金属/复合材料机械连接热接触效应研究

摘要

复合材料由于比强度高、比刚度大、易于设计成型等优点从而广泛应用于航空航天业。在它的使用过程中存在与金属材料发生连接的部位。金属/复合材料结构的连接方式有机械连接（螺栓连接和铆接）、胶接以及混合连接，其中螺栓连接适用于传递较高荷载或强调可靠性的部位，是最常用的连接形式。在螺栓连接情况下，金属/复合材料连接件上由于金属和复合材料热性能的差异和各接触面之间的热阻，再加上温度边界条件的作用导致金属-复合材料连接件上的温度场不均匀分布。连接件受到机械荷载和非均匀温度荷载同时作用时，由于金属材料和复合材料热膨胀系数的差异，导致连接件应力分布十分复杂，因此有必要对金属和复合材料的接触热阻进行深入细致的研究。
　　本文主要研究工作如下：
　　1.建立了两种材料连接时的三维接触峰随机分布的接触热阻代表性体积单元模型。该模型采用计算细观力学的方法，通过数值分析得到了代表性体积单元的稳态温度场分布，并利用传热学理论计算两种材料的等效接触热阻。
　　2.利用该模型研究了接触材料物性的差异、接触界面粗糙峰特征、材料粗糙度对接触热阻的影响。研究结果表明接触面积和材料粗糙度对接触热阻具有较大影响，粗糙峰越高，接触热阻越大；实际接触面积越大，接触热阻越小。接触界面内的粗糙峰特征会对接触热阻结果造成影响。
　　3.针对铝合金/碳纤维树脂基复合材料螺栓连接形式，分别进行了未考虑接触热阻和考虑接触热阻的热分析，研究了接触热阻对连接件温度场的影响。结果显示，考虑了接触热阻的复合材料板温度明显低于不考虑接触热阻的复合材料板温度，而铝合金板温度场受接触热阻影响较小。考虑了接触热阻的螺栓温度沿轴线方向线性变化，而未考虑接触热阻的螺栓温度在铝合金板区域保持高温，在复合材料板区域内沿轴线方向线性变化。
　　4.对铝合金/碳纤维树脂基复合材料螺栓连接件分别进行了考虑接触热阻和不考虑接触热阻的热力耦合分析，研究了接触热阻对连接件应力分布的影响。结果显示，接触热阻会对连接件各部位等效应力分布和各接触面的平均接触应力造成较大影响。
　　本文提出的计算双材料接触热阻的有限元方法和非均匀温度场作用下金属-复合材料连接件的有限元模拟方法以及得到接触热阻对于连接件应力场的影响，对工程应用具有一定的指导作用。

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第1章 绪论

1.1选题研究背景及目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 接触热阻计算研究

2.1传统接触热阻的研究方法

2.2基于粗糙峰随机分布的接触热阻代表性体积单元

2.3 代表性体积单元的有效性验证

2.4本章小结

第3章 接触热阻的影响因素分析

3.1接触面积比和粗糙峰高度对接触热阻的影响

3.2粗糙峰特征尺寸比对接触热阻的影响

3.3导热系数对接触热阻的影响

3.4本章小结

第4章 考虑接触热阻的连接件设计与温度场分析

4.1考虑接触热阻的连接件设计

4.2连接件的温度场有限元分析

4.3接触热阻对连接件温度场的影响

4.4 本章小结

第5章 考虑接触热阻的连接件的热应力分析

5.1热力耦合方法

5.2计算输入

5.3连接件的应力分析

5.4接触热阻对连接件应力场的影响研究

5.5本章小结

第6章 结论与展望

致谢

参考文献

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