基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算.pdf

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1、第3 1 卷第9 期2 0 0 8 年9 月合肥工业大学学报(自然科学版)J O U R N A LO FH E F E IU N I V E R S I T YO FT E C H N O L O G YV o L3 1N o 9S e p t 2 0 0 8基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算刘祥宽1，M e h a r iS a l o m o n1 2，胡献国1(1 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥2 3 0 0 0 9；2 德国达姆斯达特应用大学，达姆斯达特D-6 4 2 9 5)摘要：文章运用数值单元体法建立了计算填充二硫化钼聚甲醛基复合材料有效导热系数的模型，提出了用

2、有限元法和用求单元体模型的等效热阻来确定该复合材料等效导热系数2 种计算方法，通过计算表明2 种方法的计算结果比较接近，并运用上述方法研究了二硫化钼含量对聚甲醛基复合材料导热系数的影响规律。关键词：复合材料；等效导热系数；有限元中图分类号：T Q 3 1 4 2 5 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 5 0 6 0(2 0 0 8)0 9 1 3 7 8 0 4E f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yc a l c u l a t i o nm o d e l so ft h ec o m p o s i t e sw

3、i t hs p h e r i c a lf i l l i n g sL I UX i a n g-k u a n1，M e h a r iS a l o m o n1”，H UX i a n-g u o1(1 S c h o o lo fM a c h i n e r ya n dA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g，H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，H e f e i2 3 0 0 0 9，C K l l a；2 H o c h s e h u l eD a m m t a

4、d t，U n i v e r s i t yo fA p p l i e dS c i e n c e s，H a a r d t r i n g1 0 0，D-5 4 2 9 5D a r m s t a d t，G e m m n y)A b s t r a c t：T h en u m e r i c a le l e m e n tm e t h o di Su s e dt oe s t a b l i s han u m e r i c a lm o d e lt Op r e d i c tt h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u

5、 c t i v i t y(E T C)o ft h ep o l y o x y m e t h y l e n e(P O M)c o m p o s i t e sf i l l e dw i t hm o l y b d e n u md i s u l f i d e(M o S 2)p a r t i c l e s Af i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da ne f f e c t i v eh e a tr e s i s t a n c em e t h o da r ea d o p t e dt Oc a l c u l a

6、t et h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec o m p l e xm a t e r i a l T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h et w om e t h o d sa r ec l o s et oe a c ho t h e r，a n dt h ee f f e c to ft h ef i l l e rc o n t e n to nt h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n-d u c

7、t i v i t yo ft h ec o m p l e xm a t e r i a l i Sa l s os t u d i e db ym e a n so ft h et w om e t h o d sa b o v e-m e n t i o n e d K e yw o r d s：c o m p l e xm a t e r i a l；e f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t y；f i n i t ee l e m e n t0 引言复合材料构件具有较好的自润滑性和耐磨性，且综合性能优异，已经广泛应用于航空

8、、汽车、精密仪器及电子电器等行业。但复合材料表面摩擦温升对其摩擦磨损性能具有重要的影响，大部分聚合物复合材料的导热性能差、熔点不高，若摩擦产生的热量不能及时地排出，将会影响构件的正常工作，导热系数是表征复合材料热性能的主要参数。?国内外对复合材料传热特性进行了一系列的研究，目前已就两相的复合材料的导热与物理性能建立了多种预测模型j 如B r u g g e n m e n 模型及C h e n g-V o c h o n 模型等 1 。对于填充聚合物复合材料，M a x w e l l 等通过求解电场能量的方程推导出基体球形粒子复合材料的电导率计算公式。E u e k e n 将电导率换为导热

9、系数，从而得到M a x w e l l E u c k e n 方程 2 3。计算复合材料的导热系数时，不仅需要考虑填料的含量，还需考虑各相的尺寸、形状、排列方式等微观结构形式 3“。此外，一些研究者认为复合材料的导热系数计算可归结为单元体等效导热系数的计算，而单元体的等效导热系数可以通过数值计算或有限元计算来获得。采用数值计算法分析以塑料相为连续相的复合材料时，先计算各通道的并联热阻，再将各通道并联热阻串联得到等效热阻 5 3；有限元法是运用收稿日期：2 0 0 7-0 9 1 2；修改日期：2 0 0 7 1 1 1 2基金项目：国家自然科学基金资助项目(5 0 4 7 5 0 7 1)

10、；安徽省自然科学基金资助项目(0 7 0 4 1 4 1 5 2)作者简介：刘祥宽(1 9 8 2-)，男江西占安人，合肥工业大学硕上生；胡献N 1(1 9 6 3-)，男，安徽安庆人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师 第9 期刘祥宽，等：基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算1 3 7 9单元体法建立计算其有效导热系数的模型 6,7 3。本文通过对复合材料的微观结构分析，提出了一种导热系数的计算模型。以这种模型为研究对象，设计了2 种不同的计算方法，并研究了分散相颗粒含量对塑料基复合材料导热系数的影响，2种计算方法的计算结果比较接近。1复合材料导热系数的计算方法聚甲醛基复合材料是一种二相

11、结构材料，聚甲醛(P O M)为基础相，二硫化钼(M o S 2)为分散相，鉴于这两相之间的混容性很小，导热系数并不等于各组分热物理性质的简单平均值，它与复合材料中各相组分的导热系数、容积比、分散相在复合材料中的形状、排列以及取向等因素有关 8 。1-1P O M 基复合材料基本单元的计算模型根据最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则，只要复合材料的单元体与总体有相等的比等效热阻，不论单元体的尺度大小，这种单元体与总体的导热系数相等 9 ，这样，研究复合材料的等效导热系数，只要研究与之相等的单元体的导热系数即可。在传热模型中将整块复合材料看成是由大量芯部包含一个球形颗粒的正方体组成的密堆体，热

12、流从顶面进入，如图1 所示。设正方体的边长为z，颗粒半径为r，体积分数为口，可求得颗粒体积分数7 与参量r 的关系为r=(等)专圈1 单元体分析模型1 2 复合材料等效导热系数的有限元计算方法根据以上对复合材料的基本单元计算模型的假设，可以采用数值单元法求复合材料的导热系数。选取其中一个立方体作为研究对象，分散相M o S z 位于该立方体中心，采用有限元分析软件模拟单元体传热，在顶面施加第一类边界条件，即施加温度载荷；底面施加第三类边界条件，即施加对流载荷，左右两边界设为绝缘边界条件。设单元体的有效导热系数为A。，由傅里叶定律知A。=啬(2)其中，T 为单元体上下表面的温差；q 7 为通过单

13、元体的热流密度；L 为单元体厚度。温差与通过单元体的热流密度可由有限元计算结果得到。1 3 确定复合材料等效热阻方法热流在材料中传递过程就象电流在导体中传导一样，在传递过程中材料会对热流有阻力，好比电流在导体中受到电阻，这种阻力称为热阻。借用电路中的一些计算原则和方法，对于均质材料的热阻，由下式得R L(A A)(3)其中，A 为材料的导热系数；L 为热流通道长度；A为热流通道面积。复合材料的等效热阻计算可以归结为单元体热阻计算，假设单元体尺寸为单位长1，把单元体划分成若干个微元块，形成热阻的网格图，然后根据(3)式计算出微元块的热阻，而微元块之间的连接等效为它们热阻的连接，这样整个单元体的热

14、阻就是由各微元体热阻之间的串、并联得到。为了简化模型，把沿着热流方向划分的微元体归结为一个通道，把在热流垂直方向划分的微元体归结为一层，如图2 所示。(b)圈2 单元体模型的热阻网格划分 1 3 8 0合肥工业大学学报(自然科学版)第3 1 卷当分散相为球体，球体的半径为r，在计算其热阻时，把热流通道分作两大系统：系统表示为在热流主方向上只有连续相的通道；系统表示为在热流主方向上遇到球分散相的通道。在系统中的热阻为R 7 一L(钡1)一(1 2 r)(A 1)(4)在系统中的热阻为以球心为原点(见图2 a)，在Y 处取一微元体厚曲，在该层的热阻可以看成是截面积为7 c(产一Y 2)的分散相热阻

15、与截面积为1 7 c(r 2-y 2)的连续相热阻的并联。微元体层的热阻为】d R2 丽F 了丽a l y i 万 了甄(5)其中，天。为连续相的导热系数；A z 为分散相的导热系数。在整个含有分散相层中的热阻，由一r到r 的积分得到R J 二丽顽瓦而 芳可i 驴i 弼(6)单元体总的热阻就是由系统与系统组成，由(3)、(4)、(6)式可以得到单元体的有效导热系数的计算公式为址串=州 L 而赢丽正翟芊F 而+(1 2 r)(7)当A：J：l。时，数学处理得A并一串=A，“-n三；手享；弓三手萝萎享垩琴需ccA：A，一，一，+1-2r，(8)2 导热系数的计算结果与分析2 1有限元法模拟的单元体

16、温度分布在计算单元体等效导热模型中，假设单元体为单位长1。已知聚甲醛基体的导热系数为0 2 3 0 4W(1 T I K)，二硫化钼的导热系数为2 4 8 5W(m K)。单元体顶面施加2 5 的温度载荷，底面施加第三类边界条件，施加对流载荷，环境温度为2 0，对流换热系数为1 2 5W(m 2 K)，单元体周围绝热，使用A N S Y S 模拟的温度云图，如图3 所示。从图3 可以看出，由于聚甲醛与M o S z的导热系数不同，而且为不相容相，在温度云图上所表现出温度梯度不是规则的递减，而是与M o S 2 分散相在聚甲醛基体的含量与形状有关。图4 表示了沿单元体中心路径的温度分布情况。由图

17、4 可以看出，单元温度不是随着路径线性的下降，在通过分散相路径时温度变化比较小，几乎成一条水平线。另外分散相质量分数对温度分布影响大，分散相M o S 2 质量分数越高水平线越长，质量分数为0 8 的单元体中心路径温度变化比较快，水平线最短，上下两面的温度下降最快。质量分数为1 0 的单元体中心路径温度变化最缓慢，水平线也最长，上下两面的温度下降最小，微球体的热阻就比较小，这表明在聚甲醛中添加M o S 2 可以改善材料的导热性能 1 0 。2 4 1 8 5 一-、2 j 6 4彳藩Il12 2、I 一一刍。-r，一_-二A 2 1 4 6 7-蝴4 丽F一2 0图3 单元体温度云图00 2

18、0 40 60 81 O中心距离岬圈4 单元体中沿路径温度变化曲线2 2 分散相质量分数的影响以分散相M o S 2 颗粒质量分数分别为0 8、1 o、3 O、5 o、8 0、1 0 0 为研究对象，由(1)式可以得到在不同质量分数下的分散相M o S 2 微球半径。用同样的方法做出复合材料的计算模型，分别采用有限元模拟方法和确定复合材料等效热阻方法来求其等效导热系数，得到分散相M o S 2 质 第9 期刘祥宽，等：基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算1 3 8 1量分数对复合材料的导热系数的影响。从表1 中可以看到随着分散相M o S 2 质量分数的增加，复合材料的导热系数增加，并且添

19、加分散相M o S 2 对整个复合材料有效导热系数的影响很大，添加3 o、5 o 的M o s 2 后，复合材料的导热系数提高了2 5 4、3 7 9，说明在聚甲醛基中添加M o S 2 分散相能有效地改善其导热性能，这对熔点不是很高的复合材料来说是非常重要的。表1 不同情况下复合材料导热系数w(m K)由图5 可以发现，在分散相质量分数为1 0 以内，2 种方法计算结果吻合比较好，特别是在M o S z 为3 和5 时，发现2 种计算结果仅相差0 0 0 12 和0 0 0 52。另外M o S z 的质量分数过高，就不能均匀的分散在聚甲醛基体里，会发生团聚，使复合材料的整体性能下降。，釜白

20、丫芭丧w(M o S z)()图5 复合等效导热系数与质量分数的关系3 结论(1)本文通过对M o S 2 填充聚甲醛基复合材料的结构分析，建立了计算其导热系数的模型。用2 种不同的方法分别计算了模型的导热系数，并且对2 种计算结果进行比较，发现这2 种计算结果吻合比较好。(2)在滑动轴承的表层聚甲醛材料中，添加一定的M o S 2 颗粒能得到好的导热特性，有利于摩擦热的释放。从计算结果看添加5 o 的M o S 2 能使复合材料导热系数提高将近3 7 9。参考文献 1 彭旭东，曾群锋聚醚醚酮基复合材料的热性质和物理性质预测及其摩擦销三维温度场的数值模拟 J 摩擦学学报，2 0 0 5，2 5

21、(4)：3 5 4 3 6 5 2 李侃社王琪聚合物复合材料导热性能的研究-J 高分子材料科学与工程，2 0 0 2 1 8(4)：1 0 1 3 3 金卓仁，程继贵，夏永红，等梯度自润滑滑动轴承的研制I-J 机械工程学报，2 0 0 1，3 7(3)：8 2 8 5 4 Z h a n gYP，L i a n gXG N u m e r i c a la n a l y s i so fe f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fm i x e ds o l i dm a t e r i a l s 口 M a t e r

22、i a l s8 LD e s i g n，1 9 9 5，1 6(2)：9 1-9 9 5 姚忡鹏。王端军传热学 M 北京：北京理工大学出版社，2 0 0 3 j l O 一1 0 0 6 叶宏，徐斌，王军，等陶瓷微球填充型隔热涂料的有效导热系数E J 中国科学技术大学学报(自然科学版)，2 0 0 6，3 6(4)：3 6 l 一3 6 3 7 梁基照，李锋华N R 中空微球复合材料传热的有限元分析口 橡胶工业，2 0 0 4，5 1(1 0)：5 8 6-5 8 9 B 张朝晖，范群波，刘颖，等A N S Y S8 0 热分析教程与实例解析 M 北京：中国铁道出版社，2 0 0 5：2

23、0 一8 0 9 陈则韶，钱军，叶一火复合材料等效导热系数的理论推算口 中国科学技术大学学报(自然科学版)，2 0 0 4，3 4(4)：4 1 7 4 2 3 1 0 徐鸿燕，魏锦，胡献国等钢背铜塑自润滑材料端面摩擦条件下的二维稳态热分析 J 轴承，2 0 0 7，(7)：2 7 3 1(责任编辑吕杰)基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算基于球型填充相复合材料有效导热系数的计算作者：刘祥宽，Mehari Salomon，胡献国，LIU Xiang-kuan，Mehari Salomon，HU Xian-guo作者单位：刘祥宽,胡献国,LIU Xiang-kuan,HU Xian-guo(

24、合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽,合肥,230009)，Mehari Salomon,Mehari Salomon(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽,合肥,230009;德国达姆斯达特应用大学,达姆斯达特,D-64295)刊名：合肥工业大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：2008，31(9)引用次数：0次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.彭旭东.曾群锋 聚醚醚酮基复合材料的热性质和物理性质预测及其摩擦销三维温度场的数值模拟期刊论文-摩擦学学报 2005(

25、4)2.李侃社.王琪 聚合物复合材料导热性能的研究期刊论文-高分子材料科学与工程 2002(4)3.金卓仁.程继贵.夏永红.刘鸿志 梯度自润滑滑动轴承的研制期刊论文-机械工程学报 2001(3)4.Zhang Y P.Liang X G Numerical analysis of effective thermal conductivity of mixed solid materials1995(2)5.姚忡鹏.王端军 传热学 20036.叶宏.徐斌.王军.叶暖强.庄双勇 陶瓷微球填充型隔热涂料的有效导热系数期刊论文-中国科学技术大学学报2006(4)7.梁基照.李锋华 NR/中空微球复合材

26、料传热的有限元分析期刊论文-橡胶工业 2004(10)8.张朝晖.范群波.刘颖 ANSYS 8.0热分析教程与实例解析 20059.陈则韶.钱军.叶一火 复合材料等效导热系数的理论推算 2004(4)10.徐鸿雁.魏锦.胡献国.徐玉福 钢背铜塑自润滑材料端面摩擦条件下的二维稳态热分析期刊论文-轴承 2007(7)相似文献(10条)相似文献(10条)1.会议论文 刘祥宽.MEHARI Salomon.胡献国 球型颗粒填充聚合物基复合材料有效导热系数的研究 2007 本文运用数值单元体法建立了计算填充二硫化钼聚甲醛基复合材料有效导热系数的模型,提出了用有限元法和用求单元体模型的等效热阻来确定该复合

27、材料的等效导热系数两种计算方法,通过计算表明两种方法的计算结果比较接近,并运用上述方法研究了二硫化钼含量对聚甲醛基复合材料导热系数影响规律。应用ANSYS软件模拟了该自润滑复合材料在端面摩擦磨损试验条件下的温度场,结果表明：有限元计算结果与实验测量结果接近.2.会议论文 宋思洪.廖强.沈卫东.李超 不同形状颗粒弥散复合材料的等效导热系数 2009 根据最小热阻力法和比等效导热系数法对不同形状颗粒弥散复合材料的等效导热系数进行预测。采用以颗粒在传热方向上的特征长度为边长的立方体体积与实际颗粒体积之比作为形状因子，对不同颗粒形状等效为立方体时的无量纲相对特征长度进行修正，基于形状因子进一步推导了适

28、用于不同形状颗粒弥散复合材料在中低体积分数情况的等效导热系数通用计算公式。此通用计算公式与实验值及其它模型计算值吻合较好，对于导热增强型复合材料，体积分数一定时，其等效导热系数与颗粒形状因子呈正比，增加颗粒在传热方向上的尺寸能有效提高复合材料的导热性能。3.期刊论文 李明伟.朱景川.尹钟大 颗粒弥散复合材料等效导热系数的估算-功能材料2001,32(4)等效热导率是热障功能梯度材料的重要热物理性能,本文采用最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则,推导出了热障型陶瓷/金属复合材料等效热导系数的普通式.并研究了Ni-ZrO2系复合材料的等效热导率随成分变化的规律,将理论值和实测值进行了比较.结果表

29、明该理论对热障功能梯度材料的设计具有指导意义.4.期刊论文 梁基照.李锋华.Liang Ji-zhao.Li Feng-hua 聚合物/中空微球复合材料传热的理论模型-华南理工大学学报（自然科学版）2005,33(10)分析了中空微球填充聚合物复合材料的传热机理,指出其热传递主要以固体和气体的热传导、中空微球表面之间的热幅射和中空微球内气体的自然对流三种方式进行.基于最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则,建立了热量传递的理论模型,并推导出了等效导热系数的计算式.应用该式估算了中空微球填充聚丙烯复合材料的等效导热系数(keff),并将其与数值模拟结果进行比较,发现当中空微球含量不高()f20%

30、(体积分数)时,等效导热系数的理论估算值和数值模拟值的变化趋势相似.随着中空微球含量增加,等效导热系数线性递减.当中空微球含量一定时,等效导热系数随着中空微球粒径的增加而有所下降.5.会议论文 赵剑.谢宗蕻 蜂窝夹芯结构面外等效弹性模量与等效导热系数研究 2007 蜂窝夹芯结构具有较高的比强度、比刚度和优良的隔热隔振性能，被广泛应用于航空航天结构件中。蜂窝夹芯结构也是高超音速飞行器金属热防护系统面板的理想候选材料，其正交各向异性的力学和热学性能给金属热防护系统的设计和分析带来了许多不便。因此，对蜂窝夹芯结构进行力学性能和热学性能等效，获得其等效弹性参数和等效热学参数，对于金属热防护系统的设计和

31、分析具有十分重要的意义。本文主要进行蜂窝夹芯结构面外宏观等效弹性模量和等效导热系数的研究。本文主要包括五个方面内容：第一，基于最小势能原理和最小余能原理，选择比Kelsey模型所用表征单元更简化的单元为研究对象，推导出了与之完全相同的蜂窝芯体面外等效弹性模量的解析表达式;第二，采用有限元法预测了一组典型的商用正六边形蜂窝芯体的面外等效弹性模量，并将解析解模型预测值、有限元模型预测值与厂家公布的材料试验数据进行了对比;第三，论文提出了一组基于解析解模型的修正公式用于预测与分析典型正六边形蜂窝芯体的面外等效弹性模量;第四，采用工程分析方法，对蜂窝夹芯结构面外整体弹性性能进行等效;第五，采用航空航天

32、领域应用较为广泛的Swann-Pittman等效导热半经验公式预测了金属蜂窝的面外等效导热系数，并进行了蜂窝夹芯板面外整体导热系数的等效，分析了蜂窝夹芯板面外整体等效导热系数随蜂窝几何尺寸的变化规律。6.学位论文 汪雷 材料与结构的传热性能优化设计 2006 本文结合航空、航天技术的发展，以均匀化理论和拓扑优化设计技术为基础，对航空、航天器中经常采用的具有抗冲击、吸能、散热、隔音等优异功能的轻质多孔复合材料进行研究，提出了基于热传导性能的多孔材料与结构的拓扑优化设计方法。多孔材料或复合材料也可以看作一种结构，具有可设计性。为了材料微结构设计工作做准备，本文首先以均匀化方法研究了复合材料等效导热

33、系数的预测问题。均匀化方法是一种严格的数学理论，它以连续介质理论为基础，假设宏观结构由周期性微结构元在空间中重复堆积而成，宏观结构的性能参数是微结构性能的平均值。本文通过计算结果比较，分析了复合材料体分比、纤维截面形状、纤维与基体的相对导热系数对复合材料整体导热性能的影响。近年来，随着计算机性能的大幅提高，有限元方法的广泛应用，借助于有限元分析的结构拓扑优化广泛应用于航空、汽车等工程实际中。本文以宏观结构的散热弱度为目标函数，采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)，建立了拓扑优化设计模型和算法，将拓扑优化方法成功应用到热传导结构的优化设计中，开辟了热传导结构优化设计的一种新思想和方法。在以上研

34、究基础上，本文提出了基于稳态导热性能的复合材料微结构构型设计方法。定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量，约束材料用量，分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标，构造单胞结构拓扑优化数学模型，导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式；采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化，获得了优化的微结构构型。均匀化方法的计算格式使用小参数渐进展开近似，等效参数预测结果属于极限值而无法反映表征体胞真实尺度的影响。事实上，多孔材料物性参数测试结果与均匀化计算结果均存在一定差异，这种差异就是材料的尺度效应。目前，基于均匀化方法的材料微结构拓扑优化设计无法体

35、现材料尺度对宏观结构传热性能优化结果的影响。为此，本文提出一种以结构散热性最佳为目标函数，材料表征体胞拓扑构型为变量的材料/结构尺度关联设计新方法。通过表征体胞的有限超单元建模技术，表征体胞个数和尺寸的改变，揭示了材料尺度效应的影响、材料构型设计与结构导热设计的统一性以及尺度关联设计结果与采用传统小参数渐进展开均匀化方法计算结果的差异。7.期刊论文 梁基照.邱玉琳.Liang Jizhao.Qiu Yulin 一个新的颗粒填充聚合物复合材料导热模型-现代塑料加工应用2008,20(6)基于最小热阻力法则和比等效导热系数法则,建立一新的颗粒填充聚合物复合材料的导热模型并导出等效导热系数公式.应用

36、该公式估算了酚醛树脂/铝粉和酚醛树脂/石墨复合材料的等效导热系数,并与试验测量数据比较.结果表明.导热系数的理论预测值和试验数据相当接近.8.期刊论文 张卫红.汪雷.孙士平.ZHANG Wei-hong.WANG Lei.SUN Shi-ping 基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计-航空学报2006,27(6)基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法.根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向

37、导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计.9.期刊论文 梁基照.刘冠生.LIANG Ji-zhao.LIU Guang-sheng 无机粒子填充聚合物复合材料传热模型及有限元模拟-特种橡胶制品2006,27(5)基于热阻力法则和比等效导热系数相等法则以及简单的传热模型,分别建立了简化的无机粒子填充聚合物复合材料传热的串联和并联

38、模型,推导出相应的等效导热系数公式,并估算了碳酸钙填充聚苯硫醚(PPS)复合材料的等效导热系数.最后应用ANSYS软件对该体系传热过程进行二维有限元模拟.结果表明,模拟值和计算值较为接近,且均随碳酸钙体积分数的增加而提高,两者之间近乎呈线性关系.10.学位论文 李锋华 聚合物/中空微球复合材料传热性能及机理的研究 2003 该工作中分析了聚合物/中空微球复合材料传热的基本机理.指出,热的传递是以热传导方式为主;由于中空微球导热系数低,当热流遇到中空微球时将会出现分流;热流在复合材料中传递的路径变长并复杂化,导致复合材料的传热性能下降.从傅立叶热传导方程出发,根据最小热阻力法则、比等效导热系数相

39、等法则及热阻并串联原理,选取了复合材料中的一个单元,推导出描述聚合物/中空微球复合材料有效导热系数的表达式.理论预测结果表明,随着中空微球填充体积分数的增加,复合材料的导热系数呈近似线性减小.制备了聚丙烯/中空硼硅酸盐微球复合材料及试样,并测试了试样的导热系数值.应用实验结果验证了数学模型并与数值模拟结果相比较.结果显示,导热系数的实测值与理论预测值和数值模拟结果有良好的一致性.这表明,该工作中所建立的聚合物/中空微球复合材料传热数学模型和模拟模型是合理和可行的.应用扫描电子显微镜观察了聚丙烯/中空硼硅酸盐微球复合材料试样的冲击断面形貌结构.结果表明,中空微球在树脂基体中分布较均匀,且未见破损,这意味着该复合材料可按一般聚合物加工成型方法制备和生产.该研究成果可望对聚合物/中空微球复合材料的保温设计和应用提供理论依据和指导作用.本文链接：http:/