《Case Studies in Thermal Engineering》：Investigation of thermal contact conductance of bolted flange structures based on experiments and finite element inverse analysis
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对螺栓法兰结构的热接触传导系数（TCC）进行研究，对于相关设备的热设计优化及服役可靠性具有重要意义。本研究采用三种类型的螺栓法兰结构进行实验研究：铝合金/铝合金、铝合金/不锈钢和铝合金/钛合金。研究重点考察了温度、螺栓扭矩和材料组合对TCC的影响。利用随机森林
对螺栓法兰结构的热接触传导系数（TCC）进行研究，对于相关设备的热设计优化及服役可靠性具有重要意义。本研究采用三种类型的螺栓法兰结构进行实验研究：铝合金/铝合金、铝合金/不锈钢和铝合金/钛合金。研究重点考察了温度、螺栓扭矩和材料组合对TCC的影响。利用随机森林算法进行了多因素敏感性分析。结果表明，在本研究所涉及的螺栓法兰结构和实验条件下，等效均匀TCC模型能够产生更稳定且物理一致性更好的结果。在所研究的三个因素中，温度的影响最为显著，占总特征重要性的59.27%。研究发现，TCC随螺栓扭矩升高而增加，但增长速度逐渐减缓。本研究中三种材料组合的TCC水平不同，其中铝合金/铝合金界面的TCC最高，而铝合金/钛合金界面的TCC最低。采用稳态反演获得的TCC进行瞬态仿真的平均误差约为3.40%和1.04%，显示出良好的可靠性。本研究阐明了温度、螺栓扭矩、材料组合与宏观等效TCC之间的关系，为相关工程结构的热分析和热设计提供了参考。
论文解读
一、研究背景与问题提出
螺栓法兰结构因具备优良的可拆卸性、承载能力和密封性能，被广泛应用于航空航天、精密机床、轨道交通和电子封装等关键领域。特别是在航空发动机中，机匣和承力框架等关键部件通常通过法兰-螺栓组件连接，这些结构在传递复杂机械载荷和气动载荷的同时，也构成了发动机热端到冷端的主要传热路径。
然而，由于接触表面微观形貌的随机性，两个名义上紧密贴合的表面实际上仅在少数离散微凸体峰顶处形成真实接触，真实接触面积通常仅为名义面积的1%至2%，从而在界面引入显著的热接触热阻（TCR）。热接触热阻的存在会导致连接界面处产生额外温降，直接影响结构的整体温度分布、热应力评估和寿命预测。对于高温环境下运行的航空发动机，螺栓界面热接触热阻的意外变化可能引发一系列连锁问题，如机匣局部过热、热变形不协调甚至结构失效，对发动机的热安全性和可靠性构成严峻挑战。
现有针对非螺栓连接接触面TCC的研究已较为成熟，包括基于理论推导的经典模型、实验测量方法和有限元反演算法。然而，螺栓连接结构的接触传热特性远比非螺栓连接复杂，主要原因在于螺栓扭矩引起的宏观变形——螺栓扭矩使连接件发生翘曲，导致仅在螺栓附近的局部区域形成真实接触，接触界面的压力分布呈现显著的非均匀性。因此，适用于非螺栓连接接触面的TCC测量方法无法直接应用于螺栓连接界面。
尽管已有学者针对螺栓连接的TCC开展了系列研究，但仍存在两个关键研究空白：其一，现有研究本质上均基于等效均匀或非均匀线性TCC分布的假设，但未对这两种分布假设在特定接头界面的准确性和适用性进行比较评估；其二，在影响因素方面，温度、螺栓扭矩和材料属性之间存在复杂的耦合效应，各因素对TCC的相对重要性需要在统一的实验框架内进行定量分析。
二、研究内容与结论
为解决上述问题，研究人员采用稳态实验与三维有限元迭代反演相结合的方法，对螺栓法兰结构开展了系统研究。研究比较了等效均匀和非均匀线性两种TCC分布模型，考察了温度、螺栓扭矩和材料组合对宏观等效TCC的影响，并通过重复性分析、分组交叉验证和瞬态实验评估了反演结果的可靠性。研究揭示了温度、螺栓扭矩、材料组合与宏观等效TCC之间的关系，为相关工程结构的热分析和热设计提供了参考依据。
三、关键技术方法
研究人员建立了包含加热装置、水冷装置、保温装置和温度测量系统的稳态实验平台。测试试件由法兰和圆形平台通过六颗M8螺栓连接组成，法兰材料为铝合金，圆形平台分别采用铝合金、不锈钢和钛合金，形成三种常见工程材料组合。实验中采用数字扭矩扳手施加15N·m、20N·m和25N·m三级扭矩，加热板将接触面温度控制在20-150℃范围内，使用T型热电偶采集14个测点温度数据。研究人员在Ansys稳态热模块中建立有限元模型，网格包含140,388个单元和236,157个节点，采用梯度下降的NLPQL算法进行参数迭代反演，以最小化模拟温度与实验温度的平方误差和（SSE），收敛容差设为0.1%，最大迭代次数为50次。
四、研究结果
3.1 TCC分布模型
研究人员选用铝合金/不锈钢界面在20N·m扭矩下的工况作为测试案例，对两种TCC分布模型进行反演分析。结果显示，非均匀线性分布模型的反演参数（斜率a、截距b和作用半径ro）随温度升高呈现不规则波动，而等效均匀模型的TCC值随温度升高呈现逐步稳定的上升趋势。两种模型的SSE均保持在较低水平，但线性TCC模型的SSE波动更为显著，表明在本研究的实验条件和反演方法下，等效均匀模型具有更好的数值稳定性。研究人员分析认为，这种差异可能与实验测量条件及反演参数间的耦合有关：单个螺栓的有效影响范围有限，有效接触面积较小，同一侧测温点间距较近导致径向温降极小；同时，即使在同一螺栓扭矩下，由于界面微观结构的随机性，两个螺栓附近区域的接触压力仍存在差异，进一步叠加热电偶测量误差和测量孔引入的热扰动，使得径向分布的数据难以呈现明显的线性变化规律。
3.2 多因素影响分析
研究人员采用随机森林算法对温度、螺栓扭矩和材料组合三个因素进行敏感性分析。结果表明，温度是最显著的影响因素，占总特征重要性的59.27%。TCC随螺栓扭矩升高而增大，但增长速率逐渐放缓。在三种材料组合中，铝合金/铝合金界面的TCC最高，铝合金/钛合金界面最低。研究人员通过重复性分析和分组交叉验证确认了反演结果的可靠性，并将稳态反演得到的TCC用于瞬态仿真，其平均误差约为3.40%和1.04%。
五、总结与结论
本研究通过稳态实验与三维有限元迭代反演相结合的方法，系统研究了螺栓法兰结构的热接触传导特性。研究证实，对于所研究的螺栓法兰结构和实验条件，等效均匀TCC模型比非均匀线性分布模型产生更稳定且物理一致的结果。在温度、螺栓扭矩和材料组合三个因素中，温度对TCC的影响最为显著。TCC随螺栓扭矩升高而增加但增速趋缓，铝合金/铝合金界面的TCC最高，铝合金/钛合金界面最低。采用稳态反演所得TCC进行瞬态仿真具有良好的精度。本研究阐明了温度、螺栓扭矩和材料组合与宏观等效TCC之间的关系，为相关工程结构的热分析和热设计提供了重要参考。
