。最终通过对多组接触热阻、温度场计算结果进行分析，得出代表性体积单元可有效计算出接触体的接触热阻。

2 接触热阻影响因素研究

研究接触热阻影响因素，有助于给金属复合材料的实际应用提供指导。研究表明，接触面积比与粗糙峰高度、粗糙峰特征尺寸比、导热系数等均会给接触热阻带来影响。

2.1 接触面积比与粗糙峰高度

通过选择不同接触面积比与粗糙峰高度进行研究，结果表明，当粗糙度增加时，接触热阻逐渐增大，存在一个加速过程。例如，面积比在4.61%时，粗糙峰高度由0.1 μm增加至0.5 μm时，接触热阻增加了18.11%。而当粗糙峰由3 μm增加到5 μm时，接触热阻增加101.66%。通过分析面积比给接触热阻造成的影响得出：面积比增大时，粗糙度不同的接触热阻的差距逐渐减小，并且差距趋于稳定。

粗糙度不同时，当接触面积增大时接触热阻反而减小，这一变化呈现非线性关系。而当面积比超过12%后，接触热阻与接触面积间的关系较为接近，接触热阻差距较小。

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给接触热阻带来的影响。其中Rmax、L分别表示粗糙峰特征尺寸以及接触面的特征尺寸。研究发现，当RR不同时接触热阻分布状态为离散的点。同时，当粗糙峰和接触面积尺寸比值增加时，接触热阻逐渐减小，因此，当名义与实际接触面积一定时，界面内最大粗糙峰半径增加，接触热阻会减小。

2.3 导热系数

连接件材料热物理性能也会给接触热阻带来一定影响，本文主要针对导热系数给接触热阻带来的影响进行分析。

结果发现，当材料导热性能增加时代表性体积单元接触热阻以非线性减小，尤其在导热性质较低时，下降速度比较快，反之减小速度缓慢。同时，对相同材料代表性单元体积模型进行分析时，材料具有越大的导热系数，接触热阻反而越小，此时更加有助于连接件间热量的顺利传递，由此可见当两种材料间导热系数不同时，可通过改变一种材料的导热系数，提升整个热量传递效果。例如，当将其中接触面材料由纯铁更换为纯银，而保持另一接触面为纯铁时，导热系数比增加，接触热阻就越小，减小趋势为非线性。并且随着两种材料导热系数比值的增加，减少趋势逐渐放缓。

3 结论

金属复合材料机械连接件在生产领域中的应用越来越广泛，本文对金属复合材料机械连接热接触的接触热阻进行研究，并得出以下结论，为提升金属复合材料机械连接件质量提供指导。

（1）本文在对传统接触热阻研究方法的前提下，提出接触界面随机分布粗糙峰数据模拟方法，后经实际验证得出代表性体积单元可有效计算出接触体的接触热阻。

（2）通过对接触热阻影响因素进行分析得知，接触面积比和粗糙程度、粗糙峰特征尺寸比、导热系数均会给接触热阻带来影响，并呈现以下规律：接触热阻随着粗糙度的增加而增加，而面积比越大，不同粗糙度间热阻接触差距越小；当接触面积比固定时，接触面最大粗糙峰半径增加时接触热阻波动性减小；当代表性单元模型为同种连接材料时，接触热阻会岁导热性质的增大而减小，并呈现非线性减小。在低热性质时接触热阻下降较快，反之越慢。同时，当连接材料不同时，接触热阻会随着导热系数比的增加而减小，以非线性趋势减小。

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(R-03)

TQ320.671

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

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

高鹏（1990-），男，硕士研究生，助教，主要从事机械材料加工方面研究与教学。

2016-08-17