基于ANSYS的J599連接器溫升測試方法

魏榮航 朱寧

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009）

J599系列產(chǎn)品為圓形電連接器，是滿足GJB 599B–2012《耐環(huán)境快速分離高密度小圓形電連接器通用規(guī)范》的耐環(huán)境快速分離高密度小圓形電連接器，等效于MIL-DTL-38999標(biāo)準(zhǔn)。該系列產(chǎn)品在眾多系列的電連接器中無論是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化程度，還是應(yīng)用范圍一直都占有主導(dǎo)和領(lǐng)先地位。其以技術(shù)先進(jìn)、類型齊全、可靠性高的特點(diǎn)受到各界的關(guān)注和青睞。自20世紀(jì)80年代我國部分軍事領(lǐng)域開始使用該系列產(chǎn)品[1]。

作為一種電子元器件，對于工作溫度也有一定要求。根據(jù)GJB 1217A-2009《電連接器試驗(yàn)方法》，J599連接器環(huán)境溫度為125℃，連接器內(nèi)部最高溫度為150℃，即內(nèi)部最大溫升不能超過25℃。試驗(yàn)測量溫度一般采用傳感器測量指定點(diǎn)，而傳感器很難放入連接器內(nèi)部，一般都是測量接觸件尾端溫度，導(dǎo)致測量精度不高。用ANSYS軟件進(jìn)行產(chǎn)品溫升分析，可以得到整個產(chǎn)品所有位置的溫度結(jié)果，可以有效解決實(shí)際測量困難的問題。

一般情況下，J599連接器溫升不會超過指標(biāo)要求，但如果是因接觸件磨損、鍍層氧化、振動等原因則會導(dǎo)致接觸電阻增大，還有電流波動也會導(dǎo)致產(chǎn)品溫升的波動，所以分析接觸電阻、工作電流對產(chǎn)品溫升的影響也是很有必要的[2-3]。

圖1 J599連接器產(chǎn)品圖

1 J599連接器溫升建模

1.1 產(chǎn)品參數(shù)

J599連接器實(shí)物如圖1所示。使用的是22號接觸件，每個接觸件工作電流為3A，接觸電阻為5mΩ左右，環(huán)境溫度為125℃，要求最高溫升不超過25℃。

1.2 有限元模型

根據(jù)能量守恒定律，在平衡狀態(tài)時，連接器通電產(chǎn)生的熱等于其散熱總量。在空氣中，整體對外散熱主要靠熱對流和熱輻射，其內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移主要靠熱傳導(dǎo)。在瞬態(tài)熱分析中，產(chǎn)生的熱和對外散發(fā)的熱不一定平衡。當(dāng)產(chǎn)生熱大于散熱時，整體就升溫；當(dāng)產(chǎn)生熱小于散熱時，整體就降溫；當(dāng)產(chǎn)生熱與散熱平衡時，整體溫度穩(wěn)定。對于固定電流工作的連接器，其整體溫度是先增長較快，后來增長平緩，最終達(dá)到平衡。

對外散熱功率 P1見公式 （1）：第一項(xiàng)為熱對流，與溫度差成正比；第二項(xiàng)為熱輻射，和溫度的四次方差成正比?？梢钥闯觯?dāng)溫度比較低時，熱對流占主導(dǎo)，當(dāng)溫度越來越高時，熱輻射比重逐漸增加。本文分析的連接器工作環(huán)境溫度為125℃，熱輻射不能忽略。

連接器的發(fā)熱功率P2包含兩部分：自身電阻發(fā)熱和接觸電阻發(fā)熱。按公式 （2）進(jìn)行計(jì)算。接觸件材料受其力學(xué)、使用環(huán)境、工藝等影響，一般選用鈹青銅或錫青銅，自身電阻部分一般是不變的。而接觸電阻受接觸件表面狀態(tài)和接觸壓力影響，是可控的，主要通過控制接觸電阻的大小來控制連接器的發(fā)熱功率。

公式 （1）和 （2）中，h——對流系數(shù) （W/m2℃）；A——散熱面表面積 （m2）； σ——斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù) （5.67×10-8W/m2℃4）； ε——放射率 （無量綱）；F——形狀系數(shù) （默認(rèn)是1）；T1——散熱面溫度 （℃）；T2——環(huán)境溫度 （℃）；R1——自身電阻 （Ω）；R2——接觸電阻 （Ω）。

2 J599連接器溫升性能仿真

2.1 仿真流程

先運(yùn)用三維軟件Inventor進(jìn)行J599連接器插頭插座的建模，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行溫升仿真分析。仿真分析分為前處理、后處理。前處理主要進(jìn)行仿真分析的相關(guān)設(shè)置；后處理是查看仿真分析的結(jié)果。

2.2 仿真前處理

2.2.1 模型處理

因?yàn)檫B接器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要對其進(jìn)行簡化。將屏蔽簧片、波形墊圈等對溫升影響很小的零件刪除，并忽略整體一些小特征。

2.2.2 邊界條件設(shè)置

溫度分析邊界條件如圖2所示。整體為J599插頭插座插合狀態(tài)模型，在接觸件表面加載功率密度載荷模擬接觸電阻發(fā)熱，接觸電阻為5mΩ，電流為3A，面積為 1.53×10-5m2，功率密度P/S=I2R/S= （32×0.005） /（1.53×10-5） =2941 （W/m2），加上125℃溫度下銅合金電阻會提升30%，最終功率密度為 2941×1.3=3823 （W/m2）， 如圖 2中“A”所示。給外表面加載對流和輻射載荷，輻射率查表為0.8，對流邊界如圖2中 “B”所示，輻射邊界如圖2中 “C”所示。

2.2.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

表1所列為基座、封線體、接觸件和外殼的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 溫度邊界條件設(shè)定

表1 材料設(shè)置

將整體結(jié)構(gòu)以網(wǎng)格形式劃分為十節(jié)點(diǎn)四面體單元，共計(jì)劃分節(jié)點(diǎn)144709，單元77699。接觸設(shè)置方面采用默認(rèn)容差值，保證接觸件、外殼和基座、封線體間的接觸，并檢查去除不該接觸的面，接觸類型使用默認(rèn)的Bonded即可。

2.3 仿真分析結(jié)果

得出125℃環(huán)境溫度下產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)工作溫度分布剖視圖如圖3所示，溫度經(jīng)過平均化處理，圖中顏色越深的部分表明溫度越高。最高溫度約為140℃，分布在中間接觸件上，即最大溫升為15℃，未超過產(chǎn)品的最大溫升指標(biāo)25℃。

圖3 工作溫度分布圖

端子頭部溫升曲線如圖4所示，基座口部溫升曲線如圖5所示，可以看出，工作半小時后溫升基本穩(wěn)定，最終端子頭部溫升比基座口溫升高9.6℃。

圖4 端子頭溫升曲線

圖5 基座口溫升曲線

2.4 接觸電阻影響分析

產(chǎn)品在實(shí)際使用中，在氧化、腐蝕、振動等因素的影響下會導(dǎo)致接觸件的接觸電阻產(chǎn)生波動，當(dāng)接觸電阻增加過多時，產(chǎn)品溫升可能會超過其允許工作溫升，所以接觸電阻對溫升的影響分析十分必要。

J599產(chǎn)品每個接觸件接觸電阻為5mΩ，分析接觸電阻從2mΩ～10mΩ變化時溫升的變化，得出的端子頭部溫升和基座口部溫升見表2。從表2中可以看出，10mΩ接觸電阻時產(chǎn)品最高溫升已經(jīng)超過產(chǎn)品最高溫升指標(biāo)25℃，且端子頭部溫升和基座口部溫升成正比，比例約為2.9倍。為保證產(chǎn)品最大溫升不超過25℃，接觸電阻應(yīng)控制在8mΩ以內(nèi)。

表2 接觸電阻對溫升的影響

2.5 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

對各種狀態(tài)接觸電阻的產(chǎn)品在125℃時的穩(wěn)態(tài)工作溫升進(jìn)行試驗(yàn)，在產(chǎn)品上鉆一個小孔，用于監(jiān)測內(nèi)部端子頭部的溫升。得出J599產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)和仿真對比結(jié)果，見表3。

表3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

從表3可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果很接近，仿真結(jié)果可以很好地模擬實(shí)際情況。

3 結(jié)論

本文基于ANSYS軟件對J599連接器的溫升進(jìn)行仿真分析，并分析接觸電阻對產(chǎn)品溫升的影響。J599電連接器在最高環(huán)境溫度時的最大溫升為25℃，通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出仿真結(jié)果的可靠性。通過分析比較端子頭部溫升和基座口部溫升，得出這兩者成正比且比值為2.9左右，這樣就可以通過監(jiān)測基座口部的溫升來間接測量端子頭部的溫升。對接觸電阻的影響度分析得出該產(chǎn)品在125℃環(huán)境下工作時，單個接觸件接觸電阻應(yīng)控制在8mΩ以內(nèi)。分析結(jié)果和實(shí)測結(jié)果是一致的，表明驗(yàn)證仿真是有效的。采用計(jì)算機(jī)仿真可以很好地模擬連接器溫升，對連接器設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義，同樣適用于其他系列連接器。

仿真分析可以有效地為設(shè)計(jì)提供理論參考，在設(shè)計(jì)初期使用仿真可以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，保證設(shè)計(jì)一次成功率。對該產(chǎn)品的仿真和試驗(yàn)得出了一種通過監(jiān)測基座口部溫升來間接監(jiān)測接觸件頭部溫升的方法，可以在不破壞產(chǎn)品的情況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，而接觸電阻的影響分析也為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

［1］楊奮為.航天用電連接器的接觸可靠性研究［J］. 機(jī)電元件， 1999 （12）.

［2］呂斌，唐敏，周升俊.電連接器接觸優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 ［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，2006，24（3）.

［3］胡方，楊文英，劉俊.基于三維熱場有限元分析的電力連接器觸頭溫升測量方法.低壓電器， 2010 （11）.