Влияние расположения пятен контакта на тепловую контактную проводимость
Опубликовано: 21.03.2022
Авторы: Мурашов М.В., Голубцова Е.С.
Опубликовано в выпуске: #3(123)/2022
DOI: 10.18698/2308-6033-2022-3-2159
Раздел: Механика | Рубрика: Механика деформируемого твердого тела
У распространенных в настоящее время фрактальных и стохастических моделей тепловых контактов никак не отслеживается расположение пятен контакта, образованных взаимодействием выступов шероховатости. По результатам численного решения трех модельных двумерных задач теплового контакта с помощью моделирования в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS определено существенное влияние расположения этих пятен в номинальной области контакта на тепловую контактную проводимость. Показано, что эта проводимость не пропорциональна количеству фактических контактов или доле площади фактического контакта в номинальной площади. В результате были сделаны выводы о том, что даже небольшие пятна фактического контакта существенно изменяют тепловую контактную проводимость. Из существующих моделей контакта учесть это явление позволяют детерминированные модели, а стохастические и фрактальные не могут отслеживать расположение пятен.
Литература
[1] Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. Москва, Энергия, 1977, 328 с.
[2] Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. Москва, Наука, 1970, 228 с.
[3] Murashov M.V., Panin S.D. Modeling of thermal contact conductance. Proceedings of the International Heat Transfer Conference IHTC-14. Washington, DC, USA, 2010, vol. 6. pp. 387–392. DOI: 10.1115/IHTC14-22616
[4] Thompson M.K. A multi-scale iterative approach for finite element modelling of thermal contact resistance. PhD thesis. Massachusetts Institute of Technology, 2007, vol. 100. https://doi.org/10.1115/MNHT2008-52385
[5] Lee S., Jang Y.H., Kim W. Effects of nanosized contact spots on thermal contact resistance. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 103. https://doi.org/10.1063/1.2903450
[6] Ciavarella M., Delfine V., Demelio G. A ‘‘re-vitalized’’ Greenwood and Williamson model of elastic contact between fractal surfaces. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2006, no. 54, pp. 2569–2591. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2006.05.006
[7] Bahrami M., Yovanovich, M.M., Culham J.R. Thermal contact resistance at low contact pressure: Effect of elastic deformation. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, no. 48 (16), pp. 3284–3293. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.02.033
[8] Murashov M.V. Temperature field simulation of gyro unit-platform assembly accounting for thermal expansion and roughness of contact surfaces. Advances in Artificial Systems for Medicine and Education II, 2020, vol. 902, pp. 601–616. https://doi.org/10.1007/978-3-030-12082-5_55
[9] Greenwood J.A. Constriction resistance and the real area of contact. British Journal of Applied Physics, 1966, no. 17 (12), pp. 1621–1632. https://doi.org/10.1088/0508-3443/17/12/310
[10] Archard J.F. Elastic deformation and the laws of friction. Proceedings of the Royal Society. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1957, no. 243 (1233), pp. 190–205. https://doi.org/10.1098/rspa.1957.0214
[11] Jackson R.L., Streator J.L. A multi-scale model for contact between rough surfaces. Wear, 2006, no. 261, pp. 1337–1347. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.03.015
[12] Greenwood J.A., Williamson J.B.P. Contact of nominally flat surfaces. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1966, no. 295, pp. 300–319. https://doi.org/10.1098/rspa.1966.0242
[13] Zhang X., Cong P., Fujiwara S., Fujii M. A new method for numerical simulation of thermal contact resistance in cylindrical coordinates. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, no. 47 (5), pp. 1091–1098. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.04.001
[14] Bush A.W., Gibson R.D., Thomas T.R. The elastic contact of a rough surface. Wear, 1975, vol. 35, pp. 87–111. https://doi.org/10.1016/0043-1648(75)90145-3
[15] Greenwood J.A. A note on Nayak’s third paper. Wear, 2007, vol. 262, pp. 225–227.
[16] Majumdar A., Bhushan B. Fractal model of elastic-plastic contact between rough surfaces. Journal of Tribology, 1991, no. 113 (1), pp. 1–11. https://doi.org/10.1115/1.2920588
[17] Бородич Ф.М., Мосолов А.Б. Фрактальный контакт твердых тел. Журнал технической физики, 1991, т. 61, № 9, с. 50–54.
[18] Мурашов М.В., Панин С.Д. Моделирование термического контактного сопротивления. Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 7. Москва, 25–29 октября 2010. Москва, Издательский дом МЭИ, 2010, с. 142–145.
[19] Murashov M.V., Panin S.D. Numerical modelling of contact heat transfer problem with work hardened rough surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, no. 90, pp. 72–80. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.06.024
[20] Thompson M.K., Thompson J.M. Considerations for the incorporation of measured surfaces in finite element models. Scanning, 2010, no. 32 (4), pp. 183–198.
[21] Мурашов М.В., Панин С.Д. Особенности численного решения задачи контактного деформирования шероховатых тел в ANSYS. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2016, № 1, с. 129–142. DOI: 10.18698/0236-3933-2016-1-129-142
[22] Мурашов М.В. Выбор параметров вычислительных алгоритмов при решении задачи контактного деформирования шероховатых тел в ANSYS. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2016, № 1, с. 111–121. DOI: 10.18698/1812-3368-2016-1-111-121
[23] Мурашов М.В., Панин С.Д. Особенности конечно-элементного решения задачи определения площади фактического контакта шероховатых тел. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2016, № 4, с. 19–32. DOI: 10.18698/0236-3933-2016-4-19-32
[24] Cahill D.G., Ford W., Goodson K., Mahan G.D. Nanoscale thermal transport. Journal of Applied Physics, 2003, no. 93 (2), pp. 793–818. https://doi.org/10.1063/1.1524305