基于ANSYS仿真中连接器组件的二极管选择

郭振跃

(上海航天科工电器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

连接器广泛应用于航天、航空、船舶等各个领域，是系统的中枢神经[1]。密封连接器作为连接器的一个重要组成部分，广泛应用于航天、航空、核工业、兵器、舰船、电子、交通、计算机、通讯、医疗、石油勘探、复杂的军事环境和军用场合等领域。密封连接器有橡胶垫密封、胶密封、玻璃烧结密封等类型，在承受较高温度和压力的使用环境条件下，常选用玻璃烧结密封连接器。它可在高于橡胶或塑料所能承受的温度下工作，其密封性也比一般连接器高得多[2]。但是玻璃烧结过程较为复杂，选材及工艺参数设置的合理性对于烧结质量影响很大，设计不合理会导致烧结过程中玻璃子破裂，因此对玻璃烧结过程中玻璃子的热应力分析意义重大。

本文以某连接器组件为例进行分析，应用ANSYS的热-结构耦合模块，先用瞬态热分析得出整体降温过程中二极管的温度分布变化，导入结构分析得出玻璃烧结过程中玻璃子应力分布情况，确定了玻璃子上的最大应力位置，为二极管的选择提供了有力支撑。

由于主要分析二极管上玻璃子的应力，因此采用了四种不同类型的二极管。分别为：BWA50型二极管、2CZ103D型二极管、5°不同轴BWA50型二极管和5°不同轴2CZ103D型二极管，它们之间的区别如图1所示。通过仿真分析得出安全性能最佳的二极管类型，为设计连接器组件的二极管选择提供有力的依据。

图1 同轴与5°不同轴二极管

2 ANSYS热-结构耦合

ANSYS是目前国内应用最为广泛的有限元软件之一，特别是推出Workbench平台之后，操作上十分简便，各种耦合分析数据交互的便捷性方面更是一般软件难以比拟的。对于需要求解整体温度分布的热-结构耦合分析用热分析和结构分析两个模块进行数据交互，而对于已知整体温度边界条件的分析则只需要应用结构分析模块单独进行分析即可，因为ANSYS的结构分析模块中可以包含热膨胀系数、热导率等热参数。

ANSYS热分析基于傅里叶方程，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程解得：

[K(T)]{T}={a(T)}

(1)

固体内部的热流是[K]的基础，在降温过程中因为没有发热源，内部热流主要为各零件之间的热传导。热通量、热流率以及对流是{Q(T)}的边界条件，对流虽然和温度相关，但变化不大，可以近似为边界条件，静止空气环境下对流系数为5W/m2℃。

热应变由温度差和热膨胀系数得出：

ε=αΔT

(2)

最后可得热应力：σ=Eε

(3)

E为材料的弹性模量。

3 玻璃的强度

玻璃是一种脆性材料，其强度可以用抗拉、抗压、抗折、抗冲击等指标来表示。玻璃得到广泛应用的原因之一就是因为其抗压强度高，但是其抗拉、抗折强度则相对较低。一般玻璃的抗折强度为700MPa左右，抗拉强度为50～100MPa，而抗压强度则是抗拉强度的几十至一百倍。玻璃强度偏低的主要原因是玻璃的脆性和玻璃中存在微裂纹，尤其是表面裂纹和应力不均匀区。玻璃在受力时很难有效的将应力进行分散，容易产生应力集中从而导致玻璃破坏[3]。

玻璃和金属封接中玻璃应力主要有三类：热应力、结构应力和机械应力，本文主要讨论玻璃烧结过程，因此主要分析热应力和结构应力两部分。仿真得出的应力为最终总应力，按照玻璃最薄弱的应力为抗拉强度，因此主要依据该项指标对玻璃子强度进行分析即可。

4 仿真分析

4.1 二极管温冲分析

4.1.1 模型处理

因为连接器组件结构比较复杂，需要对其进行简化。将螺钉等对温冲影响很小的零件删除，并忽略整体一些小特征。保留印制板及四个二极管模型。

4.1.2 定义边界条件与载荷

二极管高温温冲为常温至60℃，低温温冲为常温至-55℃，因此温度模块中将环境温度设为22℃。高温温冲，对流中的环境温度从22℃升至60℃，低温温冲，对流中的环境温度从22℃降至-55℃。固定印制板中远离二极管处的安装孔。

4.1.3 定义材料、及网格划分

二极管及印制板各部分材料及对应的力学参数见表1。

表1 模型各零部件材料特性

考虑到仿真的精度，印制板和二极管采用系统自带最优等密度网格，网格划分如图2，共有955690个节点，245397个单元。

图2 整体网格划分

4.1.4 定义接触

二极管和印制板是焊接的，且主要考虑二极管中玻璃子自身应力是否超标，所以接触按照自动设定的Bonded类型，保留Workbench自动生成的86个接触对即可。

4.1.5 仿真结果分析

因为玻璃是抗压不抗拉的脆性材料，因此主要关注其最大主应力中的拉应力指标是否超出材料的抗拉强度。

得出高温温冲时玻璃子最大拉应力分布如图3。可以看出BWA50型二极管玻璃子上主应力比2CZ103D型二极管玻璃子上的主应力大。5°不同轴二极管上玻璃子主应力比同轴二极管上玻璃子主应力大，且BWA50二极管比2CZ103D二极管更加显著。

图3 高温温冲玻璃子最大主应力分布图

四个二极管玻璃子中不同轴BWA50玻璃子最大拉应力最大，为60MPa左右，达到玻璃子的抗拉强度，玻璃子有破裂风险，与实际相符。同时玻璃子的最大拉应力分布在玻璃子口部，实际若是应力超标时也会在这些部位出现裂纹，这点也和实际一致。

得出低温温冲时玻璃子最大拉应力分布如图4。可以看出BWA50型二极管玻璃子上主应力比2CZ103D型二极管玻璃子上的主应力大。5°不同轴二极管上玻璃子主应力比同轴二极管上玻璃子主应力大，且BWA50二极管比2CZ103D二极管更加显著。

图4 低温温冲玻璃子最大主应力分布图

四个二极管玻璃子中不同轴BWA50玻璃子最大拉应力最大，为50MPa左右，接近于玻璃子的抗拉强度，玻璃子有一定的破裂风险，与实际相符。同时玻璃子的最大拉应力也分布在玻璃子口部，实际若是应力超标时也会在这些部位出现裂纹，这点也和实际一致。

通过二极管玻璃子温冲分析，高温温冲和低温温冲仿真结果具有很强的相似性，BWA50型二极管玻璃子上主应力比2CZ103D型二极管玻璃子上的主应力大。5°不同轴二极管上玻璃子主应力比同轴二极管上玻璃子主应力大，且BWA50二极管比2CZ103D二极管更加显著。不管是低温温冲还是高温温冲，不同轴BWA50玻璃子都具有破裂风险，因此不能选用该类型二极管作为连接器组件中的零部件。发生破裂风险的主要原因是该类二极管轴向有偏差，以及BWA50型二极管比2CZ103D型二极管在连接处存在一定厚度的膨胀系数较小的硅铝片。最终选择轴向一致性较好的2CZ103D二极管作为本次连接器组件设计的元件。

4.2 连接器组件随机振动分析

4.2.1 模型处理

模型处理与温冲分析类似，同时保留连接器组件外壳。

4.2.2 定义边界条件与载荷

分析整个装配体在随机振动作用下的响应情况。首先要进行模态分析，对外壳外侧圆弧面进行了约束。分析中得到的前三阶固有频率如表2所示。三个方向随机振动条件如图5，按图5施加随机振动载荷。

表2 前三阶固有频率

图5 随机振动条件

4.2.3 定义材料、及网格划分

外壳材料为铝合金，二极管及印制板各部分材料及对应的力学参数与表一样。网格划分采用系统自带中等密度网格，网格划分如图6，共有125557个节点，36012个单元。

图6 整体网格划分

4.2.4 定义接触

二极管和印制板是焊接的，印制板由螺钉固定在外壳，且主要考虑二极管中玻璃子自身应力是否超标，所以接触按照自动设定的Bonded类型，保留Workbench自动生成的94个接触对即可。

4.2.5 仿真结果分析

因为玻璃是抗压不抗拉的脆性材料，因此主要关注其最大主应力中的拉应力指标是否超出材料的抗拉强度。仿真得到X、Y、Z向随机振动玻璃子3σ应力分布如图7、8、9，最大拉应力为Z向的8.2MPa，应力水平远小于玻璃子材料的抗拉强度，随机振动强度都没有问题。

图7 X向随机振动玻璃子3σ应力分布

图8 Y向随机振动玻璃子3σ应力分布

图9 Z向随机振动玻璃子3σ应力分布

5 结束语

本文对连接器组件中二极管的玻璃烧结过程用ANSYS热-结构耦合模块及随机振动模块进行了分析，比较了两种不同型号和同种型号不同轴共四种不同二极管模型在高温温冲和低温温冲以及随机振动下的应力水平。

通过仿真分析得出，高温温冲和低温温冲，BWA50型二极管玻璃子上主应力比2CZ103D型二极管玻璃子上的主应力大，并且5°不同轴二极管上玻璃子主应力比同轴二极管上玻璃子主应力大,且BWA50二极管比2CZ103D二极管更加显著。5°不同轴BWA50型二极管上玻璃子主应力最大为60MPa左右，达到玻璃子的抗拉强度，玻璃子有破裂风险。随机振动结果显示：Z向随机振动玻璃子3σ应力分布最大，最大拉应力约为8.2MPa，应力水平远小于材料抗拉强度，随机振动强度没有问题。

通过对玻璃子强度的分析，选择了轴向一致性较好的2CZ103D二极管，避免了二极管破裂的风险，为二级管的选择提供了有力依据。该分析方法同样适用于其它类型的玻璃烧结问题，在设计初期使用仿真可以缩短研发周期，降低研发费用，保证设计一次成功率，具有很强的实用性。