• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

油介质钢-BFPC结合面的热特性分析

徐平 洪志康 沈佳兴 于英华

徐平, 洪志康, 沈佳兴, 于英华. 油介质钢-BFPC结合面的热特性分析[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(6): 1303-1310. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719
引用本文: 徐平, 洪志康, 沈佳兴, 于英华. 油介质钢-BFPC结合面的热特性分析[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(6): 1303-1310. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719
XU Ping, HONG Zhikang, SHEN Jiaxing, YU Yinghua. Thermal Characteristics of Steel-BFPC Interface Under Oil Medium[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(6): 1303-1310. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719
Citation: XU Ping, HONG Zhikang, SHEN Jiaxing, YU Yinghua. Thermal Characteristics of Steel-BFPC Interface Under Oil Medium[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(6): 1303-1310. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719

油介质钢-BFPC结合面的热特性分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719
基金项目: 国家自然科学基金(52005238,51375219);辽宁省教育厅项目(LJ2019JL030);辽宁省博士科研启动基金计划(2020-BS-256)
详细信息
    作者简介:

    徐平(1964—),男,教授,博士,研究方向为机械系统动力学分析及控制,E-mail:lnxuping@163.com

  • 中图分类号: TK124

Thermal Characteristics of Steel-BFPC Interface Under Oil Medium

  • 摘要:

    为了研究钢和玄武岩纤维树脂混凝土(BFPC)组成的结合面在油介质条件下的热特性,首先,利用离散原理来计算钢-BFPC结合面的实际接触面积,由于结合面接触时本质上是微凸体接触,微凸体会受到挤压形成挤压应力不同的面积区域,故进一步考虑接触比重,提高实际接触面积结果的精确性;然后,根据结合面的形貌特征,结合傅里叶定律分析油介质条件下钢-BFPC结合面的传热机理;最后,分别通过理论计算和实验研究分析不同载荷(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa)对结合面热特性参数的影响. 研究结果表明:接触热阻随着载荷增大而减小,传热系数和导热系数随着载荷增大而增大,不同载荷下,理论计算与实验计算的接触热阻误差分别为6.40%、6.18%、5.85%、4.61%、3.73%,接触热阻的误差随着载荷增大而减小.

     

  • 图 1  钢-BFPC结合面接触拓片

    Figure 1.  Steel-BFPC interface contact rubbing

    图 2  边界接触单元实际接触面积

    Figure 2.  Actual contact area of boundary contact element

    图 3  边界接触面积修正

    Figure 3.  Correction of boundary contact area

    图 4  考虑接触比重的离散单元

    Figure 4.  Discrete element diagram considering specific gravity of contact

    图 5  不同等分份数的离散结果

    Figure 5.  Discrete results of different equal aliquots

    图 6  接触面积比与等分份数拟合曲线

    Figure 6.  Fitting curve of contact area ratio and aliquot

    图 7  载荷对结合面接触热阻影响

    Figure 7.  Influence of load on contact thermal resistance of interface

    图 8  实验装置

    Figure 8.  Experimental setup

    图 9  理论计算与实验计算的接触热阻结果对比

    Figure 9.  Comparison of contact thermal resistance results between theoretical calculation and experimental calculation

    图 10  理论计算与实验计算的接触热阻误差

    Figure 10.  Contact thermal resistance error of theoretical calculation and experimental calculation

    表  1  不同等分份数的计算结果

    Table  1.   Calculation results for different aliquots

    等分
    份数/份
    内接触
    单元数/个
    边界接触
    单元数/个
    接触
    面积比
    9062367220.8235
    1801072674270.4502
    27015032176150.3474
    36021738278220.2542
    54036158498210.1807
    72063545633580.1413
    下载: 导出CSV

    表  2  不同载荷下计算得到的热特性参数

    Table  2.   Thermal characteristic parameters calculated under different loads

    载荷P/
    MPa
    单位面积法向刚度/
    (N·(m·mm2−1
    传热厚Lc/
    μm
    实际接触面积之比
    Ac/A
    导热系数λc/(W·(m·K)−1传热系数hc/(W·(m2·K)−1接触热阻Rc/
    (K·W−1)
    0.27769.341474.260.05020.262177.7160.250
    0.413093.291469.490.07670.337229.3310.194
    0.617326.021465.370.09180.380259.3200.171
    0.821029.011461.960.11030.427292.3980.152
    1.023105.361456.720.13490.483331.6750.134
    下载: 导出CSV

    表  3  不同载荷下实验计算得到的结合面热特性参数

    Table  3.   Thermal characteristic parameters of interface calculated by experiments under different loads

    载荷P/MPaT1/
    T2/
    温差ΔT/
    导热系数
    λc/(W·(m·K)−1
    传热系数
    hc/(W·(m2·K)−1
    接触热阻
    Rc/(K·W−1
    接触热阻
    误差/%
    0.2114.582.332.20.281189.9330.2346.40
    0.4115.385.230.10.359244.2040.1826.18
    0.6115.785.429.30.405276.0520.1615.85
    0.8114.986.228.70.448306.5130.1454.61
    1.0115.687.428.20.487344.5310.1293.73
    下载: 导出CSV
  • [1] 于英华,曹茂林,徐平,等. 玄武岩纤维树脂混凝土填充结构机床横梁优化及性能分析[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2021,40(1): 22-31.

    YU Yinghua, CAO Maolin, XU Ping, et al. Optimization and performance analysis structure of machine tool beam filled with basalt fiber polymer concrete[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science Edition), 2021, 40(1): 22-31.
    [2] 沈佳兴,徐平,于英华,等. BFPC机床龙门框架组件优化设计及综合性能分析[J]. 机械工程学报,2019,55(9): 127-135. doi: 10.3901/JME.2019.09.127

    SHEN Jiaxing, XU Ping, YU Yinghua, et al. Optimization design and comprehensive performance analysis of BFPC gantry machine framework components[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(9): 127-135. doi: 10.3901/JME.2019.09.127
    [3] 屈重年,伍良生,马建峰,等. 铁基多孔含油固定结合面法向动态特性研究[J]. 振动与冲击,2013,32(13): 56-61.

    QU Chongnian, WU Liangsheng, MA Jianfeng, et al. Normal dynamic characteristics of a fixed joint interface with oily Fe-based porous-media[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(13): 56-61.
    [4] 顾慰兰,杨燕生. 温度对接触热阻的影响[J]. 南京航空航天大学学报,1994,26(3): 342-350.

    GU Weilan, YANG Yansheng. The influence of temperature on contact resistance of metallic surfaces temperature[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 1994, 26(3): 342-350.
    [5] 钟明. 接触热阻及双层组合介质温度场的研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2001.
    [6] 许敏. 机床固定结合面动态与热态特性分析[D]. 南京: 东南大学, 2006.
    [7] ZOU M Q, YU B M, CAI J C, et al. Fractal model for thermal contact conductance[J]. Journal of Heat Transfer, 2008, 130(10): 101301.1-10130.9.
    [8] 祁宁. 固—固界面接触热阻的实验研究及数据库查询系统的开发[D]. 南京: 南京理工大学, 2014.
    [9] ABDULLAH M Z, YAU Y C, ZAINAL ALAUDDIN A Z A, et al. Effects of pressure on thermal contact resistance for rough mating surfaces[J]. ASEAN Journal on Science and Technology for Development, 2017, 18(2): 29-35.
    [10] 袁超. 热界面材料热阻模型和导热强化研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2017.
    [11] 王佳. 机床固定结合面接触热阻的研究[D]. 天津: 天津大学, 2018.
    [12] 李俊南,张锁怀,吕超颖,等. 分布式拉杆转子轮盘结合面接触热阻建模与分析[J]. 汽轮机技术,2018,60(4): 267-270,302.

    LI Junnan, ZHANG Suohuai, LV Chaoying, et al. Modeling and analysis of thermal contact resistance on joint interfaces of distributed rod fastening rotor[J]. Turbine Technology, 2018, 60(4): 267-270,302.
    [13] 田小龙,王雯,傅卫平,等. 考虑微凸体相互作用的机械结合面接触刚度模型[J]. 机械工程学报,2017,53(17): 149-159. doi: 10.3901/JME.2017.17.149

    TIAN Xiaolong, WANG Wen, FU Weiping, et al. Contact stiffness model of mechanical joint surfaces considering the asperity interactions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(17): 149-159. doi: 10.3901/JME.2017.17.149
    [14] YASTREBOV V A, ANCIAUX G, MOLINARI J F. On the accurate computation of the true contact-area in mechanical contact of random rough surfaces[J]. Tribology International, 2017, 114(4): 161-171.
    [15] XU M, JIANG S Y, CAI Y. An improved thermal model for machine tool bearings[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(1): 53-62. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2006.02.018
    [16] HOLMAN J P. Heat transfer[M]. 9 ed. [S.l.]: McGraw-Hill, 2002: 53-55.
    [17] FENECH H, ROHSENOW W. Prediction of thermal conductance of metallic surfaces in contact[J]. Journal of Heat Transfer, 1963, 85(1): 15-24. doi: 10.1115/1.3686003
    [18] 张学良,范世荣,温淑花,等. 基于等效横观各向同性虚拟材料的固定结合部建模方法[J]. 机械工程学报,2017,53(15): 141-147. doi: 10.3901/JME.2017.15.141

    ZHANG Xueliang, FAN Shirong, WEN Shuhua, et al. Modeling method of fixed joint interfaces based on equivalent transversely isotropic virtual material[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(15): 141-147. doi: 10.3901/JME.2017.15.141
    [19] 田红亮,刘芙蓉,方子帆,等. 引入各向同性虚拟材料的固定结合部模型[J]. 振动工程学报,2013,26(4): 561-573.

    TIAN Hongliang, LIU Furong, FANG Zifan, et al. Immovable joint surface’s model using isotropic virtual material[J]. Journal of Vibration Engineering, 2013, 26(4): 561-573.
    [20] SHEN J X, XU P, YU Y H. Dynamic characteristics analysis and finite element simulation of steel-BFPC machine tool joint surface[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2019, 142(1): 1-14.
    [21] 徐平,曹泉,于英华,等. BFPC固定结合面虚拟材料参数识别[J]. 机械科学与技术,2021,40(8): 1305-1312.

    XU Ping, CAO Quan, YU Yinghua, et al. Parameter identification of virtual material in fixed joint interface of BFPC[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(8): 1305-1312.
    [22] 龚钊,杨春信. 接触热阻理论模型的简化[J]. 工程热物理学报,2007,28(5): 850-852.

    GONG Zhao, YANG Chunxin. The simplification of the thermal contact conductance model[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(5): 850-852.
  • 加载中
图(10) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  147
  • HTML全文浏览量:  55
  • PDF下载量:  6
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-16
  • 修回日期:  2022-03-03
  • 网络出版日期:  2023-09-13
  • 刊出日期:  2022-03-17

目录

    /

    返回文章
    返回