典型電連接器多應力耦合試驗設計及仿真分析*

張 彤

（海軍航空大學 煙臺 264000）

1 引言

溫度、電流和振動是可能導致電連接器性能退化的三大主要載荷，它們會造成接觸表面的損傷和變形，導致接觸件基體和其它結構的應力松弛等機械性能的變化。溫度與電流是不可避免相互影響的兩種載荷，溫度與振動也是相互之間會產(chǎn)生一定影響的兩種載荷。在已有試驗設備的支持條件下，設計實施了溫度-振動應力耦合試驗，通過實時監(jiān)測接觸電阻的變化，發(fā)現(xiàn)應力作用條件下，接觸電阻的變化規(guī)律，分析得出應力間的耦合機理。

振動導致的電連接器接觸表面機械變形和損壞會影響著電連接器的電性能、安全性能以及機械性能，也是電連接器性能退化的主要誘因之一［1～3］。在仿真方面，F(xiàn)LOWERS等使用ABAQUS對連接器進行了有限元建模和仿真，并分析了振幅和接觸相位與激勵頻率之間的關系［4］；王安麟等利用電子連接器微顫振磨損試驗的數(shù)據(jù)，采用田口法［5］得到了電子連接器失效機理的相關表達式；FLOWERS等分析了不同振動頻率和振動加速度下汽車連接器接觸電阻的變化規(guī)律，并指出存在臨界振動加速度［6～7］。駱燕燕等研究了交替振動下電連接器的應力松弛和磨損，并分析了接觸件接觸性能下降的原理［7］。

溫度對電連接器性能影響主要表現(xiàn)在熱力變形和對表面氧化速率的影響，而電應力的影響主要表現(xiàn)為電源的通斷電、電壓和電流的不穩(wěn)定等［8］。溫度與電流的影響是相互的。在熱電方面，K.Li等建立了靜態(tài)接觸的有限元模型，針對接觸區(qū)域的熱應力變化過程，研究了其接觸電阻的瞬態(tài)變化過程［9］。王龍泉［10］利用Pro/E5.0進行了各個組成部分零部件的實體建模與整體裝配，使用Workbench模擬電連接器在不同電流、不同環(huán)境溫度和不同芯數(shù)條件下的熱場分布以及分析其溫升變化情況，并進一步分析絕緣體材料的導熱系數(shù)對電連接器溫升變化的影響。

電連接器的工作并不是在單一應力條件下進行的，多種應力的同時作用也并不是簡單的疊加。應力間的作用存在著促進、抑制或更復雜的關系。為了深入研究應力間的耦合作用，為多應力試驗提供理論支撐，應力耦合仿真分析十分必要。應力耦合仿真分析可以通過有限元仿真來發(fā)現(xiàn)應力間的耦合機制，發(fā)現(xiàn)應力間的耦合作用，從機理層面解釋電連接器的性能退化，對電連接器的性能研究具有重要意義。

2 多應力試驗設計

2.1 溫度-振動應力試驗實施方案

以航空裝備大量使用的J599Ⅲ型電連接器為研究對象，在廣州某所CH650CVT15ESS溫度-濕度-振動三綜合試驗箱的基礎上搭建試驗平臺，如圖1所示。

圖1 溫度-濕度-振動三綜合試驗箱

首先，對電連接器進行溫度環(huán)境應力和振動掃頻疊加加載。在環(huán)境溫度分別為20℃、50℃、100℃、150℃和200℃下進行掃頻試驗，試驗箱設定溫度值，溫度穩(wěn)定后開始加載振動。振動中，設置振動頻率范圍為20Hz～1000Hz，頻率變換方法為20Hz～1000Hz、1000Hz～20Hz的連續(xù)對數(shù)掃頻，掃頻周期是1min，加速度分別為5g、10g和15g，對電連接器接觸電阻進行實時測量。然后，對電連接器進行頻率40Hz、溫度100℃、加速度5g下的高溫定頻振動試驗，同步監(jiān)測接觸電阻的實時變化情況。

2.2 試驗結果分析

溫度-振動應力試驗中，按照溫度值劃分為五組。每組測試分三個周期，分別對應5g、7.5g和10g三個掃頻加速度。每組試驗結束之后，下一組的設定溫度穩(wěn)定三十分鐘后開始實驗。圖2～圖5分別是不同環(huán)境溫度下的接觸電阻測試結果。每組試驗的每個周期內，接觸電阻波動規(guī)律大致相同。振動頻率在低頻段時，接觸電阻的波動最劇烈。在同一種溫度環(huán)境下，接觸電阻隨著振動加速度的增大而增大；同一振動加速度量級下，隨著環(huán)境溫度的升高，接觸電阻在100℃時出現(xiàn)了峰值，三種加速度下均出現(xiàn)了這一明顯的現(xiàn)象。

圖2 20℃接觸電阻測試結果

圖3 50℃接觸電阻測試結果

圖4 100℃接觸電阻測試結果

圖5 150℃接觸電阻測試結果

為深入研究接觸電阻在100℃時出現(xiàn)峰值這一現(xiàn)象，對不同溫度下的接觸電阻的峰值進行了分析，圖7是接觸電阻波動峰值最大值與環(huán)境溫度的關系，考慮對稱性，接觸電阻波動峰值取前半程測試值。

由圖6可知，當溫度低于100℃時，接觸電阻波動峰值基本上隨溫度的上升而增大，100℃附近出現(xiàn)極大值點，當溫度超過100℃時，接觸電阻瞬態(tài)峰值會有所下降。溫度低于100℃時，環(huán)境溫度的升高會造成接觸電阻瞬態(tài)峰值的增大，當溫度高于100℃時，環(huán)境溫度的升高對接觸電阻瞬態(tài)峰值有微弱的減小作用。

圖6 接觸電阻瞬態(tài)峰值與環(huán)境溫度的關系

這種情況可能是，一方面溫度的升高會導致殼體軟化，降低了螺紋連接強度，使螺紋連接松動，增加插針、插孔相對位移劇烈程度，金屬電阻率也隨溫度的升高而增大，接觸電阻的靜態(tài)值增大，波動峰值也會增大；另一方面，較高的溫度使表面鍍層和過渡鍍層軟化，接觸表面更容易產(chǎn)生塑形變形，插針、插孔之間能夠更容易有效接觸。這兩種作用綜合產(chǎn)生了圖6中的試驗現(xiàn)象，由于第二種作用對溫度要求較高，因此溫度低于100℃時，以第一種作用為主。

然后，為了更進一步地分析溫度環(huán)境應力和振動環(huán)境應力的綜合影響，對電連接器進行了高溫定頻試驗，保持環(huán)境溫度100℃穩(wěn)定1h后，在40Hz下持續(xù)定頻振動10min，加速度為5g，每50s劃定一區(qū)間，找出區(qū)間內接觸電阻波動峰值繪于圖7。

圖7 40Hz定頻振動接觸電阻變化趨勢圖

由圖7可知，接觸電阻初始峰值為7.8mΩ，振動最后50s接觸電阻的峰值為7.4mΩ，整個振動過程中接觸電阻的波動峰值下降了0.4mΩ。振動結束后，將650s～660s內的接觸電阻進行取得平均值為3.904mΩ，比振動之前靜態(tài)值低0.026mΩ，屬于噪聲量級，可認為振動前后靜態(tài)接觸保持不變。

這一現(xiàn)象的原因可能是由于振動過程針孔軸向的摩擦和徑向的擠壓作用會產(chǎn)生熱量，對接觸件的表面鍍層和過渡鍍層有軟化作用，使得接觸電阻的波動減小。振動加載時間越長，摩擦生熱累積越多，軟化作用越明顯，使得接觸電阻的波動峰值有所減小。而振動結束之后，積累的熱量散去，軟化復原，接觸電阻峰值又回升至靜態(tài)值。

3 熱-電-振動耦合仿真分析

溫度、電流和振動作為影響電連接器性能的主要應力，研究三者之間的影響關系和耦合機理十分必要。但是元器件的多場耦合仿真分析通常難度都比較大，需要做的簡化和等效較多，而且仿真結果驗證也比較困難。但是由于多場耦合分析貼近元器件的使用實際情況，研究意義比較重大，因此探索多場耦合的方法十分必要。

當接觸件的溫度發(fā)生變化時，尤其是不均勻的溫度場分布，不僅使接觸件基體材料和鍍層材料的力學特性發(fā)生變化，還會因為溫度場分布的不均勻導致接觸件產(chǎn)生熱應力，接觸件發(fā)生形變，影響了振動條件下接觸件的性能表現(xiàn)。振動帶來的摩擦和壓力變化會產(chǎn)生熱量，影響接觸件的溫度場分布?？紤]到溫度對振動的影響大于振動對溫度的影響，電流對振動的影響主要通過影響溫度來實現(xiàn)，且ANSYS Workbench多場耦合分析的單向性，因此本節(jié)僅研究電流、溫度變化時，對振動的影響。

3.1 應力場模型

電連接器使用環(huán)境中，正常電流產(chǎn)生的溫升效果以及工作環(huán)境的溫度，不足以使接觸件發(fā)生物質轉移等性質變化，且由于仿真軟件的限制，不考慮接觸表面的塑形變形，將接觸件的形變假設為彈性形變，符合熱彈性方程。熱彈性方程包括平衡方程、幾何方程與本構方程。

順序耦合方法來進行耦合應力分析時可以很好地提高求解效率，本節(jié)的順序耦合先進行熱－電耦合分析，再將分析結果輸入到振動分析中。

3.2 前處理及載荷設置

根據(jù)電連接器生產(chǎn)廠家提供的圖紙數(shù)據(jù)來建立GJB599A型電連接器插針插孔的三維模型，并對模型進行合理處理和簡化，接觸件模型如圖8所示。

圖8 接觸模型

定義插針、插孔基體材料為錫青銅，材料屬性如表1所示。

表1 接觸件基體材料熱、電屬性

根據(jù)實際使用情況，在插針尾端接線處端面施加電流載荷，電流載荷為0.1A～10A的參數(shù)變量。在靜力學分析模塊中，根據(jù)實際接觸件的安裝方法，設置插針、插孔的凸肩為固定面，導入溫度載荷，可以進行相應的熱應力分析。靜力學分析的結果導入模態(tài)分析，可以得到溫度、電流影響下的各階模態(tài)。模態(tài)分析結果導入諧響應分析模塊，設置頻率范圍從20Hz～1000Hz的掃頻，就可獲得溫度、電流影響下的動力學響應。

3.3 仿真結果及分析

熱-電分析模塊可以得到一定溫度和電流條件下，接觸件的溫度分布和電壓分布情況。電流載荷為0.1A、溫度為24.3℃時，接觸件的溫度場分布如圖9所示，電壓分布云圖如圖10所示。

圖9 溫度分布云圖

圖10 電壓分布云圖

由圖9可知，電流傳導過程中，當導電截面發(fā)生劇烈變化時，會產(chǎn)生顯著的焦耳熱效應，因此在插針的針部產(chǎn)生了顯著的焦耳熱，局部溫升達到了1.6℃。由圖10可知，由于導體電阻的存在，電壓沿電流方向成明顯的梯度遞減，在僅考慮導體電阻的情況下，一對接觸件在0.1A電流激勵下，可以產(chǎn)生4.7mV的電勢差。

將熱-電分析結果添加靜力學結構分析中，可以生成熱應力云圖和變形云圖，如圖11、圖12所示。由圖可知，當接觸件的凸肩面設為安裝固定面時，通電產(chǎn)生的焦耳熱會在插針的針部和插孔簧片部產(chǎn)生顯著的熱膨脹現(xiàn)象，由于凸肩面的限制，使得膨脹在凸肩面上產(chǎn)生最大熱應力，電流激勵為0.1A時，熱應力最大值的就可以達到51.2Mpa。由于兩端凸肩限制了針部和簧片的位移，因此針部和簧片的最大熱變形為0.27μm。

圖11 熱應力云圖

圖12 變形云圖

熱-電分析結果添加到模態(tài)分析中，得到溫度、電流影響下的固有頻率如表2所示。

表2 固有頻率

將電流設為參數(shù)變量，研究電流變化下，振動條件下接觸面變形量和接觸壓力變化情況，仿真結果如圖13、圖14所示。由圖可知，隨著電流載荷的增大，接觸面變形量會增大，接觸壓力會有一定程度的減小，這在一定程度上解釋了接觸界面在電流增大、溫度升高時，會產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，與試驗結果相一致。

圖13 接觸面變形量與電流關系圖

圖14 接觸壓力與電流關系圖

4 結語

本文設計溫度-振動應力試驗，研究了溫度、振動綜合施加對接觸電阻的影響規(guī)律。溫度和電負載都會造成電連接器接觸部位的溫升和接觸電阻的升高，環(huán)境溫度升高和電流增大造成接觸電阻增大的原因。一方面是因為高溫導致的接觸件溫度變形會對接觸壓力產(chǎn)生影響并軟化金屬鍍層，另一方面溫度的升高導致電接觸件的基體材料、鍍層材料和導線的電阻率的增大。溫度與振動綜合作用對接觸電阻產(chǎn)生顯著的疊加作用，對J599Ⅲ型電連接器在100℃附近疊加作用最為明顯，以100℃位分界線，低溫時，軟化鍍層降低磨損區(qū)域內的粗糙度和摩擦系數(shù)，延緩了接觸失效，但在不破壞鍍金層的高溫（>100℃）振動過程中，隨著摩擦生熱導致鍍層軟化加劇，接觸電阻的波動減小最終峰值減小，振動結束后，接觸區(qū)域熱量散去，鍍金層軟化復原，接觸電阻峰值又回升至靜態(tài)值。

通過ANSYS對電連接器接觸件的熱-電-振動應力進行了耦合分析，分析比較了應力耦合作用下接觸件的溫度、接觸電阻和應力應變情況，并與試驗結果進行了對比研究。一方面有助于完善試驗方法和試驗過程；另一方面，從機理層面解釋了應力耦合作用，對電連接器在綜合應力作用下的性能退化機理有更進一步的認識。