先进树脂基复合材料以其高比强度、高比模量和可设计性强等特点，成为航空航天领域中备受瞩目的材料之一。其卓越的性能表现，不仅在高比强度和高比模量方面取得了显著的突破，同时还表现出卓越的耐腐蚀和抗疲劳性能。树脂基复合材料在制备各类复杂构型结构方面展现出了卓越的适用性，结合复杂构型结构、承力结构以及高温冷端部件的需求，树脂基复合材料在航空航天工程中发挥了重要作用。

近年来，对比金属与合金材料结构件，复合材料飞机结构件具有轻质、高强的特性，同时具备一定的抗疲劳和耐腐蚀能力，纤维增强的热塑性树脂基复合材料在航空航天器件应用上引起了学者们广泛的关注和研究。例如，空客A340/A380飞机的机翼前缘选择了玻璃纤维增强的聚苯硫醚复合材料。特别是在飞行器的关键部位上，F117A将PEEK材料用于尾翼制造，还有C–130机身的腹部壁板，以及法国阵风机身蒙皮等^{[ [1] 宋清华, 文立伟, 严飙, 等. 热塑性树脂基复合材料自动铺带技术[J]. 航空制造技术, 2011, 54(15): 42–44.SONG Qinghua, WEN Liwei, YAN Biao, et al. Automated tape laying technology of thermoplastic and resin-based composites[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011, 54(15): 42–44.
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因聚合物基复合材料具有质量轻、成本低、易加工和电气绝缘等优点，在航空航天领域被广泛应用。而相较于传统金属材料，树脂基复合材料的热导率较低，使得复合材料结构件导热性能较差。然而聚合物基复合材料的导热系数通常很低，热膨胀系数也较高，限制了其在飞机传动系统结构件上的使用。

在电子元件和机械应用领域，具有散热需求的典型结构件通常壁厚在0.5~5 mm之间，Danes等^{[ [4] DANES F, GARNIER B, DUPUIS T. Predicting, measuring, and tailoring the transverse thermal conductivity of composites from polymer matrix and metal filler[J]. International Journal of Thermophysics, 2003, 24(3): 771–784.
4 ]}提出了使用高导热复合材料替换纯树脂，创新性地使用了金属铝纤维填充聚丁烯基底复合材料，计算并验证了金属加持下的高分子聚合物横向热导率。石志想等^{[ [5] 石志想, 傅仁利, 曾俊, 等. 内嵌金属导热通道环氧模塑料导热性能与模拟[J]. 电子与封装, 2009, 9(7): 17–21.SHI Zhixiang, FU Renli, ZENG Jun, et al. Thermal conductive performance and thermal simulation of high thermal conductive epoxy molding compound[J]. Electronics & Packaging, 2009, 9(7): 17–21.
5 ]}的研究聚焦于垂直与水平两种导热结构的设计。在这项研究中，他们选用了高导热金属铜作为填料，将其填充在环氧模塑料（EMC）中，并通过热模压法制备了样品。试验结果表明，随着铜填充量的提升，EMC的热导率也相应提高。尤其是在装填体积比例只有1/4时，垂直导热结构试样的导热系数达到了惊人的104.62 W/（m·K），对设计金属填充复合材料进行导热增强具有借鉴意义。

复合材料直升机机匣结构复杂，且机匣在运行时，其附件轴承、齿轮等部件在高速运转和重负荷工况下，会因零件间的摩擦产生大量热量，导致温度急剧升高。在复合材料直升机机匣的设计中，必须着重考虑其热管理策略，为确保传动系统运行时温度控制在合理范围内，需综合考虑机匣承载环境、支撑接口、成型工艺以及散热结构的设计等多方面因素^{[ [6] 张志龙, 孙炫琪, 郑青春, 等. 直升机传动系统复合材料机匣关键技术[J]. 航空动力, 2019(4): 24–27.ZHANG Zhilong, SUN Xuanqi, ZHENG Qingchun, et al. The key technology for composite material of helicoper transmission housing[J]. Aerospace Power, 2019(4): 24–27.
6 ]}。为解决这一问题，本文将开展复合材料机匣热性能探究，分析稳态温度场结果，研究导热路径和换热方式，再设计出高比表面积的高效金属散热结构，构建导热通道，并优化散热结构，进而得到热性能良好的金属–树脂复合材料机匣。

受载条件下机匣的传力路径是指导热塑性复合材料机匣设计的重要依据^{[ [7] KWOK T H, LI Y Q, CHEN Y. A structural topology design method based on principal stress line[J]. Computer-Aided Design, 2016, 80: 19–31.
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7-9 ]}。主应力迹线作为描述结构内部应力传递的主要方式之一，在结构设计中备受关注。主应力迹线为一组曲线，曲线上任意一点的切线方向与该点的主应力方向相同。机匣结构属于薄壁类结构，可以参考壳结构进行分析，壳结构在法线方向应力可近似为0，因此可以将复杂三维空间的主应力计算问题转化为壳结构上任一点切平面上的二维主应力计算问题，主应力方向角可由式（1）计算。

式中，σ_x为沿X轴主应力；σ_y为沿Y轴主应力；τ_xy为平行于平面XY的切应力。其中，最大的主应力总是偏向于σ_x和σ_y的最大者，最小的主应力则总是偏向于σ_x和σ_y的较小者。即，当σ_x>σ_y时，则主应力σ₁与X轴的夹角为θ；当σ_x<σ_y时，则σ₁与X轴的夹角为θ±90°，如图1所示。

结合图2有限元仿真分析计算可以得到模型积分点的应力状态，因此可以绘制出结构主应力线，对机匣结构应力场进行可视化显示，如图3所示，红色部分为第一主应力线；蓝色区域为第二主应力线，通过在机匣薄壁结构上设计加强筋可有效提升结构的整体强度和刚度。为了在提升机匣结构力学性能的同时，尽可能减少结构质量，如图3（b）所示，可以根据结构的应力传递路径，合理设计加强筋的铺设布局，实现单位质量的加强筋对结构整体力学性能的提升达到最大化。

结构的传热主要包括3种形式：热传导、热对流以及热辐射。因此，为提高结构传热能力，通常采取提高结构传热系数和增加传热表面积的方式来提高结构热传导、热对流和热辐射能力^{[ [10] 刘彦穹. 自然对流条件下一种新型结构散热器的散热研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2015.LIU Yanqiong. Research of one new structure heat sink’s natural dissipation capability[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2015.
10 ]}。

通过提高结构传热系数来降低传热热阻的具体措施有：根据具体热源的位置构建导热通道，在满足一定经济性、综合性能以及制造工艺的情况下，选取导热性能较好的材料作为导热增强结构的材料；在满足一定换热面积的情况下，尽量减小结构的厚度以减小热阻，从而增加导热能力。另一途径为强化湍流流场，湍流对流换热系数比层流时大得多，可以采用提高流体流速、改变散热部件结构的方法来增强湍流效应。

增加传热表面积主要是通过改变散热翅片的形状、尺寸使得机匣导热金属表面积增大，例如，在铝合金散热翅片设计中，适当增加翅片的高度、长度，选取合适的厚度使之可以排布更多的散热片，使翅片排列更加密集。另外，外壁面散热结构设计可借鉴仿生拓扑学原理，通过改变翅片的几何结构，在翅片上设计鲨鳃型开口仿生结构，以获取最少金属导热材料分布下的最佳散热效果^{[ [11] 刘景成, 张树有, 周智勇. 一种新型仿生翅片及其对流体流动与传热影响[J]. 机械工程学报, 2015, 51(12): 161–169.LIU Jingcheng, ZHANG Shuyou, ZHOU Zhiyong. Influence on fluid flow and heat transfer of a bionic fin in plate-fin heat exchanger[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(12): 161–169.
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11-12 ]}。在换热结构热交换区域，鳃型开口结构可以使得外部空气流体的边界层区域破坏的更充分，对湍流的扰动作用更强，有助于实现强化换热。并且流道内开口结构可以引导流体的流动方向，使同一层不同流道内的流体混合的更均匀，降低同层流体之间的温差。

图4为铝合金机匣端盖原模型的温度分布示意图，根据机匣传热仿真结果得出热流流线的主要流向，通过观察传导热通量流线图可以注意到，热流从热源内壁面出发，主要向上方圆筒端面和周围圆环外壁传递。产生这一现象的原因不仅在于换热壁面的设置，且主要归结于结构在散热时热流趋向于沿最短路径进行传递，后续研究将根据热流方向设计散热结构。

本研究采用内嵌式金属构建散热通道，基于以上散热结构设计思路和对传递热流的分析，图5给出了初步设计的导热金属散热通道结构（导热金属拟采用铝合金材料），其翅片部分能够加强散热结构与外部空气的对流换热，热源处同样采用金属材料，保证机匣内部热量可以沿散热通道顺利导出。金属嵌件与复合材料之间采用机械嵌合结构方式连接，在金属嵌件表面设计金字塔型点阵结构嵌合结构，如图5（a）所示，通过注塑将金属嵌件与复合材料一体成型，保证金属与复合材料连接界面的可靠连接。

本文通过响应面法（RSM）来分析复合材料机匣的设计参数与机匣散热能力（自然对流工况下机匣最高温度T_1max）之间的关系，优化散热模型^{[ [13] 刘维茜, 白建波, 李茹, 等. 基于响应面分析法的LED导热塑料散热器的结构设计与优化[J]. 照明工程学报, 2020, 31(5): 75–81, 106.LIU Weixi, BAI Jianbo, LI Ru, et al. Structural design and optimization of LED thermal plastic radiator based on response surface analysis[J]. China Illuminating Engineering Journal, 2020, 31(5): 75–81, 106.
13 ]}。其中，影响T_1max的参数主要有翅片数量n、翅片高度h以及翅片厚度c，将n、h与c作为优化设计变量，以T_1max的最小值作为目标。根据不同参数下稳态温度场结果得到待优化的考察变量n、h与c对响应变量T_1max的影响，如图6所示。图6（a）为当c值保持不变时，h和n对T_1max的影响规律为：h和n在c不变的前提下，与T_1max呈负相关，且h的影响要略大于n的影响。两者对降温的贡献均较为显著，最高温度区间在72.4~88.5 ℃，交互作用显著。图6（b）为当h值保持不变时，c和n对T_1max的影响规律：c和n在h不变的前提下，与T_1max呈负相关，其中，h对温度的影响较为平缓，影响程度低于n。图6（c）为当n值保持不变时，h和c对T_1max的影响规律。h和c在n不变的前提下，整体与T_1max呈负相关，但h的影响程度显著高于c。

综上分析可知，3种结构参数对目标值的影响是相互作用的，应尽可能选用参数大的h和n，对降低最高温度的作用较明显，其中提高h的做法影响更显著。结合翅片对结构整体质量的影响，当h较高时，结构整体质量显著增加，因此，h取值26 mm；c对降温的影响较小，但对质量的影响显著，所以，c取值1.1 mm；n对降温和质量增加的影响较为接近，为了平衡这两个方面，n取值14。

本研究使用多物理场有限元仿真平台软件COMSOL Multiphysics 6.0进行共轭传热仿真（Conjugate heat transfer，CHT），温度场仿真流固材料参数如表1所示。对照组使用原铝合金机匣与纯复合材料，试验组选择矩形翅片金属–树脂复合材料机匣与鲨鱼鳃仿生翅片金属–树脂复合材料机匣。金属材料部分均为铝合金，复合材料基体为短切纤维增强的PEEK，均通过自然对流进行散热。

根据图7得到的试验数据如表2所示，对比4种类型机匣的仿真结果，可以发现，铝合金机匣因整体具有较好的热导率，温度分布比较均匀，最高温度和最低温度与整体平均温度基本持平，维持在92.5 ℃左右。当把原模型材料替换为树脂后，其极低的热导率和散热能力，无法很好地将热量传递出去，导致热量在靠近热源处堆积，使得附近温度不断升高，最高温度到达了262 ℃，最大温差达到207 ℃，已造成机匣结构软化变形，严重降低力学性能，显然无法满足树脂材料的长期使用温度。而增加了金属导热增强结构并且优化过参数的复合结构机匣，因构建了导热通道，使增强材料直接接触热源，快速将热量导出，并传递给外部散热翅片，相比纯铝合金机匣大大提高了对流的散热面积，使最终整体均温维持在65 ℃左右，最高温度也降低到了80.2 ℃，使得优化后的复合结构机匣，满足了其散热性能的需求，相比纯树脂机匣有了不错的提升。鲨鱼鳃翅片相比传统矩形翅片，其散热温度表现均有一定程度的提升，最高温度从80.2 ℃下降到了78.5 ℃，平均温度也有所降低。

对铝合金机匣与金属–树脂复合材料机匣进行温度对比试验，对比其散热能力。铝合金机匣端盖与金属–树脂复合材料机匣端盖如图8和9所示，金属–树脂复合材料机匣（矩形翅片）端盖采用注塑工艺一体成型，其中金属结构由于刚度较低，采用增材制造工艺成型。

试验平台如图10所示，试验采用Pi膜加热环贴至金属嵌件圆柱内壁面，模拟该机匣工作状态下热源—轴承发热，保持对照组与试验组热源加热功率一致，对机匣端盖进行加热至端盖各处温度趋于平稳，使用温度巡检仪记录机匣各位置温度。热电偶测温点的选取如图11所示，贴片1均为监测加热环的温度，即热源温度；贴片2位于最靠近热源的机匣内壁面处，是预测机匣最高温度出现的位置；贴片3均为机匣内壁面随机点位，其中复合材料机匣在该处的材料为树脂壁面。因材料一致，铝合金机匣外壁面温度通过贴片4和5两个点位监测；而树脂机匣外壁面则通过贴片4来监测金属翅片温度，贴片5和6均监测树脂材料外壁面温度。

图12分别为铝合金机匣和金属–复合材料机匣温度场升温曲线，温度场试验结果如表3所示。由于热源功率一致，两者热源温度接近，对比铝合金机匣和金属增强复合材料机匣结构上温度分布情况不难发现，金属散热结构的设计和增强，对纯树脂复合材料的传热性能有了显著的提升，金属–复合材料机匣非热源处最高温度相比于铝合金机匣仅上升了8.5 ℃，上升比例仅为12.6%，而质量减轻了15%以上。

针对直升机复合材料机匣由于材料热导率低导致散热困难，易发生结构软化失效破坏的问题，本文开展了复合材料机匣传热机理的研究，分析了机匣传热路径，指导构建传热通道，并对导热增强金属结构进行了建模。开展了机匣稳态温度场数值模拟，分析各个参数变化对设计目标造成的影响。根据分析结果对金属增强结构进行了优化，并开展了铝合金机匣端盖与金属–树脂复合材料机匣端盖温度对比试验研究，主要得出以下研究成果。

（1）本研究调研了常见的导热增强结构，对复合材料的导热优化设计进行了归纳总结，分析了高效散热结构背后的共同机理——提升结构的比表面积，加大结构散热时的对流特性，对金属散热结构和导热通道构建的方法进行了归纳总结，明确了对导热增强结构的优化思路。

（2）通过数值模拟对纯铝合金、纯树脂和金属增强复合材料机匣进行了热性能研究，金属增强导热结构可以有效改善复合材料机匣导热性能差的问题，相比纯树脂机匣，壁面最高温度从262 ℃下降至93.8 ℃，降温比例超过60%。

（3）基于响应面法的优化方式，构建了设计目标和各个设计参数间的函数关系，得到了最优的金属增强结构设计参数，其中各个设计参数取值分别为h=26 mm，n=14，c=1.1 mm。并开展了温度场对比模拟，仿真结果表明，金属增强复合材料机匣相比于纯树脂机匣，最高温度降低至80.2 ℃，降幅达69%，与铝合金机匣的散热表现基本一致。

（4）温度场试验结果显示，金属结构的加入有效提升了复合材料机匣散热性能。与传统铝合金机匣相比，金属–复合材料机匣结构最高温度仅上升了8.5 ℃，升温幅度不超过12.6%，并且质量减轻了15%，整体均温和最低温度与仿真结果趋势一致，展现出复合材料机匣在优化后良好的散热表现。