界面接触热阻实验分析及参数优化设计

摘要

机载计算机主要为军用飞行器任务系统提供高性能的计算机硬件资源和丰富的通信接口，作为系统的“大脑中枢”，其重要性不言而喻，可靠性要求远远高于普通计算机。已有研究表明，电子设备的故障70%与温度有关，电子芯片的温度每上升10℃，该元件的可靠性将降低50%，因此有效解决机载计算机的散热问题是确保其运行稳定性及可靠性的关键。然而，机载计算机为满足三防要求，常采用加固型结构设计，使得芯板产生的热量只能通过冷板与机箱导轨间的界面散失，因此界面的传热效率对机载计算机的散热起着至关重要的作用，但固体表面在微观上都是非光滑的，固体表面间的真实接触仅发生在离散的点及微小的面积上，热流在通过接触界面时会产生热流收缩，即存在所谓的界面接触热阻(简称界面热阻或接触热阻)。接触热阻的存在对机载计算机的散热存在严重影响，若芯板的热量不能通过界面有效散失，势必导致芯板温度升高，严重影响计算机性能。因此，针对机载计算机的界面特点，研究不同因素对机载计算机典型界面接触热阻的影响规律具有重要的理论与应用价值。 针对典型机载计算机散热结构及材料特点，本文开展了实验与数值计算分析，具体包括：(1)设计并制备了一套接触热阻测试系统，可实现接触热阻的稳态法测量。(2)利用上述设备，以机载计算机传热结构中涉及的45#钢和6061-T6铝合金为研究对象，通过实验详细研究了材料性能、界面粗糙度、界面压力及界面温度对接触热阻的影响。研究表明，硬度较大的45#钢试样表面粗糙度较6061-T6铝合金对接触热阻的影响更大，随着界面压力的增加，接触热阻显著减小，但界面温度对接触热阻的影响相对较小。需要指出的是，随着界面压力的增加，表面粗糙度及界面温度对接触热阻的影响减弱。(3)基于上述数据，采用最小二乘法进行数据拟合，得到了不同粗糙度时界面压力与接触热阻间的拟合公式。同时，针对机载计算机JA及JB散热端板锁紧装置，利用有限元软件进行了力学分析，得到了接触界面的压力分布与锁紧螺栓扭矩间的对应关系，然后利用前述界面压力与接触热阻间的拟合公式，采用Matlab编制了界面接触热阻分布及平均界面热阻计算程序，最终得到了不同锁紧螺栓扭矩作用下界面热阻整体分布规律及平均接触热阻值，可直接用于指导散热装置的预紧力设置与热阻估计。(4)为了减小机载计算机导轨底面的接触热阻，本文针对JA模型及JB模型的机箱导轨进行了参数优化设计，有限元计算结果表明，通过提高机箱导轨凹槽整体刚度，即减小其内部空心区域尺寸的方法，可以有效减小JA模型及JB模型导轨与端板间的接触热阻，有利于芯板散热。

目录

声明

1. 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 机载计算机散热技术

1.3 接触热阻国内外研究现状

1.3.1 理论研究

1.3.2 实验研究

1.3.3 数值分析

1.4 本文主要研究内容

2. 接触热阻的实验研究

2.1 接触热阻理论知识简介

2.1.1 接触热阻的概念

2.1.2 接触热阻的影响因素

2.2 接触热阻测试系统及实验原理

2.2.1 接触热阻测试系统

2.2.2 接触热阻实验原理

2.3 实验材料力学性能测试

2.3.1 拉伸性能测试

2.3.2 纳米压痕测试

2.4 接触热阻实验主要研究内容

2.5 接触热阻实验结果及分析

2.5.1 粗糙度及力学性能对接触热阻的耦合影响

2.5.2 界面压力对接触热阻的影响

2.5.3 界面温度对接触热阻的影响

2.6 本章小结

3. 机箱导轨与冷板间接触热阻有限元分析

3.1 接触热阻的有限元计算

3.1.1 几何模型与材料属性

3.1.2 边界条件及载荷

3.1.3 有限元计算过程

3.2 扭矩对接触热阻的影响

3.2.1 扭矩对JA模型接触热阻的影响

3.2.2 扭矩对JB模型接触热阻的影响

3.2.3 扭矩对JA及JB模型接触热阻的影响对比

3.3 粗糙度对接触热阻的影响

3.3.1 粗糙度的设计范围

3.3.2 粗糙度对JA模型接触热阻的影响

3.3.3 粗糙度对JB模型接触热阻的影响

3.3.4 粗糙度对JA及JB模型接触热阻的影响对比

3.4 本章小结

4. 减小机箱导轨接触热阻的优化方案

4.1 JA模型机箱导轨优化设计

4.1.1 机箱导轨的设计方法

4.1.2 机箱导轨不同设计方案结果分析

4.1.3 扭矩与粗糙度对各设计方案接触热阻的影响

4.2 JB模型机箱导轨优化设计

4.2.1 机箱导轨的设计方法

4.2.2 机箱导轨不同设计方案结果分析

4.2.3 扭矩与粗糙度对各设计方案接触热阻的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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