[發明專利]一種電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測裝置及方法

在審

• 申請號: 202011227136.8
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112318888A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 齊振超;楊潔;張子親;肖葉鑫;陳文亮;王星星;姚晨熙;李豐辰;金紹峰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B29C65/60
• 分類號: B29C65/60
• 代理公司: 鄭州匯科專利代理事務所(特殊普通合伙) 41147
• 代理人: 孫力文

1.一種電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測裝置，其特征在于：包括脈沖電源、電極電阻、鉚釘，電流輔助鉚接過程中，鉚釘在脈沖電流的激勵下，呈現出明顯的動態熱行為；鉚釘所處電回路，包括上、下電極片和鉚釘自身電阻以及兩兩之間的接觸電阻，形成整個熱環境中的產熱單元；在鉚接工況中，四周空氣環境以及與鉚釘接觸的孔壁共同組成整個熱環境中的散熱單元。

2.根據權利要求1所述的電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測裝置，其特征在于：在電回路中，由恒流脈沖電源和三個電阻形成簡單電路；其中一個電阻為鈦合金鉚釘電阻R_s，另外兩個電阻R_tc、R_bc代表的分別是各個電極的自身電阻與接觸電阻之和。

3.一種電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測方法，其特征在于：根據權利要求1所述的電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測裝置，基于熱力學第一定律，任一Δt時間內，鉚釘內部的焦耳熱產熱功率P_J應該等于試樣內部儲熱功率P_S和鉚釘四周熱傳導功率P_C熱量之和。將徑向上瞬時溫度視為分布均勻，瞬態的能量守恒模型如下：

P_J＝P_S+P_C (1)

P_J＝fDJ²ρ_sSΔz (2)

式中：J為名義電流密度；D為單脈沖作用時間；f為脈沖電流的頻率；S為鉚釘釘桿截面橫截面積；c_s為鉚釘試樣材料的比熱容；ρ_s為鉚釘試樣的電阻率；K₄₅、K_f分別為電極、CFRP板材料的熱傳導率；T_R為空氣的溫度；ρ′₁為試樣材料的密度；T為鉚釘溫度；Δz為鉚釘軸向上的微分，z軸的起點位于釘桿中心處；d為徑向的深度，Δr為鉚釘徑向傳熱的深度，暫將其取為定值，即d+Δr＝d₁，簡化為軸向上的一維問題。

4.根據權利要求3所述的電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測方法，其特征在于：引入時間影響函數f_t(t)的乘式因子，z向溫度分布函數為:

T(t,z)＝f_t(t)[1-a(J)z²]+T_R (5)

式中：a(J)為軸向上溫度傳遞梯度因子，梯度因子的大小與電流密度相關，滿足公式a＝c₁J²，c₁的數值由實驗確定；t為脈沖電流持續時間；z為偏離鉚釘中心的軸向距離。

5.根據權利要求3-4任一項所述的電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測方法，

其特征在于：將式(5)帶入式(27)～(30)，化簡得到非齊次線性微分方程：

f′_t(t)+λf_t(t)＝ε(J,z) (6)

其中：

求解得到試樣中心焦耳熱時間影響因子f_t(t)的通解形式為:

帶入邊界條件，其中當t和Δz均取0時，f_t(0)＝0，對上式中的未知系數c求解，則f_t(t)的具體表達式：

6.根據權利要求3-5任一項所述的電流輔助鉚接的溫度軸向分布預測方法，

其特征在于：當連接域內溫度整體達到飽和溫度時的軸向分布函數為：

鉚釘中心處的溫度是整個連接域中溫度最高的區域，是最有可能出現CFRP燒損的位置，取z＝0，則中心處的最大溫度T_max(t)可表示為：