基于PEEK注塑的石油電連接器仿真與設(shè)計(jì)研究

王敏興，朱 赫，杜建東

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009；蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇蘇州，215129))

1 引言

由于各種石油、礦井勘探開采設(shè)備的大量使用，電連接器和接插件得到了蓬勃的發(fā)展，目前連接器的結(jié)構(gòu)主要分為矩形連接器、圓形連接器等。由于石油設(shè)備需要承壓設(shè)計(jì),設(shè)備一般采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)換器和電連接器以圓形為主。根據(jù)使用環(huán)境和成本要求，石油連接器分為承壓電連接器和非承壓電連接器，其中承壓電連接器又可分為玻璃燒結(jié)電連接器[1]和PEEK注塑電連接器[2]。近年來，研究者和工程師們提出了不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提升PEEK注塑電連接器的耐液壓能力和耐溫能力，文獻(xiàn)[3]提出一種CAE技術(shù)在注塑成型中的應(yīng)用。本文通過熱與結(jié)構(gòu)仿真，快速提升產(chǎn)品的研發(fā)速率，并實(shí)現(xiàn)耐壓140MPa、耐溫200℃，耐壓175MPa、耐溫175℃產(chǎn)品的研發(fā)。

2 熱與結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合模型的建立

為了解決注塑連接器耐高溫、耐高壓力的問題，本文接下來提出了一種耐高溫高壓的多芯注塑連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得電氣性能滿足耐壓1000VAC，漏電流小于5mA；絕緣性能5000MΩ@500VDC；氣密性滿足1×10-3Pa.cm3/s。

2.1 電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文電連接器采用支撐環(huán)和插針直接注塑成型，其幾何三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖所示。

圖1 連接器幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

根據(jù)設(shè)計(jì)目的，并結(jié)合圖1可知，當(dāng)連接器承壓時(shí)，支撐環(huán)端面作為支撐面承壓，支撐環(huán)與peek體的接觸面積與相同溫度下的壓力成正比。

根據(jù)連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖可知，其熱量傳導(dǎo)模型可簡化為：外部環(huán)境、peek介質(zhì)、金屬插針，且體積裁剪方式降低仿真計(jì)算量、提高計(jì)算速率，多芯注塑連接器的熱傳導(dǎo)有限元模型如圖2所示，其在熱傳導(dǎo)分析可簡化為單芯模型，如圖3所示。

圖2 多芯連接器的熱傳導(dǎo)有限元物理模型

圖3 連接器簡化模型的熱傳導(dǎo)有限元物理模型

2.2 連接器壓力與熱傳導(dǎo)計(jì)算

由于石油連接器承壓為軸向承壓，其承壓能力取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的彎曲強(qiáng)度，根據(jù)連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溫度恒定條件下，連接器的承壓能力方程可表示為

(1)

式中：P——連接器承受的壓強(qiáng)；

S——連接器的承壓面積；

s——軸向非支撐的面積；

Pf——初始壓強(qiáng)。

由公式1可知，溫度恒定環(huán)境下，支撐面積越大，承壓能力越強(qiáng)，故本文采用支撐環(huán)開孔式設(shè)計(jì)。

由于電連接處于溫度浮動(dòng)較小的環(huán)境中，可認(rèn)其工作環(huán)境為熱穩(wěn)態(tài)環(huán)境，即認(rèn)為通過傳導(dǎo)傳遞給表面的能量與通過對流傳遞的能量相等。

從工程設(shè)計(jì)考慮，石油類連接器一般為圓柱形結(jié)構(gòu)，對連接器進(jìn)行物理模型簡化成復(fù)合材料圓筒壁導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，并搭建其數(shù)學(xué)模型，其數(shù)學(xué)模型如圖所示。

通過數(shù)學(xué)模型建立圓柱坐標(biāo)系，壁內(nèi)的溫度僅沿著徑向R進(jìn)行傳導(dǎo)，其中內(nèi)徑為r1、外徑為r2、長度為l，內(nèi)外壁表面分別為均勻穩(wěn)定的溫度tw1和tw2，且tw2>tw1。

圖4 熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，并結(jié)合連接器的熱傳導(dǎo)有限元模型，求解出連接器不同界面的溫度。

傅里葉導(dǎo)熱定律為

(2)

式中：qx——傳熱率在x軸的分量；

h——介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；

A——垂直于熱流的面積；

負(fù)號——熱量沿溫度降低的方向傳遞。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律推導(dǎo)出連接器熱量傳導(dǎo)矩陣方程為

(3)

其中，h1、h2、A1、A2、T1、T4已知，故可求出T2、T3。

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變和熱應(yīng)變的計(jì)算

根據(jù)連接器的承壓特征，連接器在外部壓力的作用下，發(fā)生軸向壓縮，其軸向應(yīng)變計(jì)算方程為

(4)

式中：ε——結(jié)構(gòu)應(yīng)變；

σ——平均應(yīng)力；

F——壓應(yīng)力；

E——材料的彈性模量；

A——承壓面積。

根據(jù)材料溫度特性，連接器隨著溫度升高，發(fā)生軸向和徑向的熱膨脹，其熱應(yīng)變公式為

ε=α(T-Tref)

(5)

式中：ε——熱應(yīng)變；

α——熱膨脹系數(shù)；

T——實(shí)際環(huán)境溫度；

Tref——基準(zhǔn)環(huán)境溫度。

通過peek材料牌號的選定，其材料的物理參數(shù)均為固定，可計(jì)算peek材料壓力和溫度條件下的應(yīng)變，以及溫度條件下的應(yīng)變。

3 PEEK注塑模流仿真分析

本文采用軟件對PEEK注塑的過程進(jìn)行模流分析，主要分析注塑過程中peek收縮率大小和各向收縮率的差異，以及peek流動(dòng)性、結(jié)晶性等。

3.1 模流仿真分析

根據(jù)PEEK注塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模流分析，其產(chǎn)品模型如圖5所示。

圖5 多芯連接器注塑合件模型

注塑溫度的控制尤為重量，它不僅能夠保證料的流動(dòng)性，而且能夠使得peek顆粒結(jié)晶一致性較好，避免結(jié)晶度不均勻的問題，圖6為peek料流動(dòng)前和填充后的溫度模型。

由于注塑過程是peek料體承壓的過程，隨著溫度的變化，peek材料在成型過程中存在一定的氣孔，且材料存在有一定的收縮性，兩者均關(guān)乎注塑合件的承壓特性和成型尺寸，圖7為注塑合件的縮痕指數(shù)和氣穴分布。

圖6 peek料流動(dòng)前和填充后的注塑模的溫度分布圖

圖7 注塑合件的縮痕指數(shù)和氣穴分布圖

注塑合件其變形直接影響產(chǎn)品的密封性和安裝尺寸，通過注塑模流對注塑合件進(jìn)行模流分析，如圖8所示。

圖8 注塑合件的變形圖

由模流分析圖8可知，注塑合件的形變?yōu)橹饕性?.01mm左右。

3.2 注塑產(chǎn)品分析

注塑件的重量是衡量注塑結(jié)構(gòu)可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，本文通過對26件注塑產(chǎn)品進(jìn)行重量統(tǒng)計(jì)分析，如表所示。

表1 26件產(chǎn)品的重量統(tǒng)計(jì)分析

由表可知，考慮支撐環(huán)和插針因公差導(dǎo)致產(chǎn)品重量不一致，在此取0.02g作為劃分差，產(chǎn)品重量服從高斯分布，主要集中在22.48g-22.54g范圍內(nèi)，產(chǎn)品重量一致性較好。

4 熱與結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合仿真

本文首先在仿真軟件中采用(熱)求解器進(jìn)行分析，再使用熱和結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行耦合分析。

4.1 電連接器的熱仿真

本文采用仿真模擬連接器的真實(shí)工作環(huán)境，求解連接器在200℃條件下的注塑材料的膨脹特征[4]，以檢驗(yàn)注塑連接器在熱環(huán)境下，是否會(huì)引起氣密性不良。

圖9 單針的徑向熱膨脹

圖10 peek基座的徑向熱膨脹圖

由于多芯注塑連接器的基座呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，為了降低計(jì)算量、加快仿真速度，本文對模型進(jìn)行簡化，簡化為1/4結(jié)構(gòu)，圖9為分析單針徑向熱膨脹圖，圖10為peek基座的徑向熱膨脹圖。

由圖9可知，插針的徑向膨脹0.018mm，插針為對稱結(jié)構(gòu)，其在密封環(huán)境內(nèi)受熱均勻，其膨脹呈對稱趨勢。

基座的徑向膨脹0.007至-0.01mm范圍內(nèi)，其值小于插針的徑向膨脹尺寸，可判斷為插針與基座緊密接觸，不會(huì)發(fā)生泄漏。

4.2 電連接器的熱與結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

注塑電連接器在相同材料和高溫條件下的承壓能力，取決于PEEK材料的熱條件下的抗拉強(qiáng)度，以及產(chǎn)品支撐環(huán)的支撐面積[5]，本文支撐環(huán)設(shè)計(jì)為圓盤開孔式，此種方式增加了金屬支撐環(huán)對peek基座的支撐面積。

本文對注塑連接器加載溫度條件為200℃和壓力條件為140MPa，網(wǎng)格劃分采用6面體方式，其仿真結(jié)果如圖11基座的應(yīng)力分布圖；圖12注塑連接器的形變分布圖；圖13為基座的形變分布圖。

圖11 連接器基座的應(yīng)力分布圖

由圖11可知，基座的應(yīng)力主要分布在支撐環(huán)接觸部和基座頂部，其最大值分布在支撐環(huán)過孔處，其值為74MPa左右，其值小于PEEK在200℃條件下的彎曲強(qiáng)度，如表2所示。

圖12 連接器的形變分布圖

由于連接器頂部為承壓端，參考面為支撐環(huán)，尾端為正方向，通過圖12可知，連接器的形變最大集中在頂部，其值最大為0.215mm。

圖13 基座形變分布圖

由圖13可知，參考面為支撐環(huán)，方向朝頂端為正方向，最大形變位于基座與支撐環(huán)的接觸面，其最大值為0.215mm。

4.3 溫度對材料機(jī)械性能的影響

PPEK材料作為一種耐高溫、自潤滑、易加工的工程塑料，其在石油連接器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其彎曲強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，表1為peek材料溫度與機(jī)械性能(彎曲強(qiáng)度)之間的關(guān)系。

表2 材料與溫度的線性關(guān)系

本文對比兩種常用的加30%玻纖的增強(qiáng)型peek料，其彎曲強(qiáng)度隨著溫度的升高，不斷降低，兩者相比較，結(jié)合仿真分析多芯注塑連接器的最大應(yīng)力在74MPa左右，22GL30的材料能夠滿足本文所述多芯注塑連接器在200℃和160MPa的使用環(huán)境。

5 結(jié)束語

本文提出了利用仿真分析的方式，驗(yàn)證注塑電連接器設(shè)計(jì)的合理性和可行性。首先，建立熱與結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合模型；其次，對PEEK注塑模流進(jìn)行仿真分析，最后對熱仿真、熱與結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合仿真進(jìn)行分析研究。使得本文設(shè)計(jì)的注塑電連接器滿足使用環(huán)境為140MPa、200℃和175℃、175MPa兩種環(huán)境的條件。