[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

本發明提供一碳纖維增強復合材料層合板(CFRP)電流輔助鉚接時的溫度場軸向不均勻分布的理論預測方法，具體的說是對電流輔助作用下的連接域內鉚釘溫度的動態溫升進行理論預測，發明考慮了鉚接過程中，連接域中心產熱溫度與連接域邊緣實際散熱速率的差異而導致的溫度軸向分布不均現象，并根據實際觀測的結果以數學模型表征出鉚釘溫度的具體分布，同時對無窮大時間后的溫度分布進行預測。本發明可用于預測電流輔助鉚接時連接域內的動態溫升和軸向分布情況，可預測出不易觀察的鉚釘中心處最高溫度，進而指導電流輔助鉚接工藝制定恰當的工藝參數，避免熱損傷。

技術領域

本發明屬于碳纖維復合材料鉚接技術領域，尤其涉及一種對電流輔助鉚接過程中連接域內不均勻溫度分布的預測方法。

背景技術

碳纖維增強復合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer，簡稱CFRP)宜采用鈦合金緊固件連接以減輕電位腐蝕，而鈦合金存在變形抗力大、變形易不均勻等問題，施加電流作用可以有效改善鈦合金塑性。目前，國內外對于電流輔助軋制、拉拔、壓縮等成形技術的研究較為成熟，本發明借鑒其原理，創新性地將電流輔助方法引入到CFRP構件鉚接工藝中。鉚釘在電流作用下產生焦耳熱，由于該部分熱能既是金屬變形的重要驅動力，又是影響CFRP構件熱容限的關鍵，因此本發明圍繞電流作用下連接域的熱響應機制展開深入研究。

電流輔助時的高溫環境對鈦鈮合金材料變形有一定增益，但同樣對CFRP的性能有影響。焦耳熱在連接域中的不同空間分布，不同水平都會影響樹脂基復合材料的受損情況。可見，電流作用下動態溫度場演化規律仍待進一步研究，進而指導新型電流輔助鉚接工藝。

發明內容

本發明研究了連接域內的熱響應機制與溫度場分布，基于能量守恒、焦耳熱定律、熱傳導定律構建了靜態焦耳熱模型表征穩態換熱鉚接工況下的CFRP溫度，考慮鉚接過程電流波動、溫度分布不均和熱區域分散性建立了動態溫度場模型預測鉚接過程溫升。結果表明：CFRP孔周一定輻射半徑范圍處溫度與釘中心溫度線性相關，模型準確模擬出了40s內的過程溫度。靜態模型在11％誤差以內精準預測了中心飽和溫度，動態模型模擬的溫升趨勢與實測溫度值吻合較好。熱量傳遞的滯后性使得動態模型對快速溫升時的溫度預測存在誤差，該誤差隨電流密度變大而增加，最大達17.15％。接頭損傷評估表明過程溫度控制在150℃內時可獲得質量合格的鉚接接頭。

本發明對電流輔助鉚接過程中的溫度場演化和空間分布，進行了建模分析與實驗驗證，得到以下結論：

1)建立了CFRP溫度T_f與鉚釘溫度T_s的靜態焦耳熱模型，分析了低應變速率鉚接時特定范圍內的穩態換熱特點。當作用時間、電流密度、電阻恒定時，CFRP孔周徑向上任意點處的溫度與釘桿中心溫度之間線性相關，可用于估計高溫區域的大致分布范圍，指導電流輔助鉚接工藝。

2)動態溫度場模型能準確模擬出鉚接區域內溫度在軸向和徑向上分布不均的實際熱傳遞特點，并能在11％誤差內精準預測中心區域的最大飽和溫度，模型對低電流密度預測結果的誤差較小。在18％的誤差以內，模型可預測電流作用時的大致溫升趨勢，對鉚接時始末溫差較小工況的溫升預測較準。

3)分析了CFRP鉚接過程中的熱、力交互致損機制。本申請研究中，14.5KN壓鉚力鉚接時，連接域中心極值溫度不超過150℃可獲得質量合格的接頭。此外，為使鉚釘處于恰當的熱力環境下變形，對壓鉚力與電參數的統籌優化是該新型鉚接技術的一個研究點。

一種電流輔助鉚接系統，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；鉚釘所處電回路中，主要是由上、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。