[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

说明书

本发明提供一碳纤维增强复合材料层合板(CFRP)电流辅助铆接时的温度场轴向不均匀分布的理论预测方法，具体的说是对电流辅助作用下的连接域内铆钉温度的动态温升进行理论预测，发明考虑了铆接过程中，连接域中心产热温度与连接域边缘实际散热速率的差异而导致的温度轴向分布不均现象，并根据实际观测的结果以数学模型表征出铆钉温度的具体分布，同时对无穷大时间后的温度分布进行预测。本发明可用于预测电流辅助铆接时连接域内的动态温升和轴向分布情况，可预测出不易观察的铆钉中心处最高温度，进而指导电流辅助铆接工艺制定恰当的工艺参数，避免热损伤。

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料铆接技术领域，尤其涉及一种对电流辅助铆接过程中连接域内不均匀温度分布的预测方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer，简称CFRP)宜采用钛合金紧固件连接以减轻电位腐蚀，而钛合金存在变形抗力大、变形易不均匀等问题，施加电流作用可以有效改善钛合金塑性。目前，国内外对于电流辅助轧制、拉拔、压缩等成形技术的研究较为成熟，本发明借鉴其原理，创新性地将电流辅助方法引入到CFRP构件铆接工艺中。铆钉在电流作用下产生焦耳热，由于该部分热能既是金属变形的重要驱动力，又是影响CFRP构件热容限的关键，因此本发明围绕电流作用下连接域的热响应机制展开深入研究。

电流辅助时的高温环境对钛铌合金材料变形有一定增益，但同样对CFRP的性能有影响。焦耳热在连接域中的不同空间分布，不同水平都会影响树脂基复合材料的受损情况。可见，电流作用下动态温度场演化规律仍待进一步研究，进而指导新型电流辅助铆接工艺。

发明内容

本发明研究了连接域内的热响应机制与温度场分布，基于能量守恒、焦耳热定律、热传导定律构建了静态焦耳热模型表征稳态换热铆接工况下的CFRP温度，考虑铆接过程电流波动、温度分布不均和热区域分散性建立了动态温度场模型预测铆接过程温升。结果表明：CFRP孔周一定辐射半径范围处温度与钉中心温度线性相关，模型准确模拟出了40s内的过程温度。静态模型在11％误差以内精准预测了中心饱和温度，动态模型模拟的温升趋势与实测温度值吻合较好。热量传递的滞后性使得动态模型对快速温升时的温度预测存在误差，该误差随电流密度变大而增加，最大达17.15％。接头损伤评估表明过程温度控制在150℃内时可获得质量合格的铆接接头。

本发明对电流辅助铆接过程中的温度场演化和空间分布，进行了建模分析与实验验证，得到以下结论：

1)建立了CFRP温度T_f与铆钉温度T_s的静态焦耳热模型，分析了低应变速率铆接时特定范围内的稳态换热特点。当作用时间、电流密度、电阻恒定时，CFRP孔周径向上任意点处的温度与钉杆中心温度之间线性相关，可用于估计高温区域的大致分布范围，指导电流辅助铆接工艺。

2)动态温度场模型能准确模拟出铆接区域内温度在轴向和径向上分布不均的实际热传递特点，并能在11％误差内精准预测中心区域的最大饱和温度，模型对低电流密度预测结果的误差较小。在18％的误差以内，模型可预测电流作用时的大致温升趋势，对铆接时始末温差较小工况的温升预测较准。

3)分析了CFRP铆接过程中的热、力交互致损机制。本申请研究中，14.5KN压铆力铆接时，连接域中心极值温度不超过150℃可获得质量合格的接头。此外，为使铆钉处于恰当的热力环境下变形，对压铆力与电参数的统筹优化是该新型铆接技术的一个研究点。

一种电流辅助铆接系统，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；铆钉所处电回路中，主要是由上、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。