[发明专利]一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法

权利要求书

1.一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将两个相互接触的零件所构成的机械结合面用虚拟材料层代替，构建机械结合面虚拟材料等效模型；

所述虚拟材料层能够导热，且具有与厚度相关的导热系数；同时，虚拟材料层与构成机械结合面的两个零件之间的接触面不存在热阻，热量能够完全传递；

步骤2：根据傅里叶导热定律和稳态导热特性建立构成机械结合面的两个零件及虚拟材料层的厚度与导热系数的函数关系；

步骤3：根据机械结合面的压力载荷和构成机械结合面零件的粗糙度确定虚拟材料层的厚度；

步骤4：通过实验测得构成机械结合面的两个零件的导热系数及零件厚度；

步骤5：将步骤3和步骤4得到的各参数代入步骤2的函数关系中，求得虚拟材料层的导热系数；

步骤6：根据步骤2-步骤6的函数关系及各参数，利用有限元分析软件建立机械结合面虚拟材料等效模型，分析机械结合面的导热性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：

设定构建机械结合面虚拟材料等效模型中虚拟材料的导热系数为λ_c，虚拟材料层的厚度为h_c；构成机械结合面的一个零件的导热系数和厚度分别为λ₁、h₁，另一个零件的导热系数和厚度分别为λ₂、h₂；机械结合面虚拟材料等效模型的整体导热系数和厚度分别为λ、h；当热量从构成机械结合面的一个零件上表面向另一个零件的下表面传递时，构成机械结合面的一个零件的的上表面温度为T₁，与虚拟材料层的接触表面温度为T₁'，虚拟材料层与另一个零件的接触表面温度为T₂'，另一个零件的下表面温度为T₂；

机械结合面虚拟材料等效模型厚度h与构成机械结合面的两个零件的厚度及虚拟材料厚度满足如下关系：

h＝h₁+h_c+h₂ (1)

根据傅里叶导热定律和稳态导热特性得到机械结合面虚拟材料等效模型整体的热流密度q为：

对于构成机械结合面的一个零件，其热流密度q₁为：

对于虚拟材料层，其热流密度q_c为：

对于构成机械结合面的另一个零件，其热流密度q₂为：

因为热传导是连续的，所以机械结合面虚拟材料等效模型中热流密度为恒量，即满足：

q＝q₁＝q_c＝q₂ (6)

联立式(2)～(6)得到构成机械结合面的两个零件及虚拟材料层的厚度与导热系数的函数关系：

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，其特征在于：所述虚拟材料层的厚度与接触表面粗糙度及施加到机械结合面上的压力载荷导致的压缩变形有关，关系如下：

h_c＝3(Ra₁+Ra₂)-δ (8)

其中，Ra₁和Ra₂分别为构成机械结合面的两个零件相互接触表面的粗糙度，δ为由于机械结合面的压力载荷导致机械结合面的压缩变化量，如下公式所示：

其中，F和K分别为机械结合面的压力载荷和机械结合面的接触刚度。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：

将式(1)、(8)、(9)代入式(7)得虚拟材料层的导热系数，如下公式所示：