高溫環(huán)境下電連接器內(nèi)部溫度有限元仿真分析及試驗(yàn)

高 成 張 芮 黃姣英 趙 冬

北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京，100191

0 引言

電連接器為電氣終端之間提供連接與分離功能，可以實(shí)現(xiàn)電信號的傳遞、控制以及電連接，廣泛應(yīng)用于軍事裝備和航空航天設(shè)備中[1]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在所有的航空、航天系統(tǒng)故障中，由電連接器失效引起的故障占故障總數(shù)的30%左右，造成的損失無法估量，其中，接觸失效引發(fā)故障所占比例最高達(dá)到46.1%，而高溫是造成接觸失效的一個最主要的因素。

近年來有大量關(guān)于溫度對電連接器影響的研究。ANSYS軟件[2-3]是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場和耦合場分析于一體的通用有限元分析軟件。文獻(xiàn)[4-5]通過ANSYS對電連接器溫度場進(jìn)行了仿真分析，研究了不同溫度下電連接器的溫度場分布。文獻(xiàn)[6]通過建立高溫電連接器三維仿真模型，對不同高溫環(huán)境下電連接器的溫度場進(jìn)行了有限元仿真，并利用電磁加熱裝置和熱電偶測試，驗(yàn)證了有限元熱分析的正確性。文獻(xiàn)[7]對某型電連接器在不同環(huán)境溫度和振動應(yīng)力綜合作用下進(jìn)行失效分析，確定了主要失效機(jī)理并進(jìn)行了可靠性建模。文獻(xiàn)[8]研究了熱循環(huán)應(yīng)力對電連接器可靠性的影響。文獻(xiàn)[9]研究了溫度與振動對不同結(jié)構(gòu)尺寸電連接器壽命的影響。

當(dāng)電連接器工作的環(huán)境溫度特別高時，需要對電連接器內(nèi)部耐高溫性能有準(zhǔn)確的預(yù)估，以防止電連接器在工作時由于內(nèi)部溫度過高而導(dǎo)致的失效。因此，必須準(zhǔn)確地測量出高溫環(huán)境下電連接器的內(nèi)部溫度，用于對電連接器耐高溫性能的檢測，以保證在最嚴(yán)酷的使用環(huán)境下電連接器不會產(chǎn)生電接觸失效的現(xiàn)象。但由于電連接器零件多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且尺寸不規(guī)則，內(nèi)部溫度的測試有很大難度。

本文針對Y2型宇航分離脫落電連接器進(jìn)行電連接器內(nèi)部溫度的有限元仿真，基于自主設(shè)計(jì)的內(nèi)部溫度測試系統(tǒng)進(jìn)行電連接器內(nèi)部溫度檢測試驗(yàn)，通過對比分析試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，驗(yàn)證有限元仿真的正確性，并基于該仿真方法研究了芯數(shù)、工作電流及接觸電阻對電連接器內(nèi)部溫度的影響。

1 電連接器內(nèi)部溫度有限元仿真方法

1.1 電連接器特性分析

選擇8芯Y2型宇航分離脫落電連接器作為研究對象，其外形、尺寸和裝針絕緣體插合面視圖如圖1所示。

圖1 8芯Y2型圓形密封電連接器外形Fig.1 Shape of 8-core Y2 circular sealed electrical connector

在進(jìn)行仿真分析之前，需要分析電連接器與熱電耦合仿真相關(guān)的產(chǎn)品特性，了解該型電連接器各主要組成部分所用材料特性，以及接觸件的額定電流、接觸電阻和絕緣電阻等關(guān)鍵電氣參數(shù)。8芯Y2型圓形密封電連接器的具體參數(shù)如表1所示。

1.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

SolidWorks由于其建模功能強(qiáng)大、操作界面友好，提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，并以插件的形式集成了各種專業(yè)的分析模塊，因此而得到了廣泛的應(yīng)用[10]。進(jìn)行有限元分析時，在不影響溫度仿真模擬精度要求的前提下，對電連接器部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化：①螺紋對熱分析影響較小，無法導(dǎo)入ANSYS中，可將其改成光滑曲面；②忽略外形倒角、凸臺以及其余非關(guān)鍵的細(xì)節(jié)特征；③孔座、針座屬于電連接器絕緣體部分，在建立模型時將其簡化為一體。 最終基于SolidWorks構(gòu)建的Y2型8芯電連接器三維實(shí)體模型如圖2所示。

表1 8芯Y2型圓形密封電連接器部分參數(shù)Tab.1 Partial parameter of 8-core Y2 circular sealed electrical connector

圖2 8芯電連接器三維模型Fig.2 Three-dimensional model of 8-core electrical connector

本文建立的三維模型主要包括影響電連接器溫度變化和溫度分布的部件：接觸件、絕緣體和外殼體。網(wǎng)格劃分時，電連接器模型中對溫度變化影響最大的部分進(jìn)行加強(qiáng)細(xì)化處理，其他區(qū)域根據(jù)具體情況進(jìn)行網(wǎng)格大小調(diào)節(jié)，最終達(dá)到一種最理想的效果。因?yàn)榻佑|件是通過電流直接生熱的實(shí)體部分，所以設(shè)置其網(wǎng)格精度相關(guān)性為0，關(guān)聯(lián)中心為高級(fine)。絕緣體的關(guān)聯(lián)中心設(shè)置為中等(medium)，殼體的關(guān)聯(lián)中心設(shè)置為粗糙(coarse)。整體網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。

圖3 8芯電連接器網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Diagram of grid division for 8-core electrical connector

1.3 內(nèi)部溫度仿真結(jié)果分析

取電連接器的最高工作溫度125 ℃、105 ℃、85 ℃和70 ℃作為本次試驗(yàn)的環(huán)境溫度，通電電流設(shè)為8芯電連接器的額定電流3 A。先設(shè)置電連接器工作溫度為70 ℃，工作時間為2 h，得到的電連接器溫度仿真結(jié)果，如圖4所示。由圖4可以得出：①接觸件是本次電連接器仿真時唯一產(chǎn)熱的部件，通電的電連接器接觸件溫度最高，為73.444 ℃，高于環(huán)境溫度約3.444 ℃；②絕緣體上最高溫度為73.444 ℃，最低溫度為70.055 ℃；③殼體溫度幾乎不變，其最高溫與最低溫僅相差0.2 ℃，因?yàn)闅んw與絕緣體接觸，而絕緣體的材料質(zhì)量熱容較大，導(dǎo)熱性能差，而且殼體在電連接器工作時與外界進(jìn)行熱對流，所以其溫度變化很??；④整體的溫度變化規(guī)律是由接觸件向外溫度逐漸降低。最高溫度出現(xiàn)在位于或者距離所有通電接觸件幾何中心最近的接觸件上?？鬃撞恳?yàn)楹雎粤似渖幔云淦骄鶞囟雀哂谏喜科骄鶞囟取?/p>

(a)俯視圖

(b)X方向截面圖圖4 Y2型電連接器內(nèi)部溫度分布Fig.4 Internal temperature distribution of Y2 electrical connector

依次更改環(huán)境溫度為85 ℃、105 ℃、125 ℃，由仿真結(jié)果可以看出，在不同環(huán)境溫度下，電連接器的溫度分布情況是相似的，溫度變化規(guī)律也相同。環(huán)境溫度較高的電連接器生成的最終最高溫度較高，但溫升值大致相同，仿真所得內(nèi)部最高溫度及溫升如表2所示。

表2 電連接器最高溫度和溫升Tab.2 Maximum temperature and temperature rise of electrical connector

2 電連接器內(nèi)部溫度測試

2.1 環(huán)境溫度監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

本文使用DX312C保溫箱提供電連接器工作環(huán)境溫度，選用美國OMEGA公司生產(chǎn)的DR1609型溫度監(jiān)測儀，同時使用熱電偶傳感器與溫度監(jiān)測儀連接實(shí)現(xiàn)保溫箱內(nèi)環(huán)境溫度測試。將熱電偶直接放在保溫箱中的電連接器附近，誤差忽略不計(jì)，可認(rèn)為溫度監(jiān)測儀顯示的溫度即電連接器所處的環(huán)境溫度。

2.2 電連接器內(nèi)部溫度測試裝置設(shè)計(jì)

電連接器內(nèi)部溫度測試選用HOBO UX100鉑電阻溫度記錄儀和PT100型鉑電阻，鉑電阻采樣率為10 Hz，精度為±0.1 ℃，數(shù)據(jù)可同步上傳到PC機(jī)上。電連接器最高溫升位于接觸部位，溫升檢測值越接近最高溫升越能有效地反映電連接器內(nèi)部溫升情況。通過開孔，將鉑電阻緊貼接插件的表面實(shí)現(xiàn)電連接器內(nèi)部溫度檢測。

2.3 電連接器內(nèi)部溫度測試方案設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)的電連接器環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度測試裝置，進(jìn)行Y2型8芯電連接器內(nèi)部溫度測試。根據(jù)產(chǎn)品特性，設(shè)定最大試驗(yàn)電流為3A，通過高溫導(dǎo)線與接觸件相接進(jìn)行通電。測試中，通電2 h、斷電 0.5 h，直到溫度冷卻至室溫。具體操作步驟如下：① 將電連接器置于保溫箱中，用螺絲釘和壓板將電連接器固定在架子上；②將溫度監(jiān)測器連接的熱電偶溫度傳感器置于保溫箱中，利用導(dǎo)熱膠將其固定在電連接器外殼上；③以電連接器內(nèi)部中心為原點(diǎn)，取5個距離原點(diǎn)為等差數(shù)列的點(diǎn)，將鉑電阻溫度傳感器利用導(dǎo)熱膠分別固定在這5個點(diǎn)上，測試電連接器的內(nèi)部溫度；④設(shè)置保溫箱溫度，將利用鉑電阻溫度傳感器測得的溫度最高點(diǎn)記錄下來后，在相同的試驗(yàn)條件下，在該點(diǎn)重復(fù)測試溫度5次，每隔10 s采集一次數(shù)據(jù)并保存，將最高溫度偏差較大的數(shù)值剔除后，取最高溫度平均值；⑤分別設(shè)置保溫箱溫度為70 ℃、85 ℃、105 ℃、125 ℃;⑥重復(fù)步驟④、步驟⑤。實(shí)際測試實(shí)物見圖5。

圖5 電連接器內(nèi)部溫度試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.5 Physical diagram of internal temperature test of electric connector

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

按照上述溫度測試方法進(jìn)行電連接器內(nèi)部溫度測試試驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測電連接器接觸件的溫度。利用線性插值法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，得到電連接器內(nèi)部最高溫度，重復(fù)5次上述溫度測試試驗(yàn)，將溫度測試試驗(yàn)結(jié)果取平均值，并與仿真結(jié)果比較，得到仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差如表3所示。

表3 仿真最高溫度與試驗(yàn)最高溫度比較Tab.3 Comparison of maximum temperature between simulation and test

誤差的計(jì)算是仿真結(jié)果減去試驗(yàn)結(jié)果的絕對值與試驗(yàn)結(jié)果的比值，誤差產(chǎn)生原因可能是ANSYS仿真環(huán)境中傳熱系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，與實(shí)際傳熱系數(shù)存在差異。由表3可知，這4次試驗(yàn)中，誤差的平均值為3.875%，最大值為4.1%，最小值為3.6%，均未超過5%。由此可見利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，再使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行熱電耦合分析，可對工作狀態(tài)下的電連接器進(jìn)行內(nèi)部溫度測試仿真。

3 電連接器內(nèi)部溫度有限元仿真方法應(yīng)用

3.1 芯數(shù)對電連接器內(nèi)部溫度的影響

電連接器有多種不同的芯數(shù)，Y2型電連接器的接觸件從幾件到幾十上百件，不同芯數(shù)的電連接器的內(nèi)部溫度場也不同。本文選擇常用的四種芯數(shù)電連接器(8芯、24芯、36芯、50芯)進(jìn)行芯數(shù)與內(nèi)部溫度相關(guān)性的研究。在環(huán)境溫度為70 ℃下，對每種芯數(shù)的電連接器設(shè)定電流為3A，設(shè)置對流環(huán)境為Stagnant Air-Simplified Case(空氣靜止簡化模型)，分析其溫度場分布情況。圖6為不同芯數(shù)電連接器的內(nèi)部溫度場分布云圖。

(a)8芯

(b)24芯

(c)36芯

(d)50芯圖6 4種Y2型電連接器溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution diagram of 4 types Y2 electrical connectors

8芯內(nèi)部最高溫度為73.444 ℃，24芯內(nèi)部最高溫度為77.835 ℃，36芯內(nèi)部最高溫度為80.847 ℃，50芯內(nèi)部最高溫度為82.976 ℃，且4種芯數(shù)的電連接器溫度分布規(guī)律相似，均是接觸件中心位置溫度最高，內(nèi)部最高溫度的位置較為集中。由此可知，隨著接觸件數(shù)目的增加，電連接器內(nèi)部最高溫度不斷升高，同時溫升也增大。

3.2 電流對電連接器內(nèi)部溫度的影響

電連接器內(nèi)部接觸件材料都是由金屬構(gòu)成，電流經(jīng)過接觸件時，金屬本身的電阻以及接觸件表面的接觸電阻會產(chǎn)生熱量，當(dāng)接觸件產(chǎn)生的熱量超出正常范圍時，會導(dǎo)致電連接器內(nèi)部溫度過高，進(jìn)而接觸件插孔發(fā)生蠕變，彈力隨之降低，接觸件之間的接觸壓力變小，從而導(dǎo)致接觸不良，引起電連接器的故障。

本節(jié)在接觸電阻固定的情況下，研究工作電流對電連接器內(nèi)部溫度的影響。選取Y2型8芯、24芯、36芯電連接器，工作電流分別為3 A、5 A、7 A、9 A，環(huán)境溫度設(shè)置為70 ℃，不同芯數(shù)電連接器內(nèi)部最高溫度隨電流的變化曲線見圖7。

圖7 內(nèi)部最高溫度隨電流的變化Fig.7 The change of Internal maximum temperature with current

隨著電流的增大，電連接器內(nèi)部最高溫度逐漸升高，基本呈指數(shù)增長關(guān)系，電流由3 A增長到9 A，8芯、24芯、36芯電連接器內(nèi)部最高溫度分別由73.444 ℃、77.835 ℃、80.847 ℃升高到88.156 ℃、90.945 ℃、93.189 ℃，變化明顯。為避免電連接器內(nèi)部溫度過高，參考GJB1217—2009A方法1005中規(guī)定，70 ℃暴露溫度下連接器的內(nèi)部最高溫度應(yīng)不超過84 ℃，則根據(jù)仿真結(jié)果8芯電連接器工作時的電流應(yīng)不超過7 A，24芯電連接器工作時的電流應(yīng)不超過5 A，36芯電連接器工作時的電流應(yīng)不超過4 A?；诖朔椒梢源_定不同環(huán)境溫度下，不同芯數(shù)的電連接器最大工作電流。

3.3 接觸電阻對電連接器內(nèi)部溫度的影響

接觸件表面接觸電阻對于電連接器而言是重要的產(chǎn)熱源，接觸電阻的大小對電連接器最高內(nèi)部溫度有很大的影響。選取8芯、24芯、36芯、50芯Y2型電連接器，通過改變接觸件接觸電阻的大小，研究其對電連接器溫度場的影響。設(shè)置接觸電阻為1、2、3、4、5、6 mΩ，接觸件電流為3 A，環(huán)境溫度為85 ℃，仿真得到最高溫度隨接觸電阻變化的情況，如圖8所示。

圖8 最高溫度隨接觸電阻的變化Fig.8 The change of maximum temperature with contact resistance

隨著接觸電阻的增大，電連接器內(nèi)部最高溫度逐漸升高，電阻與最高溫度之間基本成線性關(guān)系，接觸電阻由1 mΩ變化至6 mΩ，24芯、36芯、50芯電連接器內(nèi)部溫度變化明顯，8芯內(nèi)部最高溫度變化較為平緩。參考GJB1217—2009A方法1005中規(guī)定，85 ℃暴露溫度下連接器的內(nèi)部最高溫度應(yīng)不超過102 ℃，則根據(jù)仿真結(jié)果，24芯電連接器允許的最大接觸電阻約為4 mΩ，36芯電連接器允許的最大接觸電阻應(yīng)小于3.5 mΩ，50芯電連接器允許的最大接觸電阻應(yīng)小于3 mΩ，而8芯電連接器由于內(nèi)部芯數(shù)較少，相同接觸電阻條件下發(fā)熱量少，故85 ℃暴露溫度下允許的最大接觸電阻相較于另外三種芯數(shù)電連接器最大接觸電阻明顯高。

4 結(jié)論

(1)建立Y2型宇航分離脫落電連接器的三維仿真模型，利用有限元分析軟件得到了電連接器在不同環(huán)境溫度下的內(nèi)部溫度分布及溫升。

(2)設(shè)計(jì)電連接器內(nèi)部溫度測試系統(tǒng)，完成8芯Y2型電連接器內(nèi)部溫度測試并驗(yàn)證了有限元分析的正確性。

(3)研究芯數(shù)、工作電流和接觸件接觸電阻對電連接器內(nèi)部溫度變化的影響，發(fā)現(xiàn)電連接器內(nèi)部最高溫度均隨這三個影響因素的增大而增大。