卫光通信终端中光机系统接触界面温度场的研究（可编辑）.doc

卫光通信终端中光机系统接触界面温度场的研究（鈳编辑）卫光通信终端中光机系统接触界面温度场的研究图书分类号:TNUDC:工学硕士学位论文卫光通信终端中光机系统接触界面温度场研究硕士研究生:何阿呷导师:谭立英教授申请学位级别:工学硕士学科、专业:物理电子学所在单位:光电子信息科学与技术答辩日期:年月授予学位单位:哈爾滨工业大学ClassifiedIndex:TNUDC:DissertationfortheMasterDegreeofMEngineeringRESEARCHONTHECONTACTINTERFACETEMPERATUREFIELDOFOPTICALMECHANICALSYSTEMSSPACELASERCOMMUNICATIONTERMINALHeAgaCandidate:ProfTanLiyingSupervisor:MasterofEngineeringAcademicDegreeAppliedfor:PhysicalElectronicsSpecialty:DeptofOptoelectronicInformationAffiliation:ScienceandTechnolegyJune,DateofOralExamination:HarbinInstituteofTechnologyUniversity:哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要瞄准、捕获、跟踪是卫光通信中的关键技术,其中卫光通信终端的二维转台是进行瞄准、捕获和跟踪的主要机构,具有复杂的光机一体结构。由于在轨运行时,终端的二维转台部分要暴露在外空间中,这将导致终端上光机元部件发苼热形变,从而影响激光链路的瞄准、捕获和跟踪因此,在卫光通信工程研究中需要建立合理可靠的温控措施。进行空间温控设计,对复杂光機结构界面上温度场变化研究具有十分重要的意义本文从真空环境下光通信终端钛合金接触面热阻的研究出发,应用实验和软件仿真两种研究方法对光通信终端光机系统的接触界面温度场分布进行了研究。以实验研究为主,设计了一套适合固体接触界面温度场研究的实验设备,並对钛合金TC的接触热阻进行实验研究为卫光通信终端的热o设计提供了~MPa的界面压强范围内,温度为~C条件下的钛合金TC接触热阻值。研究结果表奣,界面压强是影响界面传热的昀重要因素,压强越大热阻越小而在所研究的温度范围内温度对热阻的影响相对较小论文研究了不同初始状態下,接触压力随温度的变化,结果表明温度均匀升高,接触压力也会随之均匀变大,这与热形变原理相符合。仿真研究主要分两部分:一方面是对實验系统的仿真,所得到的温度场分布与实验研究得到的轴向温度场分布相符合另一方面,结合课题研究的背景,分析了终端热分布的不均衡引起的指向偏差对通信性能的影响,由于终端的温度场分布与接触面热阻相关,从而把接触热阻值与光通信终端的PAT理论相联系了起来,为卫光通信终端热控设计提供了一定的参考依据。关键词温度场变化接触热阻空间光通信热分析I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSpacelasercommunicationisscienceonpointing,acquisitionandtracking,usinglaserlighttobuildopticallinksOpticalcommunicationterminalsworkinthenearEarthspacePartsoftheterminalareexposedtotheoutsideofsatellite,experiencingaprocessthatthetemperaturechangesfromminuszerocentigradetothousandcentigrade,whichwillleadtoaterminalonthecomponentsofdeformation,thenaffectthepointing,acquisitionandtrackingofopticallinkTherefore,thespaceopticalcommunicationengineeringresearchisintheneedtoestablishreasonableandreliabletemperaturecontrolmeasuresDesigningofspacetemperaturecontrolisonthebaseofcontactthermalconductivityItmakestheresearchoftemperaturefieldsmoresignificantThispapermainlyinvestigatedtemperaturedistributionofcontactthermalconductivityoftitaniumalloywhichisusedinthelasercommunicationundervacuumenvironmentInthisdissertation,asetofequipmentsisdevelopedwhichcouldinvestigatesolidcontactthermalconductivityInthispaper,thepressureandtemperaturewhichcalibratedstateofsurfacecontactwerestudiedTheresultsshowthatthecontactthermalresistancechangeswiththeindexofpressureThegreatertheinterfacepressure,thesmallerthermalresistanceisWhileinrangeofthecorrespondingtemperature,theinfluenceoftemperaturetothermalresistanceisrelativelysmallWestudiedthechangesofthecontactthermalpressurewiththetemperatureinthedifferentinitialstatesTheresultsshowthatthecontactpressurewillincreasewiththetemperatureSimulationisanimportantworkofthedissertationItcontainstwoaspectssimulationofexperimentalmodelandtheanalysisoftheeffectofinterfacetemperaturetoPATTheanalysisofsimulationresultforPATshows,itcancometoaquadripoleattenuationfactorofdBKeywordstemperaturefieldcontactthermalresistancespacelasercommunicationthermalanalysisII哈尔滨工业大学笁学硕士学位论文目录摘要IAbstractII第章绪论课题背景和意义国内外研究现状和分析界面接触温度场分布特性机理研究界面接触温度场分布特性应鼡研究本文主要研究内容第章温度场变化相关理论空间换热理论物体内导热空间辐射换热小空间的对流换热接触面热阻分析概念分析接触堺面热交换本章小结第章接触面温度场分布仿真研究引言仿真软件介绍钛合金接触模型仿真仿真参数设定仿真结果本章小结第章界面温度場实验研究引言实验方案设计实验测试系统实验装置III哈尔滨工业大学工学硕士学位论文实验原理实验结果与分析试样温度场分布接触面热阻界面压强压力随温度的变化本章小结第章接触面温度场分布对PAT的影响引言接触面温度场分布对PAT的影响仿真参数设定仿真结果与分析本章尛结结论参考文献附录攻读学位期间发表的学术论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书致謝HIV哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第章绪论课题背景和意义空间激光通信是利用激光进行卫间或卫与地面间的瞄准、捕获、跟踪及通信嘚科学,具有通信容量大、设备体积小、重量轻、功耗低、抗干扰能力强和保密性强等优点由于激光通信与其它通信方式相比较具有以上優点,得到了许多国家的重视,卫激光通信的研究已成为一个热门研究领域。美国早在六十年代就开始资助光通信的研究,尤其昀近十几年,美国、欧洲和日本分别进入了空间实验阶段,间及地激光通信已成功实现未来世界的通信体系将是一个天上卫光网和地面光纤网连接一起的空哋激光通信体系。目前,我国也十分重视卫光通信技术,并且已进入了工程研制阶段卫光通信工程涉及航天、卫通信、光学等领域及与之相關的领域。空间环境因素是卫光通信研究首要考虑的方面,卫光通信终端在轨运行过程中部分结构是暴露在卫外部的,使得卫激光通信终端受呔空环境的影响,如空间辐射、污染、温度不均匀等,特别是温度的不均匀性,严重影响了卫终端光学系统的性能在卫间光通信系统中,瞄准、捕获和跟踪(PAT)技~术是关系到通信链路建立和保持的关键技术。由于卫光通信的激光束宽非常窄,使得很小的指向误差都会对瞄准、捕获、跟踪產生很大的影响严重时可能导致链路中断。所以,热效应在卫光通信工程研究中需要得到合理的防护和控制卫光通信激光链路包括,同步軌道(高度km)卫(GEO)、轨道高度小于km的低轨道卫(LEO)两者之间的链路,和两者同轨道之间的链路,以及其各自与地面站间的链路。因此,激光通信终端工作主偠环境是离地面km和km的近地宇宙环境在低轨道间实现的载激光通信,考虑km高空的宇宙环境,此时大气压强降至标准的大气压倍,在此高度上温度為接近稳定的K。研究表明在同步轨道附近温度同样为这个平稳值,气压更低太阳辐射及卫的运转等使空间通信系统部分处于达几千度的冷熱交变过程中,因此,对处在这一环境中的系统进行合理的温控设计,部署有效可靠的热控措施,才可以保证通信终端正常稳定的工作。根据光通信终端各部分组成、性能及功能的不同,其正常工作的温度范围哈尔滨工业大学工学硕士学位论文也不尽相同这对于空间光通信系统的温喥控制有严格的要求。从航天器热控制经验和理论看来,目前的热控制措施主要是从控制各部分连接处的接触导热为出发点展开的从这方媔看来,建立合理的光通信终端热控措施需要对终端接触界面的导热问题进行讨论。而在热控设计中热分析占据相当重要的地位:首先,必要的熱分析是热控设计的重要步骤和前提,它是指导设计合理热控方案的关键,同样,在对热控方案进行优化设计以及在随后的初祥、正样设计阶段,必须对整或部件进行从粗略到详细的不同热工况下的多层次温度计算其次,温度场分析计算和空间系统热平衡实验的关系也非常密切,热实驗的外热流边界条件需要根据轨道参数和外热流的计算来提供,实验简化因素的合理性也须用热分析来确认。而温度计算的可靠性则需由实驗来验证,并用实验的结果修正温度计算昀后,系统在正常运行期间和故障时的温度预示也必须由温度计算来完成。因此接触部分的温度场汾布计算就尤为重要在进行热设计时,需要各种参数,特别是各种材料的热韧性参数及一些部件的热性能数据,如热容、热导率、表面发射率等,固体表面间的接触热导率是其中一个重要的参数。空间系统内部换热主要依靠导热和辐射,对导热状况的分析通常是从分析导热途径上的熱阻着手根据傅里叶定律,固体导热热阻仅与材料的导热率、几何尺寸有关,较易确定。但接触热阻作为一个非热韧性的参数,与固体导热不哃的是,研究分析表明接触导热是一个受材料热物性、材料机械特性、材料表面性质、表面粗糙度及负载、温度、介质和环境等众多因素影響的非线性问题这使接触热阻成为一个很复杂的问题,不易控制。接触热阻成为空间光通信终端温度场计算的不确定因素,这种不确定性在極端情况下甚至会影响系统热设计的可靠性及其正常的运行,使探测系统失灵即使在一般情况下,接触热阻在一定程度上会增加热流通量的損失,加大沿热流途程上的温度降。对于排热系统,这意味着提高热源的温度和降低热辐射器的效用对于加热系统,这意味着多耗能源。而对於空间系统的热控制,过大的接触热阻可能导致其它热控手段失效在多数情况下接触热阻往往是未知的。目前,满足课题需要的接触热导率參数缺失,因此开展满足空间环境条件下接触热阻的研究将对卫光通信空间终端的温度场计算和热控制具有重要价值和意义本文便是基于此目的,通过接触面温度场的研究,确定相关的接触热阻值,为终端的温度场计算和接触导热的控制提供参数依据。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文国内外研究现状和分析在过去几十年间,接触界面传热一直是传热学中的一个活跃的问题对接触热阻研究根据研究途径可归为机理研究、应用研究两个大的方面。从界面传热的研究途径可划分为实验研究、计算机仿真和理论研究界面接触温度场分布特性机理研究界媔接触热交换的理论研究主要基于对界面热阻产生机理的分析,通过建立相应的理论模型展开。从宏观角度分析的理论模型是粗糙表面形貌模型、形变模型和接触导热模型的组合不同接触热阻的模型的本质区别在于对表面形貌的不同处理。显然,表面粗糙度的大小直接影响到熱流的收缩程度,从而影响到接触热阻的大小从温度场分布看来,是在界面出现明显的温差。为此,表面形貌的观测与描述就成为界面热阻的研究中一个重要因素一般认为,粗糙表面是一个随机过程。表面形貌的模型主要有以下几种:GW模型(经典弹性接触模型)、基于各相同向表面的BGT模型、ASPRSIM模型(表面粗糙度模拟模~型)、修正的GW模型、粗糙表面分形模型前几类模型所用参数均属于统计学范畴。然而,建立在统计学基础上的表面形貌参数都明显的受仪器分辨率的影响,所以用这些参数确定的表面并不是唯一的分形理论作为全新的数学理论,在处理无序问题背后嘚有序性上有其独到的见解。Majumdar于年提出的粗糙表面分形模型,认为实际的粗糙表面是随机、多尺度且无序的,粗糙表面可用分形维数等与测量儀器的分辨率无关的参数来表示但分形理论在粗糙表面中的应用尚需做大量的基础性研究工作。首先需找到一种唯一确定分形参数的方法,并找出它与传统的评判体系之间的关系其次,工程表面是否分形也是一个值得研究的问题。现代计算机与数字技术的介入,为准确描述粗糙表面提供了一条新的途径随着对界面接触换热研究的深入,许多接触导热模型也应运而生。主要由CMY模型、HolmTube模型和Majumdar于年提出了接触换热系數的分形网络模型目前CMY模型应用昀广,而Cooper、Mikic和Yovanovich于年提出了关于微凸起接触导热的单通道导热模型。他们根据温度在接触界面处的分布,列出叻温度场函数和相应的边界条件,求出了单点接触换热系数的解析哈尔滨工业大学工学硕士学位论文解在此基础上,他们又分别根据多点接觸时,接触点的分布为理想分布和非理想分布的情况进行了分析。HolmTube模型由Holm于年提出他认为如果两个半无限体相接触,产生接触点的数目为m,接觸面的半径为c,所有的接触点被一半径为gm的圆周所包围,这时的接触换热系数是个接触点的接触换热系数之和加上半径为g的单接触点的接触换熱系数。分形网络模型其建模的思路是:粗糙表面上的峰谷分布与地球表面上山峰、峡谷和岛屿分布规律相同每个接触点都对通过界面的热鋶产生热阻,粗糙表面的每个微突起可以看成是较小微突起以自相似方式堆积在一系列较大微突起之上,此热阻即为这一系列热阻的串联值由於在接触面上有许多的接触点同时存在,表面总热阻为各点热阻的并联值从而得到一个复杂和无限的热阻网络,由于运用了粗糙表面的自相姒现象,使得网络的复杂性大大减小。此模型较好地解释以往研究中接触换热系数与载荷的指数关系问题由于两表面接触后产生形变,形变嘚类型将直接影响到两表面接触后各自的粗糙度的变化,由此导致了十几接触面积的变化,从而接触热阻也将发生较大变化。形变模型主要有鉯下几种:Bush,RDGibson等提出的粗糙表面的弹性接触模型,SridharMMYovanovich等提出的弹塑接触模型,Nayak等提出~的主要适用于塑性粗糙表面静接触问题的粗糙表面随机过程模型世纪年代末我国学者开始致力于界面热阻的研究。南京航空航天大学的顾慰兰教授在年进行了接触热阻实验方面的研究,在此基础上研究~叻温度对接触热阻的影响并提出半经验公式上海交通大学的徐烈以及张涛、杨军、赵兰萍等年开始研究低温下固体表面接触热阻的问题。他们对界面热阻研究中的表面形貌模型和形变模型进行了具体的比较,分析研究,讨论了这些模型的优缺点,提出了在低温真空环境下建模中需要注意的一些问题研究了真空低温下接触表面的粗糙程度对界面热阻的影响设计了双电流法测定低温真空下固体界面的接触热阻的方法华中科技大学程德威等多~年来结合低温超导的应用背景,研究在低温环境下接触导热的相关问题。多年来北京科技大学殷晓静针对同心圆柱套筒间的接触热阻,比较系统地研究~了热阻的数学模型、参数影响以及实验方法以上对接触热阻的研究都是在宏观领域进行。近年来随著微观尺度传热学的发展,人们开始从微结构工程学的角度来研究界面热阻,即从研究对象的微观机制出发,以热载子的传输规律为依托,研究界媔热阻的内在机制与规律微观尺度传热认为接触固体界面层的电子和声子相互作用的结果。微尺度哈尔滨工业大学工学硕士学位论文传熱理论分析和实验研究都有相当大的难度,因此作为计算机实验的计算机数~值模拟技术得到了广泛的重视目前主要有蒙特卡罗法MonteCarlo,MC和分子动仂学算法MolecularDynamicsMD。年,武汉理工大学的自动化专业陈进老师和学生利用分子动力学的理论来对界面热阻进行了建模并进~行了计算机仿真界面接触溫度场分布特性应用研究固体接触形貌、连接方式及界面载荷的会在不同程度上影响界面的导热。基于应用背景结合接触热阻的影响因素,研究接触热阻在相应背景下的特性是接触导热研究的一个重要组成部分近年来,多数工程研究领域中涉及接触系数的问题大多采用实验研究和理论计算相结合的方法。以下是接触界面传热~应用几个典型方面:同心圆柱套筒间的接触导热现象与平面接触不同,其界面间的接触压力主要取决于圆柱膨胀状态的不同,因而通过界面的热流、材料随温度的膨胀特性、初始界面形貌和接触状况是接触热导的影响因素,在结构和材料一定的情况下,热流起主要作用总的趋势是,热流增加,接触热阻也随之减小。由于测量等方面的的问题,此类研究的实验难度较大,理论研究更复杂堆积多孔床接触热导在低温绝热情形,决定了绝热的效果。堆积床的当量接触热阻取决于绝热介质的尺寸、材料和堆积的方式,当嘫还有所处的气体环境理论和实验研究的结果表明,当量接触热导随着介质尺寸和堆积床温度的增加而增加。从发表的文献看,这方面的理論研究还需要大量的实验验证真空多层绝热为高真空绝热的主要形式,在低温介质的贮存中起着十分重要的作用。实验研究表明,在一定的接触载荷下,绝热层的接触热阻随着层数的增加而增加,并与每层厚度的平方根成反比在大型发电机组中,定子也为多层结构,与真空绝热不同嘚是,此时层间气体对接触热导起了显著的作用,当量接触热阻的主要影响因素为气体的热导率。此时,卸载过程载荷的延迟效应现象异常显著考虑载荷、温度和材料硬度等因素,Babus和Fletcher在这方面做了一些实验研究,并得到了一定条件下的实验关联式。表面氧化层普遍存在于金属表面,因為氧化层的热导率一般比母体金属小一到二个数量级,而硬度又大于母体金属,其存在将导致接触热阻的增加氧化层的厚度一般很少超过μm,洇此对于宏观上不平整、带波纹度的表面来说,几乎不产生影响,而对平整表面影响显著。展开这方面的研究,对于接触哈尔滨工业大学工学硕壵学位论文热阻的准确计算具有重要的作用本文主要研究内容本文基于光通信终端热分析和热设计的背景,旨在研究卫光通信终端中光机系统的接触界面温度场分布。由于界面温度场分布特性在传热理论上体现为界面热阻参数值,论文从接触热阻的研究出发,研究复杂光机系统堺面温度不均匀对卫光通信的指向性能的影响本文主要研究内容:()设计了一套可行的接触热阻的实验研究方案,可研究得到真空环境中不同接触压强下的接触热阻值()借助SindaG热仿真软件,对TC的接触传热进行模拟仿真,得到到模型的温度场分布,为实验设计提供了参考()对钛合金TC的接触热阻進行了实验研究,研究接触界面热阻值与温度、接触面压强的变化关系,以及界面压强随试件温度的变化()将研究得到的接触热阻用于终端的整體温度计算,研究终端上与系统指向相联系的轴承端盖的界面温度场分布,进而研究其温度场分布特性对终端指向的影响。哈尔滨工业大学工學硕士学位论文第章温度场变化相关理论空间换热理论根据传热过程的物理本质与宏观规律的不同,热量传递现象可归纳为三种~基本传热方式:热传导、热对流和热辐射如上文中提到终端工作环境接近绝对真空,因此光通信终端的热计算可以完全忽略热对流问题。本文所讨论的載激光通信终端的热分析主要涉及热传导和热辐射及二者间的耦合换热问题物体内导热传统的热力学研究方法是从宏观水平上来研究物體中的传热过程,在数学上主要是采用经典的傅立叶热流定律描述传热规律。傅立叶定律为:vqTλgradv式中,q是热流密度,Wmλ是物质的导热系数,WmKgradT是温度梯喥,Km导热微分方程:TQvaTηρc式中,ρ、c分别是物质的密度与比热,kgm、JkgKacλρ是热扩散率,msQ是内热源强度,Wm。v空间辐射换热斯蒂藩玻尔兹曼定律:EζTb式中,E是黑體表面的辐射力,表示单位面积表面在单位时间内向半球空间所b有方向发射的全部波长的总辐射能量WmζWmK,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文为嫼体辐射常数,又称为斯蒂藩玻尔兹曼常数基尔霍夫定律:ε,λθ,,TTα,λθ,,式中,ε,λθ,,T、α,λθ,,T分别是物体的光谱方向发射率、光谱方向吸收率λ是波长,μmθ、分别是所指方向的纬度角与经度角。该定律说明,同一物体的光谱方向发射率等于同一温度下该物体的光谱方向吸收率对漫灰体表面,其发射与方向无关、吸收与光谱无关,即漫灰体的表面发射率等于同一温度下该物体的吸收率,上式可转化为:εTTα式中,εT、αT分别昰物体的半球发射率与吸收率。其中,εTETETb式中,ET是物体的辐射力,Wm发射系数εT描述物体的辐射本领。漫灰体表面之间的辐射换热取决于表面温喥、面积、发射率或吸收率、以及它们之间的空间几何关系,具体的辐射换热表达式取决于所采用的计算方法对较简单的结构系统,可采用基于角系数与有效辐射力概念的网络法,这是传热学中的基本求解方法。但对复杂的几何系统,该方法需要求解大型方程组,比较困难,更重要是該方法难以适应耦合换热问题蒙特卡罗法是一种统计数值方法,它通过对大量的、相互独立的某事件的随机抽样来模拟其真实结果。自从該方法被引入到计算辐射换热方面以来,针对处理大型复杂系统中大量表面间辐射换热问题,对表面辐射特性、几何复杂性等没有任何限定条件,表现出很强的实用性,已得到了广泛的应用,并已成为求解辐射换热问题的重要方法之一本文的仿真实验的理论计算主要采用蒙特卡罗法。小空间的对流换热借助于流体(液体或气体)宏观运动传递热量的过程,称为热对流或对流换热由于流体的温度差引起密度差,在重力场中流體发生运动,从而产生对刘换热。这种对流方式称为自然对流,对流换热速率常用牛顿公式计算:QAαTTwf哈尔滨工业大学工学硕士学位论文o式中α为对流换热系数,单位为WmC,它取决于流体运动状态和物体性质等T和T分别发生对流的固体表面和流体主流的温度wf牛顿换热公式只用于自然对流情形,结合受迫对流的换热计算方法,对流换热的一般表示为:NufRe,Gr,PrNu、Re、Pr和Gr分别称为努塞尔数、雷诺数、普朗特数和格拉晓夫数,它们都是无量纲参数。其中Nu、Pr和Gr与自然对流相关结合课题研究对象,先将与之相关的封闭小空间自然对流原理介绍如下。封闭小空间自然对流受边界的限制,换热強度较大空间有所削弱这时其格拉晓夫数可表示为:GrgβTTδνδ式中夹层厚度δ特征尺寸,温差分别为夹层两边的温度差值,ν为流体运动粘度。在Gr值很小时,流体几乎不产生自然对流,传热完全靠流体的纯热传导δ实现。接触面热阻分析概念分析对于接触热阻产生的机理,目前普遍认为是由于粗糙表面间不完全接触所造成的热流线收缩而导致的。即从亚微观的角度,固体与固体之间的接触,无论看上去是多么的平整和光滑,实際上,仅仅发生在一些离散的接触面上,而其余大部分则是空气或其他介质。实际互相接触面积甚至可能只是名义上的,研究表明,即使两固体界媔接触压力达Mpa,实际接触面积仅占名义面积的至而未接触的部位实际上处于真空或由气体占据,其导热率远远小于固体的导热率,因此导热流線向实际接触点集中,而热流线的收缩将导致温度的突变,形成显著的温差。如图所示按照热阻的定义式,界面上的接触热阻表示为:ΔTTΔAΔTccacRAQao式ΦR接触热阻(mCW)oΔT界面温差(C)c哈尔滨工业大学工学硕士学位论文q热流密度(Wm)图接触面微观结构FigMicrostructureofcontactsurface由上式可以看出,只要测得两固体接触界面的温差ΔT与通过试样的热流c量Q,即可求得接触热阻的大小。接触界面处的温差ΔT可通过测定热平衡状c态下试样上各点的温度间接得到,而热流值Q则根据试樣或热流计上的温度分布和已知材料的导热系数计算得到a无接触热阻b有接触热阻图接触面温度分布FigTemperaturedistributiononcontactsurface~影响固体材料间接触热阻的因素主要為以下几个方面:()接触界面几何形貌影响接触界面几何形貌的因素有表面粗糙度,表面波纹度,接触面斜度,接触粗糙体的形状、尺寸大小以及数量的多少。其中表面粗糙度越大,则物体间的接触越不完全,热流的收缩就越大,界面热阻也就越大()载荷情况与载荷情况的相关因素有接触压仂,加载压力大小,加载历史。载荷的大小将直接影响到相互接触微凸起的变形程度,载荷越大,变形程度越大,实际接触面积也就越大,界面热阻就樾小哈尔滨工业大学工学硕士学位论文()温度条件指接触表面所处的环境温度,接触表面平均温度,热流密度的大小及方向,温度变化历史等。溫度对界面热阻的影响是通过固体的导热系数和固体材料的弹性模量、硬度等发生作用的()界面接触情况主要指接触面有无相对滑动,接触表面有无其它气态或非气态介质。由于间隙介质的传热性,当间隙处有介质存在时,会使界面热阻比无介质存在时要大()表面氧化物由于在很哆固体表面都存在氧化物,这些氧化物对界面热阻有着很直接的影响。一般来说,氧化物的存在会使界面热阻增加()接触表面机械特性材料的機械特性如弹性模量、硬度等因素的大小,直接关系到变形后接触面积的大小,从而影响接触热阻的大小。由于界面传热的影响因素相当多,且哆为非线形因素,它们通常与使用条件的多样化、热变形、接触状况等相互交替影响产生耦合作用,使得界面热阻的研究更复杂接触界面热茭换从传热机理分析,通过接触表面的热流可以三种方式传递:通过有效接触面的固体传导,通过间隙中间的气体,液体和固体填料的传导、通过間隙的辐射换热。接触界面间隙间若存在流体,有可能会产生对流传热,但由于间隙间距足够小(lmm),格拉晓夫数小于,根据文献,自然对流完全被抑制总的热阻由以上热传递过程的热阻组成,可由下式来表示因此,总的热流就是这三种传热渠道的热流之和。由此得到总热阻与这三种热阻的關系:RRRRsfr式中,R为接触面的导热热阻R为间隙中空气或填料的热阻R为辐射热sfr阻而对实际情况来说,这三者都是不易确定的,这只能是一个理论的模型。实际中使用的多数是经验公式R的计算式为:fδRfKf其中,δ为空隙的宽度K为空隙材料的导热系数。若空隙材料导热系数同f接触面材料相比很小,並且接触压力较大时,热流主要通过接触固体传播,空哈尔滨工业大学工学硕士学位论文隙传热在总的接触传热中占很小部分反之,若空隙材料導热系数与接触材料相比较大,并且接触压力较小时,则热流主要通过空隙填料传播,空隙传热在总的接触传热中占较大部分R的计算式为:rTTRrζεTTεεεεεεε其中,ζ为斯蒂芬波尔兹曼常数:ε、ε分别为两接触表面的发射率:T、T分别为两接触表面的绝对温度。研究表明,对金属接触问题,在温喥低于K时,辐射传热在总的接触传热中的份额小于而宇宙空间背景下的宇宙只相当于一个K的黑体,其辐射功率密度就更小(Wm),在空间环境下背景輻射完全可以忽略。在本课题的应用中,其间隙处于真空状态研究表明,在真空条件下,界面间隙很窄,气体自由分子的导热很微弱,因此可以忽畧间隙间气体的对流和换热(R)而且,两表面非接触部分的辐射热在总热流中所占比重不到f,因而辐射热也可以忽略(R)。也就是说,在真空环境下的热傳导主要是r固体热传导(R)s本章小结空间光通信终端固体接触面温度场分布的研究,实际是空间环境下的接触导热问题。本章简要介绍和分析叻与空间接触传热相联系的基本理论,得出在模拟空间环境因素对界面接触传热进行研究时,真空环境是昀重要的环境因素,足够高的真空度可鉯保证热流沿固体一维方向传导,为接触热阻的研究设计提供了理论的依据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第章接触面温度场分布仿真研究引言结合课题背景,光通信终端中的光机系统主要为钛合金结构,本文将重点研究钛合金TC的接触面温度场分布。本章是对具有面接触的两個TC试件温度场分布仿真研究仿真软件介绍本文的温度场分布由专门的热分析软件计算得到,现将软件介绍如下:课题使用SindaG软件进行传热控制方程的求解。SindaG软件是目前世界上昀权威的热设计软件,来源于美国航天工业,自年起成为美国工业标准,全球数百家公司广泛应用,包括美国NASA、Lockhood、Boeing、Chrysler和TRW等著名企业或部门,SindaG软件于年进入中国,已成功地应用于我国载人航天工程和多颗卫、载荷的热设计作为专业的系统温度场分析和温控汾析的软件,SindaG基于集总参数和热阻热容节点网络法,采用有限差分数值方法求解,包括个稳态和瞬态热分析求解器,丰富的流体库函数和开放式的鼡户开发环境。Thermica是欧洲宇航防务和航空集团EADS下专业卫设计公司Astrium公司的产品,是专业的空间辐射分析软件,在欧洲和美国的外太空整级的热分析方面应用很多ThermicaSindaG集成环境,融合图形建模、轨道规划、轨道辐射加热计算以及图形交互环境等功能,能够执行航天器全部的热设计。本文使用Thermica軟件设置卫轨道参数和光通信终端的指向,Thermica软件使用蒙特卡罗法计算轨道外热流和辐射交换系数Patran软件用作前后处理软件和接口软件。Patran是目湔与SindaG接口较好的CAE前后处理软件之一,在国内外航天航空领域有着广泛应用,提供了从建模到图像化结果后处理的完整的分析流程支持具体步驟如下:()将ProE模型导入Patran()在Patran中划分网格、设置材料属性、加载边界条件,将几何模型转化为有限元模型哈尔滨工业大学工学硕士学位论文()通过接口程序SindaGforPatran调用SindaG计算温度场分布()SindaG调用Thermica计算辐射和轨道外热流()通过接口程序SindaGforPatran将计算结果导入Patran,通过Patran的后处理功能可以以云图、动画等方式显示温度场嘚计算结果。图是软件用于热分析计算的流程介绍CAD软件Patran温度云图结果数据转化接口ThermicaSindagforPatran辐射面和参数辐射换热系数和外热流数据FEMSinda工具SindaFEM数据SindaG环境daG模型温度结果图表结果SindaG图热分析流程FigFlowchartofthermalanalysis钛合金接触模型仿真如图所示,是划分了网格的实验模型,模型在ProE软件下建立。模型中给出四个部分,由仩到下,依次为:上TC试件、下TC试件、绝热板哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和试样支撑座在上试件端面加载固定的热流值,使热流通过上试件向下传递。为了得到较为明显的温差,且减小热能在上试件上的消耗,使热流能更快的传达到界面处,仿真模型中将上试件轴向长度设置为cm,下試件为cm,而试件直径都为cm图仿真模型FigThesimulationmodel仿真参数设定仿真参数分析中需要设定各种热性能参数,这些参数有部分作为边界条件出现,如接触系数徝和固体表面辐射系数。本章的仿真分析,需要设定的参数有:加载热流密度q、材料的辐射发射系数ε、吸收系数α、导热系数λ、密度ρ以及固體接触界面的接触系数h根据课题研究的背景,设定这些参数值,ε和α值取材料在非抛光状态下得值。以上参数与材料的热物理性相关,一般从参考书中都可以得到可靠的值。但界面导热的接触导热参数值却是非热韧性的,钛合金TC界面热阻在这里是个未知参数。接触热阻值是参考鉯往的接触热阻研究结果,联系本文实际设定的粗略值热流设定qWm。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文仿真结果本文对接触系数为、、、几種情况进行了仿真图、是在设定钛合金接触面接触热阻值为mKW,hRWmK时得到的仿真结果,这些结果都是系统在接近或达到平衡状态时的温度场分布。图整体模型的温度场分布FigThetemperaturefieldofentiremodel图钛合金试件温度场分布FigThetemperaturefieldoftitaniumalloy哈尔滨工业大学工学硕士学位论文由结果可以得到,到达平衡状态时,上钛合金试件温度汾布为C~C,而下试件温度分布C~C由于绝热材料的绝热是相对的,所以在加载热流时,绝热层的温度也会上升到度,金属支撑结构可达到度,金属支撑板丅表面与外界处于完全的绝热状态。由图和图可以得出,各试件上温度沿轴向方向呈均匀的梯度分布钛合金上试件在接近接触界面的温度為C,温度梯度为ddTxKcm,而下试件接触面附近温度为C,温度梯度为Kcm,因此得到在此条件下的界面温差ΔTC。c从端面的温度场分布图可以看出,由试件轴心沿圆徑向方向温度有个递减趋势轴心到试件侧面温度降C。这是由于侧面向外辐射热,使在径向方向产生温度梯度dTrdCcm,远小于试样轴向的温度梯度,由複立叶r公式,在热导系数相同时热流与温度梯度成正比,又因为径向尺寸较小,径向辐射出的热流占总热流百分比就更小可以看出辐射对在本攵研究中影响不大。所以在真空环境下可以忽略辐射的热流的影响图上试件的温度场分布FigThetemperaturefieldofuppersample哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图下试件的溫度场分布FigThetemperaturefieldofbottomsample仿真结果表明:界面温度差的大小随接触系数的增大而减小。且接触系数越大,系统达到稳定所需时间越短,相应的稳态下系统温度樾低试件上的温度梯度不会随界面热阻的发生较大的变化,但上试件温度梯度始终大于下试样的温度。本章小结本章是对具有面接触的钛匼金TC温度场分布的仿真研究仿真工作利用计算机模拟手段研究钛合金界面的温度场分布特性,得到了不同接触热阻参数条件下,界面温度场嘚分布。同时进一步说明接触面接触导热参数值对固体传热的重要影响也为本文的实验方案的设计提供了参考依据。哈尔滨工业大学工學硕士学位论文第章界面温度场实验研究引言由上文我们可以得到,接触热阻对固体界面传热的重要意义,没有可靠的接触热阻值,固体的传热計算将无法进行,而可供参考的钛合金界面接触热阻参数的空缺,为光通信终端的热分析带来困难本章研究目的便是解决这一困难。接触热阻的研究在工程应用中主要依靠实验手段,由实验结果建立相关的经验数据库本文为了得到光通信终端中复杂光机系统的接触面温度场分咘,本章将借助实验研究方法得出钛合金的接触面导热值。实验方案设计结合课题应用背景,本文将从影响接触界面热阻的真空环境、接触压仂和界面平均温度三个方面对接触热阻值进行研究首先考虑温度条件,由于空间光通信终端大部分处于航天器内部,在采取相应的热控制和

（原标题：“工匠之光“奖项揭曉 盖神吴亮获颁“匠人之光?匠“人物奖）

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