車用插接器電熱性能仿真分析

丁元淇，李曉英，李厚琨，賀占蜀

車用插接器電熱性能仿真分析

丁元淇1，李曉英1，李厚琨1，賀占蜀2

（1.河南天海電器有限公司，河南鶴壁458030；

2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）

插接器為一個電子系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)之間提供可分離接口，主要用于傳遞信號或發(fā)送功率。車用插接器的電熱性能直接影響著整個電子系統(tǒng)能否正常工作。本文采用有限元分析方法對車用插接器電熱性能進(jìn)行分析，基于Abaqus軟件建立有限元仿真模型，利用試驗(yàn)裝置對車用插接器溫度進(jìn)行測定。

插接器；仿真；Abaqus

目前全球汽車插接器約占連結(jié)器產(chǎn)業(yè)15%左右，未來有望在汽車電子產(chǎn)品的帶動下，占有更大的比例，中國車用插接器市場具有很大的發(fā)展?jié)摿?，隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，插接器將更多地實(shí)現(xiàn)本土化采購。車用插接器是溝通汽車各個獨(dú)立的汽車電子子系統(tǒng)的橋梁，連接后通過電流，使電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。車用插接器電熱性能直接影響電路電壓和電流穩(wěn)定情況，對車輛使用的安全性具有重要意義［1-2］。本文將有限元分析方法引入汽車插接器的電熱性能分析，運(yùn)用Abaqus軟件實(shí)現(xiàn)仿真分析，并采用試驗(yàn)裝置對插接器溫度進(jìn)行測定，驗(yàn)證仿真過程。

1　車用插接器電熱性能影響因素分析

1.1車用插接器電性能影響因素分析

車用插接器電性能影響主要分為兩方面，插接器自身電阻和插接器接觸電阻。插接器是由銅材沖壓變形后滿足一定的形狀，從而實(shí)現(xiàn)插頭與插座插接后有良好的接觸性能。在不考慮其它微小因素的影響下，車用插接器可視為純電阻電路。

車用插接器自身電阻滿足電阻率公式，在Abaqus計算可以得出［3］。電阻率是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，在溫度一定的情況下

式中：ρ——電阻率；S——橫截面積；R——電阻值；L——導(dǎo)線的長度。

接觸電阻是接觸對導(dǎo)體呈現(xiàn)的電阻，接觸電阻由收縮電阻、膜層電阻、導(dǎo)體電阻組成

式中：R——接觸電阻；Rc——收縮電阻；Rf——膜層電阻；Rp——導(dǎo)體電阻。

1.2車用插接器傳熱性能影響因素分析

傳熱有3種不同的機(jī)理：導(dǎo)熱、對流和熱輻射。熱量通過媒介在兩個物體間傳遞，或穿過單個物體，并且不引起任何形式的流體運(yùn)動，稱為熱傳導(dǎo)或?qū)?。?dǎo)體內(nèi)部的傳熱過程符合導(dǎo)熱的傳熱機(jī)理，可以用傅里葉導(dǎo)熱定律表達(dá)

式中：Q——導(dǎo)熱量；K——導(dǎo)熱系數(shù)；A——傳熱面積；T——溫度；X——在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)。

插接器暴露在空氣中，導(dǎo)體與空氣間既存在對流換熱又存在輻射換熱，對流換熱量正比于物體暴露在運(yùn)動流體下的表面積A，以及物體與流體之間的溫度差TS-T∞，用牛頓冷卻公式表達(dá)

式中：Qconv——傳熱功率；hconv——物質(zhì)的對流傳熱系數(shù)；A——傳熱面積；TS——物體的表面溫度；T∞——運(yùn)動流體的溫度。

兩個面對面放置的存在溫差的物體之間不存在介質(zhì)時，熱量通過電磁波或者光子進(jìn)行傳遞，稱為輻射換熱。物體與周圍環(huán)境之間的輻射換熱量

式中：Qrad——輻射換熱功率；ε——表面發(fā)射率；σ——斯特潘玻爾茲曼常數(shù)；A——表面積；TS——物體的表面溫度；Tsuvr——周圍環(huán)境的溫度。

實(shí)際工程應(yīng)用中對流和輻射同時存在的換熱稱為復(fù)合換熱，實(shí)際換熱功率是傳熱功率和輻射換熱功率兩者疊加

式中：Q——總換熱功率；Qconv——傳熱功率；Qrad——輻射換熱功率。

2　有限元模型建立

車用插接器端子與導(dǎo)線連接是通過端子尾部與導(dǎo)線壓接實(shí)現(xiàn)的。在本文中，端子尾部與導(dǎo)線做適當(dāng)簡化處理，將端子尾部處理成內(nèi)徑與導(dǎo)線線徑相同的圓筒狀，通過等效計算仍可實(shí)現(xiàn)對實(shí)際工況的模擬。

在Abaqus中建立仿真模型［4］，選用熱電耦合分析法，對插接器進(jìn)行仿真，單元類型選擇DC3D10E，建立有限元模型如圖1所示。

圖1　仿真模型

導(dǎo)體材料參數(shù)為：熱傳導(dǎo)系數(shù)0.1089W／（mm℃），電傳導(dǎo)系數(shù)14084.507Ωmm，密度8.47E-006kg／mm3，比熱容380J／（kg℃），電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)1。在不同溫度下，等效對流散熱系數(shù)分別為：30℃時，7.4258×10-6W／（mm2℃）；40℃時，9.1736×10-6W／（mm2℃）；50℃時，10.225 7×10-6W／（mm2℃）；60℃時，10.998 7×10-6W／（mm2℃）；70℃時，11.6085×10-6W／（mm2℃）；80℃時，12.162×10-6W／（mm2℃）；90℃時，12.628 6×10-6W／（mm2℃）。

3　仿真結(jié)果與試驗(yàn)

圖2所示分別為通入5A、8A、11A、14A、17A、20A電流的端子溫升云圖，最高溫升處溫度隨通入電流的增大而增大。試驗(yàn)如圖3所示。

圖2　不同電流下的溫度云圖

圖3　試驗(yàn)圖

在試驗(yàn)過程中按照仿真設(shè)置電流，分別通入5A、8A、11A、14A、17A、20A電流，通過數(shù)據(jù)采集儀記錄端子溫度變化，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)與仿真溫升曲線如圖4所示。5A時，4.89℃；8A時，12.39℃；11A時，22.43℃；14A時，35.22℃；17A時，50.62℃時；20A時，68.54℃。

圖4　試驗(yàn)與仿真溫升曲線

4　總結(jié)

本文對插接器端子進(jìn)行電熱耦合仿真，對插接器的電熱性能進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上建立有限元模型，運(yùn)用Abaqus進(jìn)行仿真計算，得出仿真結(jié)果。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真過程的實(shí)用性。對比試驗(yàn)與仿真溫升曲線可知，仿真曲線與試驗(yàn)曲線差異很小；插接器端子溫升隨通入電流增大而增大；通入電流時間100～200s，插接器端子溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

［1］X.Wang，L.Xu.The finite element model（FEM）analysis of thermal failure in connector［M］.in：Proc. of the 2nd ICREPEC Conf．in Xiamen，China，2007：235-240.

［2］R.Zauter，D.V.Kudashov.Precipitation hardened high copper alloys for connector pins made of wire［M］.in：Proc.of Conf.ICEC，Sendai，Japan，2006：257-261.

［3］石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析實(shí)例講解［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［4］江丙云，孔祥宏，羅元元．ABAQUS工程實(shí)例詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2014．

（編輯陳程）

Simulation Analysis of Electrical&Thermal Properties of Automotive Connectors

DING Yuan-qi1，LI Xiao-ying1，LI Hou-kun1，HE Zhan-shu2
（1.Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China；2.School of mechanical engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

The connector provides a separable interface between two electrical subsystems，to deliver the signal or the power.The electrical and thermal properties directly affect working status of the entire electrical system.In this paper，the electrical and thermal properties of connectors are analyzed using the finite element method based on simulation model built Abaqus，and measures the temperature of connectors with experiment devices.

connector；simulation；Abaqus

U463.62

A

1003-8639（2016）07-0039-03

2016-05-13；

2016-05-24

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15A460029）；中國博士后科學(xué)基金（2015M582199）；鄭州大學(xué)青年骨干教師資助計劃

丁元淇（1965-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品研發(fā)。