改进的圆柱面接触热阻模型及其应用

在惯性约束核聚变冷冻靶系统中,硅冷却臂与封装套的装配面会产生显著的接触热阻。为了预测该热阻,提出了一种改进的适用于柱面接触且有胶粘剂填充装配间隙的接触热阻计算模型,该模型计算了通过材料接触部分和接触间隙的传热。用柱面裸接触的实验数据对模型进行了验证。分析结果表明采用较光滑的接触面和导热系数较大的胶粘剂可有效降低接触热阻,而装配应力及胶在固体上的接触角对接触热阻影响不大。     

真空深冷环境下不锈钢与玻璃钢接触导热的影响因素研究

搭建了基于真空深冷环境下一维稳态热流的固体界面接触导热研究的试验装置,制作了3对不锈钢—玻璃钢测试试样,每对试样具有不同的表面粗糙度。在真空深冷环境下对不锈钢—玻璃钢界面接触导热进行了试验研究,分析讨论了界面接触压力和接触表面粗糙度等对接触导热的影响。结果表明,在相同接触压力条件下,表面粗糙度越大导致试样的实际接触面积越小,接触导热系数越小;表面粗糙度相同时接触压力越大,接触界面上发生接触的微凸体变形量增大,接触面积增大接触导热系数也越大。     

650 MHz超导腔的传导冷却结构设计及数值模拟

为了实现仅依靠小型制冷机和热传导方式带走超导腔热量、抛弃复杂的液氦系统,对超导腔的传导冷却结构展开了研究。根据传热要求为650 MHz超导腔初步设计了5种不同的冷却结构,并使用数值模拟软件进行传热仿真,研究了不同的冷却结构、冷却结构的材料和接触热阻等因素对冷却效果的影响。研究结果表明:设计3个冷头比2个冷头更合理,连接冷头和冷环的热桥长度与超导腔的温度近似成线性关系,束管处的热桥有利于截断束管漏热。热桥材料采用高纯铝的冷却效果好于高纯无氧铜,同时热桥与冷环的接触热阻应控制在10 K·cm²/W以下。     

轮轨接触表面有液态介质时的接触问题研究

采用接触单元方法,结合初应力法,对于具有表面微观粗糙度和有液态介质存在于轮轨接触表面的弹塑性接触问题进行了研究,获得了轮轨表面接触压力分布、应力分布等结果。结果表明,它们都存在不同程度的峰值,且这些峰值比Hertzian 接触压力大许多,这是由于有表面微观粗糙度的存在,接触过程中凸出的部分进入了接触,而凹下的部分还未进入接触所致。对于法向接触压力,总的来说弹性计算结果的峰值比弹塑性计算结果的峰值要大。而且轮轨接触表面无液态介质存在时的弹塑性计算结果的接触压力峰值比有液态介质存在下的弹塑性计算结果的峰值要大,这是由于接触表面有液态介质存在时,在凹下的部位液态介质不易自由流动和不可压缩特性,引起了液态介质承受了压力所致。     

双粗糙滑动表面间接触热导研究

粗糙表面之间的接触热导对机械设备的可靠性和使用寿命具有非常重要的影响。对相对滑动的两个粗糙表面之间的有效接触热导进行了分析和预测,得到了适用于不同Pe数下的接触热导计算公式。研究表明:高Pe数下,滑动粗糙表面间的有效接触热导不仅与接触压强、材料热物性参数以及表面粗糙度有关,而且与滑动速度的平方根成正比;低Pe数或者静态下,材料参数、微凸体峰顶半径一定时,有效接触热导与接触压强成近似线性关系。该研究结果可为表面强化换热提供设计依据。     

轮轨油污染黏着特性的研究

运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明:随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定;随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。     

法向接触刚度对装配体振动模态影响的研究

在对装配体进行模态分析时,装配体接触面间的法向接触刚度对计算结果具有很大影响,但在实际中由于处理困难却往往被省略。基于有限元建模方法分析了装配体接触面法向接触刚度对装配体振动模态的影响。首先,根据接触力学理论推导了法向接触刚度与接触表面粗糙度和接触应力之间的关系;然后,探讨了通过改变层单元弹性模量来模拟法向接触刚度的有限元建模方法;最后,通过算例分析了考虑与不考虑接触刚度时振动模态的差异。研究结果表明,考虑法向接触刚度的有限元等效模型计算结果与解析解非常接近,不考虑接触刚度的整体模型计算结果与解析解异较大,一般超过了10%以上,且频率越低差异越大,另外振型也有明显差异。本文建立的有限元建模方法可用于研究法向接触刚度对装配体振动模态的影响。     

无氧铜材料深低温区界面接触热阻实验研究

无氧铜材料是深低温区常用的传热介质,其界面接触热阻是受多参数影响的变量。基于稳态实验法采用了一种温度、压力等参数可调可控的固体界面接触热阻测试系统。通过减小数据采集系统的激励电流提高了温度传感器的测温精度,并基于多层热阻法将制冷机温度波动控制在±1.5 mK以内。实验测试了无氧铜材料在4—40 K、0.6—2.8 MPa范围不同热流和表面粗糙度条件下的界面接触热阻。结果表明温度和粗糙度对其影响明显,当温度降低至4 K附近时无氧铜界面接触热阻迅速升高;在5—20 K温区当表面粗糙度由0.8μm增加到1.88μm时,其界面接触热阻将增加3—7倍。     

直接冷却中氮化铝与无氧铜低温真空接触热导的实验研究

以5W／20K小型G-M制冷机为冷源,对低温下氮化铝（AlN）与无氧铜（OFHC）界面的接触热导进行了实验研究和分析。在45～140K内,氮化铝／无氧铜界面接触热导随温度的升高而增大,同时亦随接触压力的增加而增大。实验中同时得到了氮化铝在低温下的热导率,随温度的升高,氮化铝热导率值逐渐增大。就氮化铝低温热导率及氮化铝／无氧铜接触界面热阻随温度变化规律进行了微结构机理分析。     

粗糙表面固态耦合超声检测研究

固态耦合超声检测时两固体粗糙表面接触界面处的超声波不完全耦合,为提升该界面处超声检测的耦合效果,需深入研究其耦合特性。以粗糙表面的弹簧接触模型为基础,结合粗糙表面接触理论推导出固态耦合超声检测的耦合界面理论模型。根据实际情况以及材料参数分析,得到表征界面耦合效果的平均声反射系数与接触载荷以及接触表面当量粗糙度的关系,并与T模型的计算结果进行对比。在不同当量表面粗糙度和不同接触载荷下分别测得接触界面的平均声反射系数,并对比了不同当量表面粗糙度下界面声耦合效果达到最佳时接触载荷的理论值和实验值,计算得最大相对误差为13.04%,表明实验结果与所提出的理论模型结果基本吻合。所建立的固态耦合超声检测界面理论模型形式简洁,实用性强,并可通过针对性地控制相关参数来改善耦合效果。     

直线运动滚动导轨副混合润滑研究

综合考虑了直线运动导轨副接触几何、预紧力、真实表面粗糙度、曲率系数等因素,建立了直线运动导轨副混合润滑数值模型,研究了滑块移动速度、曲率半径系数、工作载荷、表面粗糙度对导轨接触副润滑特性的影响,得到结论:导轨副法向工作载荷、最大赫兹接触压力和赫兹接触半径随着外加总载荷的增大而增大,平均膜厚随着载荷的增大而减小;混合润滑模型可预测导轨副在大范围工况条件下完整的润滑状态;直线运动导轨大多工作在混合润滑状态下,随着滑块移动速度的增加,接触界面由边界润滑状态向混合润滑状态转变,润滑性能逐渐提高;适当增加曲率半径系数,有利于润滑油膜的形成与稳定。     

金属微通道热沉换热特性仿真与实验研究

为了解决雷达等高热流密度电子设备的散热问题,通过数值模拟方法,设计了一款高宽比为5,当量直径为166.67μm的金属微通道热沉。基于热边界层中断技术,设计出间断的微通道,提升了热沉的换热性能。利用SU-8胶紫外光刻和微电铸技术制作了微通道热沉底板,再将盖板与底板焊接在一起得到金属微通道热沉。搭建了换热性能测试系统,以去离子水为工质,对微通道热沉进行了实验研究。实验结果表明,当热沉底部热源的热流密度为74.5 W/cm~2、工质流量为1.8 L/min时,其底部温度低于40℃,平均换热系数达到67.0 kW/(m~2·K)。     

三维分形接触热导的建模与多参数影响分析

在传统M-B接触模型的基础上,利用三维分形理论,推导三维分形结合面的接触模型,并建立了三维分形接触热导模型。通过仿真分析揭示了法向载荷、分形维数、分形尺度参数、材料特性参数及各参数的耦合对接触热导的影响。仿真结果表明:接触热导与法向载荷呈正相关,当2.1≤D≤2.4时,两者存在非线性关系,当2.5≤D≤2.9时,两者趋于线性关系;当2.0D≤2.95时,接触热导随分形维数的增大而增大,当2.95D3.0时,接触热导随分形维数的增大而减小;接触热导与分形尺度参数呈负相关,与材料特性参数呈正相关;并得出上述参数两两耦合对接触热导的影响。     

微动结合部的一次加载过程

根据赫兹弹性理论和分形几何理论,按照表面微凸体变形特点、表面微凸体承担法向接触载荷的光滑性与连续性条件,以及严格区分弹性变形与完全塑性变形,构建微动结合部的一种法向接触修正加载分形模型。给出Weierstrass-Mandelbrot分形函数不可微的条件。采取带随机相位Ausloos-Berman分形函数仿真各向异性非稳态三维随机表面形貌。提出表面微凸体法向弹性接触载荷与表面微凸体法向变形量之间的加载幂律关系形式,建立微动结合部两个微凸体之间互相影响的法向接触刚度的求导函数而非偏导函数计算方法。数字模拟结果显示:对于恒定的载荷,随着表面轮廓分形维数的增大,实际接触面积先增大后减小;实际接触面积随着法向接触载荷的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;微动结合部法向接触刚度随着实际接触面积、法向接触载荷、相关因子和材料性能参数的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;当表面轮廓分形维数较小时,微动结合部法向接触刚度随着表面轮廓分形维数从1变大而增加;当表面轮廓分形维数较大时,微动结合部法向接触刚度有时随着表面轮廓分形维数的增加逼近到2而减小。微动结合部法向接触修正加载分形模型的建立,可进一步分析微动两接触表面之间的卸载模型。     

真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究

为满足航天器热控设计的需要,实验测量了真空条件下接触面温度110 K时螺钉压接的Cu-Cu界面间的接触热阻,比较了不同的螺钉预紧力矩以及不同的导热填料对接触热阻的影响。实验数据表明,界面接触热阻随着螺钉预紧力矩增大成一阶指数衰减,导热填料为铟箔时界面热阻显著的减小,接触热阻最低可以达到2.0×10-5K.m2/W。     

含氟、硅丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液的制备与性能研究

以聚酯二元醇、甲苯二异氰酸酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷等为原料合成一系列含氟、硅丙烯酸酯改性的水性聚氨酯乳液。利用红外光谱仪、接触角测量仪、锥形量热仪等对合成的水性聚氨酯进行结构表征和性能测试,结果表明:氟、硅被成功引入到聚氨酯结构中;乳液离心后仍表现出良好的稳定性;胶膜与水的接触角由68.6°增加至110.5°,吸水率由13.60%下降至1.15%,材料具有良好的疏水性能;材料的热稳定性和残炭率得到提高;最大热释放速率和总热释放量分别由288.7kW/m~2和15.87MJ/m~2下降至193.6kW/m~2和9.35MJ/m~2,提高了材料的阻燃性能;另外,材料的物理机械性能也得到一定程度的改善。     

50 kA超导变压器杜瓦及高温超导电流引线的设计与优化

CICC超导导体性能测试用50 kA超导变压器由初级线圈和次级线圈组成,初级线圈浸泡在4.2 K液氦低温杜瓦中,次级线圈为CICC导体采用4.2 K/354 637 Pa超临界氦迫流冷却,液氦和超临界氦均由500 W/4.5 K制冷机提供,变压器低温杜瓦的理论液氦蒸发率为1.52 L/h。为减少电流引线漏热,超导变压器采用B i-2223/AgAu高温超导(HTS)二元电流引线,并且在颈管中部设计了一个新型的直接用液氮冷却的热截流装置来截断电流引线高温端的热流;最后对铜电流引线部分进行了尺寸优化计算,得到最佳截面积和直径分别为28 mm2和6 mm。     

高温接触热阻的有限元模拟方法

基于多点接触理论建立了高温接触热阻的计算模型及其有限元格式,模型的基本尺寸取自表面粗糙度测量时的特征尺寸,该模型能有效模拟界面粗糙度、界面压力、界面温度和间隙填料热导率等参数对界面接触热阻的影响,同时也考虑了高温环境下材料热导率随温度变化的特点以及通过界面间隙的辐射换热效应。在此基础上,针对影响接触热阻的若干主要参数进行了研究。数值算例表明:该文所建立的有限元计算模型及其计算方法不仅能有效地模拟不同条件下高温接触热阻的变化规律,也为进行高温接触热阻研究提供了一种新途径。     

薄膜温度计安装接触热阻和激励功率的优化

从温度计自热效应的角度出发,分析了温度计安装的接触热阻,计算求出了4.2—20 K温区的接触热阻值,并理论推导了接触热阻的不确定度计算公式;其次根据求出的接触热阻值分析得到了温度计在4.2—20 K温区的最优激励条件。实验结果表明:在不同的实验温区4.2—20 K范围内,温度计的最优激励电压均大于使用手册中的推荐值2 mV±25%;温度计自热效应引起的温度测量不确定度在20 K时达到最大值0.896 mK,在4.2 K时为最小值0.377 mK。     

背光成像技术在DT冷冻靶研制中的应用

主要介绍了背光成像实验样机的组成及工作原理,讨论了各光学部件的选择,在原理型样机建成后,获得了玻璃微球靶高质量的背光图像,通过对背光影像的光路图分析与测量(测量精度达到1μm),掌握了靶球DT冰层厚度的计算方法;初步建立了靶球二维内外表面粗糙度分析方法;通过设计模拟实验,获得了冰层在微球靶丸内均匀分布后清晰的背光影像.运用实验结果来模拟冷冻靶球DT燃料行为是非常重要的,它将为点火靶的设计和特殊表面粗糙度靶球的制备提供强大的支撑.