[发明专利]一种电流辅助铆接的温度轴向分布预测装置及方法

权利要求书

1.一种电流辅助铆接的温度轴向分布预测装置，其特征在于：包括脉冲电源、电极电阻、铆钉，电流辅助铆接过程中，铆钉在脉冲电流的激励下，呈现出明显的动态热行为；铆钉所处电回路，包括上、下电极片和铆钉自身电阻以及两两之间的接触电阻，形成整个热环境中的产热单元；在铆接工况中，四周空气环境以及与铆钉接触的孔壁共同组成整个热环境中的散热单元。

2.根据权利要求1所述的电流辅助铆接的温度轴向分布预测装置，其特征在于：在电回路中，由恒流脉冲电源和三个电阻形成简单电路；其中一个电阻为钛合金铆钉电阻R_s，另外两个电阻R_tc、R_bc代表的分别是各个电极的自身电阻与接触电阻之和。

3.一种电流辅助铆接的温度轴向分布预测方法，其特征在于：根据权利要求1所述的电流辅助铆接的温度轴向分布预测装置，基于热力学第一定律，任一Δt时间内，铆钉内部的焦耳热产热功率P_J应该等于试样内部储热功率P_S和铆钉四周热传导功率P_C热量之和。将径向上瞬时温度视为分布均匀，瞬态的能量守恒模型如下：

P_J＝P_S+P_C (1)

P_J＝fDJ²ρ_sSΔz (2)

式中：J为名义电流密度；D为单脉冲作用时间；f为脉冲电流的频率；S为铆钉钉杆截面横截面积；c_s为铆钉试样材料的比热容；ρ_s为铆钉试样的电阻率；K₄₅、K_f分别为电极、CFRP板材料的热传导率；T_R为空气的温度；ρ′₁为试样材料的密度；T为铆钉温度；Δz为铆钉轴向上的微分，z轴的起点位于钉杆中心处；d为径向的深度，Δr为铆钉径向传热的深度，暂将其取为定值，即d+Δr＝d₁，简化为轴向上的一维问题。

4.根据权利要求3所述的电流辅助铆接的温度轴向分布预测方法，其特征在于：引入时间影响函数f_t(t)的乘式因子，z向温度分布函数为:

T(t,z)＝f_t(t)[1-a(J)z²]+T_R (5)

式中：a(J)为轴向上温度传递梯度因子，梯度因子的大小与电流密度相关，满足公式a＝c₁J²，c₁的数值由实验确定；t为脉冲电流持续时间；z为偏离铆钉中心的轴向距离。

5.根据权利要求3-4任一项所述的电流辅助铆接的温度轴向分布预测方法，

其特征在于：将式(5)带入式(27)～(30)，化简得到非齐次线性微分方程：

f′_t(t)+λf_t(t)＝ε(J,z) (6)

其中：

求解得到试样中心焦耳热时间影响因子f_t(t)的通解形式为:

带入边界条件，其中当t和Δz均取0时，f_t(0)＝0，对上式中的未知系数c求解，则f_t(t)的具体表达式：

6.根据权利要求3-5任一项所述的电流辅助铆接的温度轴向分布预测方法，

其特征在于：当连接域内温度整体达到饱和温度时的轴向分布函数为：

铆钉中心处的温度是整个连接域中温度最高的区域，是最有可能出现CFRP烧损的位置，取z＝0，则中心处的最大温度T_max(t)可表示为：