一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的接触热阻建模方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的接触热阻建模方法，该方法考虑了高温下辐射热阻对接触热阻的影响。该方法根据微凸体的弹性、弹塑性和塑性变形计算，结合面实际接触面积和接触载荷，然后分别计算基体热阻、收缩热阻和辐射热阻，总接触热阻通过基体热阻、收缩热阻串联然后与辐射热阻并联计算得出，最后使用Matlab编写计算程序得到接触热阻和载荷的关系。本发明专利技术的特点在于考虑微凸体高温情况下辐射热阻的影响，载荷较小时由于实际接触面积较小辐射热阻占比较高，不能忽略；温度较高时，辐射贡献的热通量大大提升，需要重视。本发明专利技术提供的方法可为高温合金热态分析的边界条件接触热阻的计算提供理论依据。理论依据。理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的接触热阻建模方法


[0001]本专利技术属于高温合金接触热阻测试
，涉及一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温情况下辐射热阻的接触热阻建模方法，该方法运用matlab计算并分析了基体热阻、收缩热阻和辐射热阻的影响。

技术介绍

[0002]高温条件下的固
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固界面之间的接触热阻是航空航天、能源动力、热核反应等领域的研究热点，是高温工程应用中涉及热控制和热防护系统设计的关键参数之一。目前对接触热阻的预测模型主要为赫兹接触模型、经典的力学统计模型、基于统计学的W
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A以及基于W
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M函数的M
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B模型，前三个模型受到仪器的分辨率以及取样长度的影响，M
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B模型由于分形函数与尺度无关的性质，该模型具不受仪器分辨率的影响。目前大部分模型没有考虑高温情况下辐射对接触热阻的贡献，本专利技术综合考虑了微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温下辐射的影响。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的接触热阻建模方法，该方法运用分形理论建立接触热阻模型并考虑了微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的影响。该方法首先建立结合面实际接触面积和接触载荷方程，然后在弹性、弹塑性和塑性变形的情况下建立基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻，从而建立总接触热阻模型，最后使用Matlab编写计算程序得到总接触热阻。
[0004]本专利技术是采用以下技术手段实现的：S1、首先用分形理论对整个粗糙表面进行理论描述，计算微触体的临界变形面积，并讨论不同力学变形情况下的接触面积和接触在和。将接触面积和接触载荷积分得到实际接触面积和接触载荷，随后计算单个接触点的基体热阻与收缩热阻，将单个接触点的基体热阻与收缩热阻是做串联，不同接触点热阻视作并联计算传导热阻。
[0005]S2、考虑材料的辐射性质，建立辐射热阻模型，并将辐射热组和传导热阻并联得到接触热阻模型。
[0006]S3、按照计算流程编写Matlab程序计算接触热阻随载荷变化曲线图。
[0007]本专利技术的特点在于考虑了微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻影响，能够对各个热阻进行精确计算。本专利技术提供的方法可为高温下合金的热态特性分析边界条件接触热阻的计算提供指导。
[0008]通过下面的描述并结合附图说明，本专利技术会更加清晰，附图说明用于解释本专利技术方法及实施例。
附图说明
[0009]图1整个粗糙表面的分形表征；图2基体热阻、收缩热阻和空气间隙热阻的热阻网络；图3收缩热阻时的单点接触；图4分形维数D＝1.4976分形粗糙度参数G＝8
×
10
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10m时，总接触热阻随接触载荷的变化关系图；
实施方式
[0010]本专利技术实施一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的接触热阻建模方法，下面结合附图，对本专利技术的实施进行具体说明。
[0011]当两个粗糙表面相互接触时，被假设为许多大小不等的圆形微凸体的相互接触，而同一表面微凸体间的变形影响予以忽略。粗糙表面可被看作由大量的、离散的、相互并联的小圆柱形微凸体组成，如图1所示。因此，粗糙表面的彼此接触问题可被简化为接触面积为a
′
接触高度为d
′
的圆柱微凸体间的相互接触。接触高度为d
′
可得：。
[0012]为样本最高点到最低点的最大距离，为微触点的最大变形。
[0013]当热流通过相互接触的粗糙表面时，接触热阻由基体热阻、收缩热阻和小间隙热阻组成。两个相互接触的粗糙表面的热阻网络如图2所示。基体热阻与收缩热阻相互串联形成接触的小热阻单元。辐射热阻与接触的热阻单元并联。对于本接触热阻模型，存在下列假设：(1)热流通道之间无热交换；(2)所有热流通道界面温差相同；(3)通过空隙中传热方式为辐射传热，不考虑热对流。
[0014]1.1接触点的实际接触面积与接触压力当两个粗糙表面相互接触时，由于相互接触的表面微凸体受到彼此的挤压，从而使微凸体产生弹性、弹塑性或者塑性变形。其中微触点的分布函数可以表示为：
[0015]其中为微触点变形后的截面积，当微触点处于弹性变形时：，；
[0016]在弹塑性变形时，；
[0017]在塑性变形时，。
[0018]是一个与D有关的一个常数，表示为：。
[0019]区别不同力学变形，临界变形面积表示为：
[0020]其中，K是平均接触压力系数与硬度系数K有关：，。v为较软材料的泊松比。综合积分单个接触点的接触压力与接触面积，整个表面的实际接触面积与表面负载为：积，整个表面的实际接触面积与表面负载为：
[0021]1.2热阻单元的接触热阻单接触点的收缩接触热阻可以由下式表示：
[0022]其基体热阻表示为：
[0023]由于基体热阻与收缩热阻是串联关系，热阻单元的接触热阻可表示为。
[0024]1.3辐射贡献热阻在考虑辐射传热在两界面的贡献时，将两个互相接触的平面看作半无限大、各向同性的平面。通过使用并矢格林函数来求解随机麦克斯韦方程组，通过公式推导，同时考虑近场和远场的贡献光谱的热通量为：近场和远场的贡献光谱的热通量为：
[0025]在等式中，代表真空中的波矢。T1,T2表示为两表面的温度。和分别表示为平行于界面和垂直于界面的波矢量。是从介质1到介质2的菲涅尔反射系数（s为TE，p为TM。）。菲涅尔反射系数是由介电函数推导得出，其表达式为：数（s为TE，p为TM。）。菲涅尔反射系数是由介电函数推导得出，其表达式为：
[0026]为普朗克振荡器平均能量。平面间的距离可以通过分形函数计算得来：。其中表面形貌的最高纵坐标，为各个非接触点的纵坐标值，N为非接触点的个数。最后表面间辐射贡献的总热通量可表示为：
[0027]辐射贡献的热阻为。
[0028]1.4、粗糙表面的接触热阻粗糙表面的接触热阻由许多热阻单元与间隙热阻组成。整个粗糙表面的接触热阻数值可由其积分获得。为了获得接触表面的接触热阻这里引入接触热导h，其与接触热阻的关系为h＝1/r。单个热阻单元和辐射贡献的接触热导分别为：关系为h＝1/r。单个热阻单元和辐射贡献的接触热导分别为：
[0029]接触点总的接触热阻为:。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明的目的是提供一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的接触热阻建模方法，该方法运用分形理论建立接触热阻模型并考虑了微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻的影响；该方法首先建立结合面实际接触面积和接触载荷方程，然后在弹性、弹塑性和塑性变形的情况下建立基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻，从而建立总接触热阻模型，最后使用Matlab编写计算程序得到总接触热阻；本发明是采用以下技术手段实现的：S1、首先用分形理论对整个粗糙表面进行理论描述，计算微触体的临界变形面积，并讨论不同力学变形情况下的接触面积和接触在和；将接触面积和接触载荷积分得到实际接触面积和接触载荷，随后计算单个接触点的基体热阻与收缩热阻，将单个接触点的基体热阻与收缩热阻是做串联，不同接触点热阻视作并联计算传导热阻；S2、考虑材料的辐射性质，建立辐射热阻模型，并将辐射热组和传导热阻并联得到接触热阻模型；S3、按照计算流程编写Matlab程序计算接触热阻随载荷变化曲线图；本发明的特点在于考虑了微凸体的基体热阻、收缩热阻和高温辐射热阻影响，能够对各个热阻进行精确计算；本发明提供的方法可为高温下合金的热态特性分析边界条件接触热阻的计算提供指导。2.根据权利要求1所述的一种考虑微凸体的基体热阻、收缩热阻和空气介质热阻的接触热阻建模方法，其特征在于：当两个粗糙表面相互接触时，被假设为许多大小不等的圆形微凸体的相互接触，而同一表面微凸体间的变形影响予以忽略；粗糙表面可被看作由大量的、离散的、相互并联的小圆柱形微凸体组成；因此，粗糙表面的彼此接触问题可被简化为接触面积为a
′
接触高度为d
′
的圆柱微凸体间的相互接触；接触高度为d
′
可得：；为样本最高点到最低点的最大距离，为微触点的最大变形，当热流通过相互接触的粗糙表面时，接触热阻由基体热阻、收缩热阻和小间隙热阻组成；基体热阻 与收缩热阻 相互串联形成接触的小热阻单元；辐射热阻与接触的热阻单元并联；对于本接触热阻模型，存在下列假设：(1)热流通道之间无热交换；(2)所有热流通道界面温差相同；...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢智，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：