铜铝焊接接头导电性能数值模拟分析(附件)【字数：13540】
摘 要摘 要铜和铝都是电的良导体，在导电结构中广泛使用。但是由于铜在地壳中含量低，人们对铜的需求越来越大，随着铜资源短缺，二十世纪下半叶曾提倡“以铝代铜”的方针，现代又有以铝节铜的说法。使用铜铝复合材料并用于导电结构中是以铝节铜的一种重要方法。本文通过在ANSYS软件中模拟不同铜层厚度的铜铝接头在不同载荷的交流电下，其内部的电流分布以及接头整体的导电性能，来探索交流电载荷下铜铝材料导电性的影响因素。希望能对导电结构中如何选择铜铝复合材料代替纯铜提供参考。模拟分析结果表明，对于交流导电中，电流大小不会对导体内部的电流分布造成影响，也不会影响导体的导电性能。在较低频率下，铜铝复合材料中，铜的含量能够明显影响材料整体的导电性能；随着交流电的频率增大，导体内部铜的含量对铜铝复合材料的导电性能影响减小；当频率达到50000Hz以后，导体内部的铜含量几乎不影响导体整体的导电性能，为了尽可能节省铜材，在技术允许的情况下，可以在导体的外表面包覆一层尽可能薄的铜层，也不会影响导体整体的导电性能。关键词铜铝接头；导电性能；数值模拟分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究背景及意义 1
1.2 铜铝接头的制造及国内外应用状况 2
1.2.1 铜铝爆炸焊及其国内外发展状况 3
1.2.2 铜铝闪光焊、摩擦焊和钎焊及其发展 4
1.3 有限元分析及有限元分析软件 5
1.3.1 有限元分析法的发展 5
1.3.2 有限元分析软件 6
1.4 本文的研究目的和内容 7
第二章 材料和模拟分析方法及内容 8
2.1 引言 8
2.2 模拟分析材料模型 8
2.3 模拟分析过程 9
2.3.1 前处理 9
2.3.2 分析计算 11
2.3.3 后处理 11
第三章 电磁场模拟理论基础 13
3.1引言 13
3.2 材料属性 13
3.2.1 电阻率 13
3.2.2 导磁率和相对磁导率 14
3.3 麦克斯韦方程组 14
3.4 电磁场边界条件 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.5 电磁场有限元基础 16
3.5.1 瑞利里兹法 16
3.5.2 伽辽金法 17
3.6 本章小结 18
第四章 模拟结果与分析 19
4.1 引言 19
4.2 材料模型以及对数据的初步观察 19
4.3 电流大小对铜铝接头导电性能的影响 20
4.4 交流电频率对铜铝接头导电性的影响 22
4.5 铜层厚度对铜铝接头导电性的影响 26
4.6 交流电频率和铜层厚度对铜铝接头导电性能的共同影响 27
4.7 本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 本文的研究背景及意义
铜具有良好的延展性，又具有优良的导热性和导电性，广泛运用于电缆、电气和电子元件[12]，有时也用于建筑材料。由于铜的导电性能良好，并且使用寿命也较长，在用于导电的场合，铜所占的比重非常大。特别是我国目前正处于工业化阶段，对铜的需求非常大。但是地壳中铜的含量仅为0.01%，随着人们的不断开采，伴随着铜资源的短缺，铜的价格和成本不断上升。
铝及其合金密度小、强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀能力较强，除了金银等贵重金属外，铝的导电性仅次于铜，在用于导电的场合中，铝所占的比重也很大[3]。同时，铝在地壳中的含量非常大，仅次于氧和硅，居第三位，在所有的金属中，铝在地壳中的含量最高。这也使得铝的生产应用十分广泛。
铜和铝都是电的良导体，地壳中铜含量稀少，铝含量丰富。研究和提倡有色金属的代用品是我国发展国民经济的第一个五年计划中关于怎样节省有色金属的方法之一。我国的铜资源主要依靠进口，如果能够用技术含量高并且性能优异的材料代替铜材，可以摆脱对铜资源的进口依赖，还能节约成本。
现在人们说的以铜节铝与二十世纪六、七十年代所提倡的以铜代铝意义是不一样的，因为那个时候，铜作为国防物资，由于国外的封锁，难以进口。而现在的所说的以铜节铝的含义是：有的场合必需使用铜，这个时候就不能用铝代替；有的地方既可以用铜，也可以用铝，经过科学论证，能够用铝就尽力量用铝。铜铝双金属复合材料具有铜的导电导热率高的优点，又具有铝的质轻、耐腐蚀的优点。铜铝复合材料可以在满足质轻和价格便宜的条件下，达到与单一铜材接近的导电率和导热率。这样就可以达到节省铜，并缓解铜资源短缺的目的[4]。
铜的优点是导电性良好，与铜相比，铝的导电性相对较差。使用铜铝双金属复合材料时，即使忽略界面由于连接而产生的金属间化合物，由于铝的加入，会不同程度的影响到材料的导电性。使用的铝越多，对导电性的影响越大。而不同的使用环境对导电性的要求也不同。找到某些场合下的铜的含量与导电性之间的关系，可以对寻找含铜量与导电性的平衡点有所帮助。
我国的动力电和照明电都是使用交流电，由于交流电存在集肤效应，导体内部的电流分布并不均匀，越靠近导体的外表面，电流密度越大，导体内部的电流密度较小。因此在使用铜铝复合材料时，可以考虑导体的外表使用铜，而内部使用铝。
使用铜铝双金属复合材料时，铜和铝各自所占的比例会影响复合材料的导电性，相同比例的铜铝含量形成的复合材料，铜和铝所处的位置也会对材料的导电性形成影响。交流电的频率对集肤效应影响很大，频率越高，集肤效应越明显。当交流电的频率很高时，导体表面的电流密度很大，而导体内部的电流密度较小。这时，导体表面的材料对导体整体的导电性影响最大，因此，导体的表面可以用铜。而内部材料对导体整体的导电性影响相对较小，用铝代替也不会对整体的导电性有太大影响。
交变电流的频率不同，集肤效应的明显性不同，实际情况中对导电性的要求不同，因此不同情况下可以选择不用含铜量的铜铝双金属复合材料，以达到成本和导电性的平衡。
1.2 铜铝接头的制造及国内外应用状况
由于铜铝材复合材料同时具有铜和铝的优点，它导电性能优良，质量轻，成本便宜，具有很大的使用潜力。铜和铝的理化性能相差较大，常规的熔化焊方法难以加工形成焊接接头。制备铜铝接头的方法主要包括摩擦焊，爆炸焊，闪光焊和钎焊[5]。表11为铜和铝的一些物理性能。
表11 铜铝的物理性质
材料
密度/(kg/m3)
热导率（25℃）/[W/m(℃]
电阻率/(Ω(m)
线膨胀系数/(l/℃)
比热容（0100℃）/(J/kg(℃)
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究背景及意义 1
1.2 铜铝接头的制造及国内外应用状况 2
1.2.1 铜铝爆炸焊及其国内外发展状况 3
1.2.2 铜铝闪光焊、摩擦焊和钎焊及其发展 4
1.3 有限元分析及有限元分析软件 5
1.3.1 有限元分析法的发展 5
1.3.2 有限元分析软件 6
1.4 本文的研究目的和内容 7
第二章 材料和模拟分析方法及内容 8
2.1 引言 8
2.2 模拟分析材料模型 8
2.3 模拟分析过程 9
2.3.1 前处理 9
2.3.2 分析计算 11
2.3.3 后处理 11
第三章 电磁场模拟理论基础 13
3.1引言 13
3.2 材料属性 13
3.2.1 电阻率 13
3.2.2 导磁率和相对磁导率 14
3.3 麦克斯韦方程组 14
3.4 电磁场边界条件 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.5 电磁场有限元基础 16
3.5.1 瑞利里兹法 16
3.5.2 伽辽金法 17
3.6 本章小结 18
第四章 模拟结果与分析 19
4.1 引言 19
4.2 材料模型以及对数据的初步观察 19
4.3 电流大小对铜铝接头导电性能的影响 20
4.4 交流电频率对铜铝接头导电性的影响 22
4.5 铜层厚度对铜铝接头导电性的影响 26
4.6 交流电频率和铜层厚度对铜铝接头导电性能的共同影响 27
4.7 本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 本文的研究背景及意义
铜具有良好的延展性，又具有优良的导热性和导电性，广泛运用于电缆、电气和电子元件[12]，有时也用于建筑材料。由于铜的导电性能良好，并且使用寿命也较长，在用于导电的场合，铜所占的比重非常大。特别是我国目前正处于工业化阶段，对铜的需求非常大。但是地壳中铜的含量仅为0.01%，随着人们的不断开采，伴随着铜资源的短缺，铜的价格和成本不断上升。
铝及其合金密度小、强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀能力较强，除了金银等贵重金属外，铝的导电性仅次于铜，在用于导电的场合中，铝所占的比重也很大[3]。同时，铝在地壳中的含量非常大，仅次于氧和硅，居第三位，在所有的金属中，铝在地壳中的含量最高。这也使得铝的生产应用十分广泛。
铜和铝都是电的良导体，地壳中铜含量稀少，铝含量丰富。研究和提倡有色金属的代用品是我国发展国民经济的第一个五年计划中关于怎样节省有色金属的方法之一。我国的铜资源主要依靠进口，如果能够用技术含量高并且性能优异的材料代替铜材，可以摆脱对铜资源的进口依赖，还能节约成本。
现在人们说的以铜节铝与二十世纪六、七十年代所提倡的以铜代铝意义是不一样的，因为那个时候，铜作为国防物资，由于国外的封锁，难以进口。而现在的所说的以铜节铝的含义是：有的场合必需使用铜，这个时候就不能用铝代替；有的地方既可以用铜，也可以用铝，经过科学论证，能够用铝就尽力量用铝。铜铝双金属复合材料具有铜的导电导热率高的优点，又具有铝的质轻、耐腐蚀的优点。铜铝复合材料可以在满足质轻和价格便宜的条件下，达到与单一铜材接近的导电率和导热率。这样就可以达到节省铜，并缓解铜资源短缺的目的[4]。
铜的优点是导电性良好，与铜相比，铝的导电性相对较差。使用铜铝双金属复合材料时，即使忽略界面由于连接而产生的金属间化合物，由于铝的加入，会不同程度的影响到材料的导电性。使用的铝越多，对导电性的影响越大。而不同的使用环境对导电性的要求也不同。找到某些场合下的铜的含量与导电性之间的关系，可以对寻找含铜量与导电性的平衡点有所帮助。
我国的动力电和照明电都是使用交流电，由于交流电存在集肤效应，导体内部的电流分布并不均匀，越靠近导体的外表面，电流密度越大，导体内部的电流密度较小。因此在使用铜铝复合材料时，可以考虑导体的外表使用铜，而内部使用铝。
使用铜铝双金属复合材料时，铜和铝各自所占的比例会影响复合材料的导电性，相同比例的铜铝含量形成的复合材料，铜和铝所处的位置也会对材料的导电性形成影响。交流电的频率对集肤效应影响很大，频率越高，集肤效应越明显。当交流电的频率很高时，导体表面的电流密度很大，而导体内部的电流密度较小。这时，导体表面的材料对导体整体的导电性影响最大，因此，导体的表面可以用铜。而内部材料对导体整体的导电性影响相对较小，用铝代替也不会对整体的导电性有太大影响。
交变电流的频率不同，集肤效应的明显性不同，实际情况中对导电性的要求不同，因此不同情况下可以选择不用含铜量的铜铝双金属复合材料，以达到成本和导电性的平衡。
1.2 铜铝接头的制造及国内外应用状况
由于铜铝材复合材料同时具有铜和铝的优点，它导电性能优良，质量轻，成本便宜，具有很大的使用潜力。铜和铝的理化性能相差较大，常规的熔化焊方法难以加工形成焊接接头。制备铜铝接头的方法主要包括摩擦焊，爆炸焊，闪光焊和钎焊[5]。表11为铜和铝的一些物理性能。
表11 铜铝的物理性质
材料
密度/(kg/m3)
热导率（25℃）/[W/m(℃]
电阻率/(Ω(m)
线膨胀系数/(l/℃)
比热容（0100℃）/(J/kg(℃)
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