[發明專利]一種用于測定熱沖壓過程中接觸熱阻的裝置及方法

有效

• 申請號: 201210521023.8
• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN103018137A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 李輝平;賀連芳;趙國群
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 青島聯信知識產權代理事務所 37227
• 代理人: 段秀瑛;王中云

技術領域

本發明涉及接觸熱阻的測定裝置及方法，尤其涉及熱沖壓過程中鋼材與模具之間接觸熱阻的測試方法和裝置，屬于高強度鋼板熱沖壓技術領域。?

背景技術

反向熱傳導問題（Inverse?Heat?Conduction?Problem,?IHCP）是一種不適定問題，它與常規的熱傳導過程不同。常規熱傳導過程是根據已知的初始條件或邊界條件，求解傳熱體內部的溫度變化，是一種適定問題。IHCP要根據傳熱體溫度的變化情況計算傳熱體的邊界條件或初始條件：即通過在傳熱體內部安裝熱傳感器，并利用熱傳感器記錄傳熱體內部的相應位置的溫度變化，再利用適當的計算方法根據溫度變化情況確定傳熱體的初始條件或邊界條件。目前，國內外的學者已經提出了多種數值解析方法解決IHCP。由于反傳熱問題是一種不適定問題，它的求解要比常規熱傳導過程復雜許多，選擇簡便、可靠的方法研究反向熱傳導問題，在實際工程應用中具有重要價值。?

利用數值模擬方法研究硼鋼熱沖壓工藝時，需要相應的熱沖壓關鍵參數，包括硼鋼的各種熱物性參數、力學性能參數，接觸邊界參數等。其中，接觸熱阻是最關鍵的參數之一，其準確程度直接影響溫度場、應力應變場以及組織場的求解精度。?

當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來接觸良好的兩物體，直接接觸的實際面積只是交界面的一部分，其余部分都是縫隙。在縫隙部分，熱量依靠縫隙內氣體的熱傳導和熱輻射進行傳遞，而氣體的傳熱能力遠不及一般的固體材料。接觸熱阻的存在，往往造成熱流流過交界面時，沿熱流方向溫度發生突然下降，而這是工程應用中需要盡量避免的現象。減小接觸熱阻的措施之一是增加兩物體接觸面的壓力，使物體交界面上的突出部分變形，從而減小縫隙，增大接觸面。?

專利200510101731.6公開了“一種導熱材料熱阻測試方法及測試夾具”，該測試夾具由發熱單元和散熱單元組成；該測試方法包括如下幾個步驟：（1）將導熱材料夾持在所述發熱單元和散熱單元之間；（2）將夾持導熱材料的測試夾具置于環境試驗箱內，并設置環境試驗箱的參數進行環境試驗；（3）對經過環境試驗的測試夾具，由發熱單元加熱，通過導熱材料將熱量傳導到散熱單元，并對發熱單元與散熱單元的溫度分別進行測量；（4）在溫度穩定時，計算發熱單元的功耗和發熱單元與散熱單元的溫差，從而計算熱阻。該專利實現了對導熱材料進行不同環境變化后的熱阻可靠性測試，并提高了測試精度。?

專利201010229877.X公開了“一種接觸熱阻測試設備”，該設備主要包括支架、頂板、底板、應力加載裝置、數據采集系統和加熱裝置，底板和頂板之間由下至上依次設置加熱裝置、試樣和應力加載裝置。該專利所提供的設備能夠進行高溫、高接觸應力下的接觸熱阻測試試驗，并且能夠連續按要求改變熱端溫度（≤1000℃）和調整加載應力（≤500MPa），能夠對多通道的監測點溫度同時進行檢測和記錄，并進行分析和統計，避免了循環記錄各通道所帶來的誤差。?

專利201010205070.2公開了一種“機械壓力作用下接觸熱阻測量裝置及測量方法”，該專利通過集成式數采測試儀和熱電偶測得設定壓力作用下標定的銅塊、第一試件和第二試件上測試點的溫度值，并將在每個試件上所測得的溫度進行直線回歸，把回歸值分別外推到接觸界面處，得到試件在接觸界面處的溫度值，將接觸界面處的兩個溫度值進行相減得到接觸界面處的溫降；由標定的銅塊上所測得的兩點溫度，根據導熱基本定律計算得到通過試件的熱流密度；然后根據接觸熱阻計算公式，求得設定機械壓力作用下第一試件和第二試件的接觸熱阻。?

然而，目前公開的用于測試接觸熱阻的裝置和方法，都存在著同樣的缺陷，即無法直接得到接觸面上的溫度，只能通過直接測試相互接觸的兩個零件內部或表面的溫度，推算出的接觸表面的溫度差，以評價接觸熱阻的大小，由此帶來的問題是：（1）在測試過程中，熱量從加熱的測試端傳遞到另一個測試端需要一定的時間，且測試材料的密度、比熱、導熱系數等熱物性參數均會影響熱量在零件內部的傳熱，導致所得到的接觸熱阻精度不高，存在一定的局限性；（2）這些裝置只能得到相互接觸面的溫差，無法評價相互接觸面的溫度對于接觸熱阻的影響，也就是說，不能實時、持續地評價整個傳熱過程中接觸面熱阻的變化情況。?

發明內容

本發明針對現有技術中用于測試接觸熱阻的裝置及方法存在的問題，設計了用于測定熱沖壓過程中高溫鋼板與模具接觸熱阻的裝置及方法，以實現在一定的界面壓力和界面溫度下對接觸熱阻的測試。?