基于ANSYS的電連接器壓電分析和研究

范武健，王立強(qiáng)，杜永英，楊海南

（1.沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

電連接器是用來端接導(dǎo)體并與相應(yīng)的配對元件進(jìn)行插合和分離，以實現(xiàn)電路通斷的元件，是完成電信號的傳輸與控制以及電子與電氣元件間進(jìn)行點連接的基礎(chǔ)組件，在電子、機(jī)械、信息等領(lǐng)域中應(yīng)用范圍廣泛，發(fā)揮著重要的作用[1]，已經(jīng)發(fā)展成為電子電氣系統(tǒng)中主要的電功率、電信號的載體。電連接器質(zhì)量的好壞及可靠性的高低將對電氣電子設(shè)備的性能，以及控制系統(tǒng)的安全造成直接的影響。文獻(xiàn)[2]利用等效理論對電連接器接觸力的可靠性進(jìn)行了分析研究，文獻(xiàn)[3]對電連接器的熱性能進(jìn)行了分析研究。然而，基于壓電效應(yīng)所引起電連接器的結(jié)構(gòu)變形還很少有研究，因此，基于ANSYS 對電連接器進(jìn)行壓電分析和研究是很有必要的。

1 ANSYS 壓電分析與逆壓電效應(yīng)

1.1 ANSYS 壓電分析

有限元ANSYS 軟件是唯一能夠真正實現(xiàn)多物理耦合場分析的分析系統(tǒng)，它集電、熱、結(jié)構(gòu)、電磁、流體、聲學(xué)等多物理場求解功能與一體。耦合場分析是指考慮了兩個或多個工程物理場之間的相互作用的分析[4]。壓電材料在結(jié)構(gòu)變形與電學(xué)效應(yīng)方面具有機(jī)-電耦合特性，屬于多物理場的耦合問題。壓電分析是一種結(jié)構(gòu)—電場耦合分析，當(dāng)給壓電材料施加電壓時，壓電材料會產(chǎn)生位移，反之若使之振動，則會產(chǎn)生電壓。壓電耦合分析可使用的單元類型有Plane13、Solid5、Solid98、Plane223、Solid226、Solid227 單元。本文所用電連接器單針形狀是結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜的柱形體，可以選用Solid226 單元。

1.2 逆壓電效應(yīng)

壓電性為一種機(jī)電能量的現(xiàn)象，逆壓電效應(yīng)是當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，介質(zhì)會發(fā)生相應(yīng)的變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨著消失。壓電線性理論的基本耦合公式為：

用矩陣表示壓電耦合公式為[5]：

[T]=[C]{S}-[e]T{E}；[D]=[e]{S}+{ε}{E}

式中：[T]—應(yīng)力矩陣；[D]—電荷密度矩陣；{S}—應(yīng)變矩陣；{E}—電場強(qiáng)度矩陣；[C]—剛度矩陣；[e]—壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣；{ε}—介電常數(shù)矩陣。

2 單針電連接器配合的ANSYS 壓電分析

2.1 電連接器的參數(shù)

電連接器由于電流通過時，接觸面縮小會產(chǎn)生集中電阻[6]，而電連接器的電流一般較大，因此在電連接器的兩端會產(chǎn)生一定的電壓，電壓值可選為5V。

電連接器的壓電性能參數(shù)[7]：電連接器材料為錫磷青銅（QSn6.5-0.1）,材料密度8960kg/m3，彈性模量113Gpa，泊松比0.34，其它性能參數(shù)如表1 所示。

表1 電連接器的壓電性能參數(shù)Tab.1 Electric connector of the piezoelectric performance parameters

2.2 單元類型和網(wǎng)格劃分

此分析是壓電分析，將電壓施加在配合插針的兩端，故選用Solid226 單元，Solid226 具有20 個節(jié)點，每個節(jié)點最多含有五個自由度，設(shè)置Element sdge length為0.3，對模型進(jìn)行自由劃分單元網(wǎng)格。建立單針電連接器配合有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

2.3 電連接器靜態(tài)壓電分析

在弱信號下電場矢量E 和應(yīng)變矢量S 為線性關(guān)系，壓電方程矩陣[8]為：S=dtE，dt為壓電矩陣，它的展開式為：

圖1 單針電連接器有限元模型Fig.1 The finite element model single needle electric connector

電連接器的靜態(tài)壓電分析主要是分析電連接器上各點的電眼位移特性。通過各點的運動位移，可以知道電連接器的變形方式，從而了解電連接器的應(yīng)力和位移變形分布。電壓是施加在X 方向的兩端，由圖2～圖5 可以查看X、Y、Z 不同的位移分量圖，電連接器的最大位移變形發(fā)生在X 方向的一端為0.276×10-4mm。

由圖6、7 可以得到在壓電效應(yīng)作用下靜態(tài)壓電分析電連接器的應(yīng)力強(qiáng)度分布圖，應(yīng)力主要集中在電連接器的兩端、直徑過渡以及帶孔的周圍，最大應(yīng)力強(qiáng)度為0.339Mpa，最大機(jī)械應(yīng)力為0.324Mpa。

圖2 X 方向的位移分量Fig.2 X direction displacement component

圖3 Y 方向的位移分量Fig.3 Y direction displacement component

圖4 Z 方向的位移分量Fig.4 Z direction displacement component

圖5 電連接器的壓電位移變形Fig.5 Electric connector of the piezoelectric displacement deformation

圖6 電連接器壓電作用下應(yīng)力強(qiáng)度分布圖Fig.6 Under the action of electric connector piezoelectric stress intensity distribution

圖7 電連接器壓電作用下機(jī)械總應(yīng)力Fig.7 Electric connector mechanical total stress piezoelectric effect

3 結(jié)論

通過理論分析利用ANSYS 軟件建立了電連接器的有限元模型，利用有限元仿真，研究了單針電連接器配合在逆壓電效應(yīng)下對其性能的影響。結(jié)果表明： 逆壓電效應(yīng)對電連接器的結(jié)構(gòu)位移變形和應(yīng)力集中有一定的影響。因此在電連接器工作時，需要考慮到壓電效應(yīng)對其可靠性的影響；在設(shè)計電連接器結(jié)構(gòu)時，同樣需考慮在壓電效應(yīng)下結(jié)構(gòu)位移變化和應(yīng)力集中對電連接器的影響。

[1] 楊奮為.軍用電連接器的應(yīng)用及發(fā)展[J].機(jī)電元件，2007，3.

[2] Jennifer.Bower.Strutural design of an innovative electrical connector for satellite test of the equivalence principle [D].2008.

[3] SantoshV.Angadi and W.EverettWilson.A multi-physics finite element modelod an electrical connector considering rough surface contact[J] .2008.

[4] 胡仁喜，張秀輝.ANSYS14 自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[5] 趙增輝.超聲電機(jī)壓電振子的動力學(xué)特性研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.

[6] 楊奮為.電連接器的常見失效分析[J].上海航天，1996，2.

[7] 涂遠(yuǎn)，杜建江，王濤.壓電類智能層合結(jié)構(gòu)的ANSYS 仿真分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報，2005，4.

[8] 孫慷.壓電學(xué)[M].北京國防工業(yè)出版社，1984.