PDF《巴基纸基复合材料 导热 性能 模拟》

第! 卷第 ## 期$%#&

年## 月哈'

尔'

滨'

工'

程'

大'

学'

学'

报()*+ ,- .

) /

0 - +

12 ,

3 ,4

2 ,5

5 +

2 ,46 ,2

7 5 +

8 2

9 : ;

) . <

! =<

## >

)

7 <

$%#&

巴基纸基复合材料导热性能模拟 张阿樱 #!$ ! 吕海宝 $ !#<

哈尔滨学院 图书馆 黑龙江 哈尔滨 #N%% A# $<

哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所 黑龙江 哈尔滨 #N%%%#$ 摘'

要!为了优化设计巴基纸E U] P复合材料的加热工况及巴基纸形状!本文采用有限元软件 '

m

6 3 >

O分析了不同 工况条件下正弦形及直线形巴基纸E U] P复合材料的热传导性能# 研究结果表明$加热功率相同时!正弦形巴基 纸E U] P复合材料的温度相对较低!温度分布均匀性较好# 相同体积内热源作用下!正弦形巴基纸E U] P复合材料 达到稳态时温度相对略高%但是正弦形及直线形巴基纸基复合材料达到稳态时!最高温度和最低温度的温差基本 相同!远小于相同加热功率作用下正弦形及直线形巴基纸基复合材料达到稳态时最高温度和最低温度的温差# 说 明巴基纸基复合材料加热的均匀性主要取决于巴基纸加热片的单位体积内热源!而不是加热功率# 分析认为!巴 基纸加热片的单位体积内热源越小!巴基纸基复合材料达到稳态时温度越低!温度分布越均匀# 关键词!纳米复合材料% 温度分布% 有限元分析% 热学性能% 巴基纸 ! # $#%@ ##DD% E F G5 *<

$%#A#%%%# 网络出版地址!G9

9 H$E E I I I <

J ,K2 <

,5

9 E KJ C

8 E L5

9 -

2 . E $!@ #!D%<

*<

$%#&

%M$ <

#!#!<

%#M<

G9 C . 中图分类号!O X !!$'

文献标志码!Q '

文章编号!#%%AR &

%M!R # #$R %N U .

41 0 ('

. 3,(, (0 +&

. &

3,'

7 % ) 4(0

2 3, -

1 2 '

. 6. '

+ 3/

2 348 3&

. '

% &

) % . , / 3)

2 % -: + :

1 2

9 +8 (8 % ) S

0 Q >

WQ :

2 ,4 # $ m [

60 -

2 1- ) $ !#<

m

2 1+ - + :

0 - +

12 ,

6 ,2

7 5 +

8 2

9 :

0 - +

12 , #N%% A G2 ,- # $<

5 ,9

5 + / ) + ) C H)

8 2

9 5 ] -

9 5 +

2 - .

8 - ,L U9 + *J

9 *+

5 8

0 - +

12 , f ,8

9 2

9 *9

5 ) / O

5 J G,) . R )

4 :

0 - +

12 , #N%%%# G2 ,- $ ;

: &

'

) (2 '

%O )L5

9 5 + C

2 ,59 G5) H9

2 C *CL5

8 2

4 ,

8 G- H5) / 1*J K: H- H5 + - ,L

9 G5G5 -

9 2 ,4J ) ,L2

9 2 ) ,8) / X *J K: H- H5 + E U] P J ) C H)

8 2

9 5

8

9 G5/

2 ,2

9 5

5 .

5 C

5 ,9

8 ) /

9 I - +

5 '

m

6 3 >

O2

8 *8

5 L

9 ) - ,- . : a

5 9 G5 + C - . J ) ,L*J

9 2

7 2

9 : ) /

9 G5 J ) C H)

8 2

9 5

8 +

5 2 ,/ ) + J

5 L 1:

8 2 ,*8 )

2 L- . - ,L .

2 ,5 1*J K: H- H5 + *,L5 + L2 / /

5 +

5 ,9 I ) + K2 ,4 J ) ,L2

9 2 ) ,8 <

b

5 8 *.

9 8

8 G) I9 G-

9 9 G5

9 5 C H5 + -

9 *+

5 ) /

9 G5 J ) C R H)

8 2

9 5

8 +

5 2 ,/ ) + J

5 L 1:8

2 ,*8 )

2 L- . 1*J K: H- H5 +

2 8 . ) I

5 +

9 G- ,

9 G-

9 I

2 9 G .

2 ,5 1*J K: H- H5 + - ,L

9 G-

9 9 G5

9 5 C H5 + -

9 *+

5 L2

8 9 +

2 R 1*9

2 ) ,

2 8 C ) +

55 7

5 , *,L5 +

9 G5

8 - C

5 G5 -

9 2 ,4 H) I

5 + O对巴基纸E U] P复合材料热学性能进行分 析的极为少见) 本文为了研究巴基纸加热片形状及 单位体积内热源等因素对巴基纸E U] P复合材料达 到稳态时温度分布的影响规律 采用有限元软件 '

m

6 3 >

O分析了不同工况条件下正弦形及直线形巴 基纸E U] P复合材料的热传导性能 为合理地设计 巴基纸加热片形状控制&

尺寸参数及加热工况提供 理论依据) #'

建立模型 '

'

图#为直线形巴基纸加热片对聚合物基体的加 热模型 @&

5 &

*分别为聚合物基体的长度&

厚度和宽 度 Q 为巴基纸加热片的厚度) 假设加热装置静置 于空气中 散热方式为自然对流) 接通电源后巴基 纸加热片产生的热量使聚合物基体温度升高) 通过 自然对流散热 在一定时间后整个装置逐渐达到热 稳定状态) 图=>

加热试验装置示意图 ? . *@ =>

# 4(*% &

3/

7 % ('

. , * % R8 % ) . 4% , '

(0 - % 6.

2 % 图$为采用的建模软件 P b V 3N@ % 建立的正弦 形及直线形巴基纸E U] P复合材料的几何模型 模 型中正弦形巴基纸加热片呈 N 个弯曲周期 每个弯 曲周期为 #$% C C 即模型总长度为 A%% C C #正弦形 巴基纸 加热片的振幅为!% C C 模型总高度为#%% C C 模型总宽度为 N% C C ) 直线形巴基纸E U] P 复合材料几何模型 模型长度&

宽度及高度分别为 A%%&

N% 及#%% C C ) 图D>

巴基纸基复合材料几何模型 ? . *@ D>

G % 34% '

) .

2 43- %

0 3/

2 348 3&

. '

% &

) % . , / 3)

2 % -: + :

1 2

9 N +8 (8 % ) 巴基纸及 U] P聚合物基体的参数如表 # 所示) 表#'

巴基纸及聚合物基体参数 C (:

0 % #'

P () (4% '

% ) &

3/ :

1 2

9 +8 (8 % )(, -8

30 +4% )4('

) . R 材料 '

E !Y * !C * _ $ ? # $ J PE !( * !K4 * _ $ ? # $ . E !K4 * C? ! $ 巴基纸 #@ % # %%% N%% 聚合物基体 %@ '

'

采用有限元软件 '

m

6 3 >

O模拟巴基纸加热片对 U] P聚合物基体加热过程的计算中 自然对流换热系 数设为 #% YE !C $ * _ $ 环境温度设为 !%% _ #加热功 率分别设为 #N&

$N&

N% Y 巴基纸厚度设为 #% C C ) * ! # # * 哈'

尔'

滨'

工'

程'

大'

学'

学'

报第! 卷$'

结果与讨论 '

'

采用有限元软件 '

m

6 3 >

O分别分析了巴基纸加 热片形状控制及单位体积内热源等因素对巴基纸基 复合材料达到稳态时温度分布的影响规律) $@ #'

巴基纸加热片形状的影响 表$为巴基纸加热片的厚度为 #% C C &

加热功 率为 $N Y 的工况条件下 有限元软件 '

m

6 3 >

O模 拟分析的正弦形巴基纸E U] P复合材料及直线形巴 基纸E U] P复合材料达到稳态时在 &

h % 中心截面上 典型温度分布) 表$'

不同形状巴基纸基复合材料在 M h % 截面的典型温度 C (:

0 % $'

C +8 .

2 (0 '

%

48 % ) ('

1 ) %3/

2 348 3&

. '

% &

) % . , / 3)

2 % -: + - . / / % ) % , '

&

7 (8 % :

1 2

9 +8 (8 % ) (0 3, * '

7 % &

%

2 '

. 3,M h % 巴基纸形状

5 C - eE _

5 C

2 , E _

5 -

7 5E _ 正弦弯曲 !N%@ AN !%#@ M# !$ @ $$ 直线形 !AN@ #% !%#@ &

# !!%@ M% '

'

如表 $ 所示 正弦形巴基纸E U] P复合材料达 到稳态时平均温度 !

5 -

7 5 h!$ @ $$ _ $&

最高温度 !5 C - eh !N%@ AN _ $&

最低温度!5 C

2 , h !%#@ M# _ $均低 于直线形巴基纸E U] P复合材料的平均温度!5 -

7 5h !!%@ M% _ $&

最高温度!5 C - e h !AN@ #% _ $&

最低温度 !5 C

2 , h !%#@ &

# _ $) 计算结果表明%相同的加热功 率作用下 与直线形巴基纸E U] P复合材料相比 正 弦形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时典型温度整 体偏低) 这是由于正弦形巴基纸加热片的长度相对 较大 因此在相同加热功率作用下 正弦形巴基纸加 热片的单位体积内热源较小 导致正弦形巴基纸基 复合材料达到稳态时整体温度偏低) 图!&

M 分别为有限元软件 '

m

6 3 >

O模拟分析的 正弦形及直线形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时 在&

h%中心截面及外表面的温度分布云图) 由图 !&

M 可知 与直线形巴基纸E U] P复合材料相比 正 弦形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时温度相对较 低 且温度分布均匀性相对较好) 由表 $ 可知 正弦 形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时最高温度和最 低温度的温差约为 MD _ 而直线形巴基纸E U] P复 合材料达到稳态时最高温度和最低温度的温差约为 A! _ 最高温度和最低温度的温差可反映温度分布 的均匀性) 分析结果表明 虽然直线形巴基纸 E U] P复合 材料达到稳态时温度相对较高 但是温度分布均 匀性相对较差) 此外 当巴基纸基复合材料温度 分布不均匀时 复合材料内部会产生热应力 可导 致其机械性能下降) 因此可以根据实际需求是侧 重要求温度还是力学性能来选择相应的巴基纸加 热片的形状) 图E>

不同形状巴基纸基复合材料在 M Z B 截面温度分布云图 ? . *@ E >

C %

48 % ) ('

1 ) %2

0 31 - + 4(83/, (,

32 348 3&

. '

%) % . , N / 3)

2 % -: + - . / / % ) % , '

&

7 (8 %:

1 2

9 +8 (8 % )(0 3, * '

7 % &

%

2 '

. 3,M Z B 图F>

不同形状巴基纸基复合材料在外表面温度分布云图 ? . *@ F >

C %

48 % ) ('

1 ) %2

0 31 - + 4(83/, (,

32 348 3&

. '

%) % . , N / 3)

2 % -: + - . / / % ) % , '

&

7 (8 %:

1 2

9 +8 (8 % )(0 3, * '

7 %

31 '

% )&

1 ) / (2 % $@ $'

单位体积内热源的影响 表!为巴基纸加热片的厚度为 #% C C &

单位为 体积内热源为 N% %%% YE C ! 的工况条件下 有限元 软件 '

m

6 3 >

O模拟分析的正弦形巴基纸E U] P复合 材料及直线形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时在 &

h % 中心截面上典型温度分布) 从表 ! 中可以看 出 相同体积内热源作用下 和直线形巴基纸E U] P 复合材料相比 正弦形巴基纸E U] P复合材料达到 稳态时其最高温度!5 C - e $&

最低温度!5 C

2 , $和平均温 度!5 -

7 5 $均相对略高) 此外 由表 ! 可知 正弦形巴 基纸E U] P复合材料达到稳态时最高温度!

5 C - e h !M%@ ! _ $和最低温度!5 C

2 , h !%#@ #M _ $ 的温差约 为!D _ 直线形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时 最高温度!

5 C - e h!!D@ %N _ $ 和最低温度 !

5 C

2 , h !%%@ DM _ $的温差也约为 !D _ ) 远小于表 $ 中相同 * M # # * 第## 期 张阿樱 等%巴基纸基复合材料导热性能模拟 加热功率!$N Y$ 作用下正弦形及直线形巴基纸E U] P复合材料达到稳态时最高温度!5 C - e $和最低温 度!5 C

2 , $的温差!分别为 MD _和A! _ $) 说明加热 的均匀性主要取决于巴基纸加热片的单位体积内热 源 而不是加热功率) 表!'

不同形状巴基纸基复合材料在 M h % 截面典型温度 C (:

0 % !'

C +8 .

2 (0 '

%

48 % ) ('

1 ) %3/ , (,

32 348 3&

. '

%) % . , / 3)

2 % - : + - . / / % ) % , '

&

7 (8 %:

1 2

9 +8 (8 % )(0 3, * '

7 %&

%

2 '

. 3, M h % 巴基纸形状

5 C - eE _

5 C

2 , E _

5 -

7 5E _ 正弦弯曲 !M%@ ! !%#@ #M !$$@ &

A 直线形 !!D@ %N !%%@ DM !# @ $M '

'

图N为'

m63>

O模拟的相同体积内热源作用 下 正弦形及直线形巴基纸E U] P复合材料达到稳 态时在 &

h % 截面的温度分布云图) 图I>

相同单位体积内热源作用下不同形状巴基纸基复合 材料在 M Z B 截面温度云图 ? . *@ I >

C %

48 % ) ('

1 ) %2

0 31 - + 4(83/, (,

32 348 3&

. '

%) % . , N / 3)

2 % -: + - . / / % ) % , '

&

7 (8 %:

1 2

9 +8 (8 % )(0 3, * '

7 % &

%

2 '

. 3,MZB

1 , - % )'

7 %&

(4%. , '

% ) , (0'

7 % ) 4........