基于熱分析的電連接器的溫度應(yīng)力研究

趙娟 劉江濤

摘 要：為了研究溫度對電連接器的影響，介紹了等效電阻，通過模擬電連接器的溫度場，得出電連接器溫度場分布情況，得出電連接器接觸面最高上升溫度約23.2℃的結(jié)論；通過對電連接器的溫度--結(jié)構(gòu)耦合場模擬，可以得出結(jié)論：溫度引起的熱變形對接觸應(yīng)力影響不大，溫度對電連接器的影響主要體現(xiàn)在金屬表面的氧化速率上。通過建模和理論分析，得到了溫度應(yīng)力下電連接器的失效物理過程和方程，為電連接器的可靠性設(shè)計開辟了新的思路。

關(guān)鍵詞：熱分析；電連接器；溫度應(yīng)力

電連接器是完成電信號傳輸和控制以及電子和電氣元件之間進(jìn)行電連接的基本組件。它廣泛應(yīng)用于電子，機(jī)械和信息領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要作用。一般電氣設(shè)備或電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行需要安裝各種電氣連接器。電氣連接器要求在使用設(shè)備系統(tǒng)環(huán)境的條件下能夠可靠的連接電路，信號傳輸，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其可靠性將直接影響整個設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作，滿足人們對系統(tǒng)的要求可靠性水平越來越高，對電連接器進(jìn)行可靠性分析已成為電子電氣設(shè)備研究的重要課題。一些學(xué)者在環(huán)境應(yīng)力空間電連接器的作用下為研究的可靠性，采用一些專家等效理論研究了電連接器接觸力的可靠性，分析了電熱連接器電連接器的一體化結(jié)構(gòu)，而焦耳熱的引起的電連接器的溫度應(yīng)力研究較少，因此，在分析熱電連接器溫度應(yīng)力的基礎(chǔ)上研究是必要的。

1電連接器接觸電阻的等效體確定

在電連接器中，由接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱是導(dǎo)致接觸部件溫度升高的主要因素。因此，接觸電阻的熱影響主要在建模和仿真過程中考慮。 同時，對流傳熱系數(shù)設(shè)定在電連接器的接觸部分的接觸頭外側(cè)的部分上。 綜上所述，在綜合考慮接觸接觸電阻和接觸片散熱對電連接器溫度場的影響的基礎(chǔ)上，建立了電連接器的溫度場分布模型，進(jìn)行了熱模擬分析。

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，電連接器判別失效依據(jù)：電連接器接觸電阻大于或等于5mΩ； 同時電連接器的溫升不應(yīng)超過30℃。通過額定電流的接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱是接觸頭熱量的主要來源。然而，在溫度場仿真分析過程中，接觸部分插頭的物理模型和單獨(dú)的電連接器的引腳不能準(zhǔn)確地反映接觸電阻的影響，這將導(dǎo)致大的誤差。因此，采用等效接觸電阻的方法。即，根據(jù)具體模型，接觸電阻被假定為靠近針式插座的環(huán)體，以及具體的等效結(jié)構(gòu)圖。

在介紹等效接觸電阻體的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了電連接器的接觸模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了電連接器溫度場的有限元仿真分析。該分析過程是穩(wěn)態(tài)分析，因?yàn)閼?yīng)包括接觸體之間的接觸分析，應(yīng)建立相應(yīng)的接觸對。為了實(shí)現(xiàn)接觸電阻等效體與插入針座之間的傳熱，實(shí)現(xiàn)熱交換，應(yīng)設(shè)定熱接觸傳導(dǎo)系數(shù)和具體參數(shù)。

2電連接器熱應(yīng)力的有限元仿真分析

利用已建立的電連接器模型，對溫升作用下的熱應(yīng)力耦合場進(jìn)行了有限元仿真分析，研究了溫升對接觸面應(yīng)力的影響。在對電連接器進(jìn)行接觸分析之前，有必要建立電連接器的接觸界面。目標(biāo)表面是盒的內(nèi)表面，并且接觸表面是銷的接觸表面。

3電連接器在溫度應(yīng)力作用下的失效物理過程及方程

電連接器接觸的失效分析表明，電連接器的接觸壽命取決于接觸電阻的增長率，接觸電阻的增長率由接觸表面的熱蠕變率和表面腐蝕的增長率決定。在正常工作溫度下，溫度對接觸面的應(yīng)力影響不大，因此溫度對表面的熱蠕變影響不大。通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析表明，在125℃時，即使溫度高于使用電連接器的常溫，錫青銅在2000小時內(nèi)的熱蠕變率僅為9.54×10-6 / s，十年蠕變變量后為0.921%。直徑約為1毫米的圓形電連接器接觸元件，在125℃溫度下應(yīng)力作用，10年后，產(chǎn)生的蠕變變熱效應(yīng)僅為9.21微米，遠(yuǎn)小于接觸面的彈性變形。同時，金屬材料的蠕變速率和溫度都滿足以下關(guān)系

ε（t）=C0σ5 exp –[]

ε（t）—蠕變速率；C0—折算系數(shù)；σ—金屬表面所受到的正應(yīng)力；W—金屬材料自由擴(kuò)散的激活能（eV）；k—玻爾茲曼常數(shù)（0.8617×10-4eV/K）；T—熱力學(xué)溫度（K）

可以看出，蠕變速率隨溫度的降低呈指數(shù)變化。電連接器的接觸電阻增長率主要取決于氧化膜在接觸率表面上的生長，因此，只要考慮到溫度作用下的氧化膜速度增長，就可以反映出電連接器的接觸電阻的生長情況，可以得出電連接器接觸壽命和溫度應(yīng)力之間的關(guān)系。

根據(jù)氧化膜的形成機(jī)理和質(zhì)量作用定律，化學(xué)反應(yīng)速度與此時每種反應(yīng)物的濃度成正比，該反應(yīng)物的濃度方次等于每種化學(xué)式的化學(xué)系數(shù)。在這種情況下，xA+yB→zC

式中：x，y，z—常數(shù)，在某一瞬時，分別以CA、CB和CC表示A、B和C的濃度，則該瞬間的反應(yīng)速率為：

式中：A—反應(yīng)速度常數(shù)。該值只與反應(yīng)物的溫度有關(guān)系。在由反應(yīng)物轉(zhuǎn)換成生成物的過程中存在著一個稱為激活能ΔW 的能量勢壘，同時，溫度越高，反應(yīng)的速度也就越快。因而，反應(yīng)速度常數(shù)A 和活化分子的頻數(shù)二者滿足下列關(guān)系：A與e-Δw/kT成正比。

其中：α—頻數(shù)因子；ΔW—激活能（eV）；k—玻爾茲曼常數(shù)（0.8167×10-4eV/K）；T—絕對溫度（K）

4結(jié)語

（1）通過引入等效電阻，通過模擬電連接器的溫度場，得出電連接器的溫度場分布和最高溫度為23.2℃的接觸面。（2）通過對電連接器溫度 - 結(jié)構(gòu)耦合場的仿真分析，得出溫度引起的熱變形對接觸應(yīng)力影響不大。溫度對電連接器的影響主要表現(xiàn)在金屬表面的氧化速率。（3）得到了電連接器在溫度應(yīng)力作用下的失效物理過程，并將其失效物理方程推導(dǎo)為阿倫尼烏斯方程，為電連接器的可靠性設(shè)計提供了有力的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜永英，孫志禮，王宇寧，欒天輝，馬交成.基于熱分析的電連接器的溫度應(yīng)力研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013（10）：42-44.

[2]申敏敏. 電連接器恒定應(yīng)力加速退化建模與驗(yàn)證[D].浙江理工大學(xué)，2017.

[3]許成彬，潘駿，陳文華，賀青川，張利彬，梁俊.高溫電連接器有限元熱分析與接觸件插拔試驗(yàn)[J].工程設(shè)計學(xué)報，2015，22（03）：250-255.

[4]駱燕燕，王振，李曉寧，劉磊.電連接器熱循環(huán)加速試驗(yàn)與失效分析研究[J].兵工學(xué)報，2014，35（11）：1908-1913.

[5]陳文華，高亮，李星軍，劉娟，盧獻(xiàn)彪.航天電連接器絕緣電阻隨真空度和溫度變化規(guī)律的研究[J].中國機(jī)械工程，2011，22（22）：2727-2732.

[6]李志博，朱瑪，張高峰.ANSYS在電連接器溫升分析中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（05）：189-192.