基于ANSYS的某型号接触件电热耦合有限元分析

韦国娟，王俊龙，周莉明，周文颖，廖宇佳

(桂林航天电子有限公司，广西桂林，541002)

1 引言

电连接器可用于连接连两端有源器件，控制电路的通断，起到传输电流或信号的作用，在各类工程设备的电气系统中得到大量运用。因此，电连接器的质量直接影响了电气系统的性能可靠性，甚至影响到工程设备的使用安全性。电连接器核心组成部件按照性能可分为接触件、绝缘体两部分。电连接器通电时，由接触件承担传导电流的作用，而接触件为纯电阻元器件，因此电连接器的工作时产生的热量来自于接触件通电产生的焦耳热。在散热工况相同时，接触件通电产生的焦耳热越高，电连接器由此产生的温升越高。而过高的温升可能导致接触件接触不稳定、绝缘耐压性能下降等问题，从而影响电连接器的性能。由此可见，在研制电连接器初期，为确保满足产品的性能指标，在产品的研发过程中需对接触件通电时的温升情况进行分析，并根据分析结果判断产品是否满足产品的性能指标要求并对产品进行相应设计优化。

本文从理论层面分析接触件产生温升的原理，并以此为基础进行有限元分析。本文利用Creo绘制接触件几何模型，在ANSYS中导入几何模型进行电热耦合分析，对比有限元分析结果与实物实验结果，验证有限元模型的仿真准确度。有限元分析方法可通过理论计算代替实际物理实验，用准确度可保证的有限元模型进行实验，省去等待生产试验产品、用试验产品进行物理实验的环节，减少实验时间，对缩短产品设计周期起到积极作用。

2 温升产生原理

接触件的温升即为接触件通电工作时，接触件上最高温度与环境温度之差。接触件的最高温度在接触件的的生热与散热达到动态平衡，即生热功率与散热功率相等时才能达到稳定值，因此在计算温升时，需考虑影响生热功率及散热功率两方面的因素。

2.1 生热功率

接触件为纯电阻元器件，因此接触件生热功率符合欧姆定律，与流经接触件的电流的二次方以及接触件的电阻成正比。而接触件的电阻组成除了接触件本身的体积电阻以外，还包括两者接触处的接触电阻，接触电阻的表达式如式(1)，生热功率的表达式如式(2)。

(1)

式中，

Rj——接触电阻；

K——材料相关的接触系数，本文中K的取值为1×10-3；

F——接触压力；

m——接触类型，当接触类型为点接触时，m取0.3～0.5；当接触类型为线接触时，m取0.7～0.8；当接触类型为面接触时，m取1。

P1=I2(R+Rj)

(2)

式中，

P1——生热功率；

I——通电电流；

R——体积电阻。

2.2 散热功率

物体的热传递方式主要有热传导、热对流与热辐射。接触件由插针和插孔插接而成且体积较小，插针与插孔之间温度几乎相等，热传导功率可忽略不计，对于散热功率计算精度影响不大，因此本文插接件的散热功率仅考虑热对流与热辐射两方面，表达式如式(3)。

P2=P1+P2

(3)

式中，

P2——散热功率；

P1——热流率；

P2——热辐射率。

2.2.1 热对流

热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相混合导致的热量传递过程。对流传热可分为自然对流与强制对流，一般情况下，插接件的外表面与空气之间为自然对流关系，计算时对流传热系数应取空气自由对流传热系数。热对流的基本计算公式为牛顿冷却公式，表达式如式(4)。

P1=Ah(ts-tf)

(4)

式中，

A——散热面积；

h——对流传热系数；

ts——物体表面温度；

tf——流体温度。

2.2.2 热辐射

热辐射是物体因具有温度而利用电磁辐射的形式向外散发热量的一种传热方式。热辐射不需依靠外部媒介进行。热辐射遵循斯特藩-波尔兹曼定律，即一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总功率与黑体本身的热力学温度四次方成正比。运用到实际中，则体现为物体表面的热辐射受其材料、温度以及面积的影响。物体的温度越高，辐射总能量越大。热辐射的表达式如式(5)

P2=εσA(ts-tf)4

(5)

式中，

ε——辐射系数，其中0<ε<1，物体为绝对黑体时，ε=1；

σ——斯特藩-波尔兹曼常量，其值约为5.67×10-8W·m-2·K-4

ts——物体表面温度；

tf——流体温度。

2.3 温升

当物体的生热功率与散热功率达到动态平衡之后，即可根据式(6)计算出接触件最高温度，用最高温度减去环境温度即可计算得到温升。

P1=P2

(6)

3 接触件电热耦合有限元分析

许多工程问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程(常微分方程或偏微分方程)的问题，但能用解析方式求出精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题[1]。因此对于实际模型结构复杂且边界条件较多的问题分析时，引入有限元分析可以极大程度上缩短理论分析中的计算时间。本文中的接触件温升模型计算涉及到材料电阻率随温度上升而改变进而影响整体电阻大小的非线性问题，以及生热功率与散热率动态平衡问题，采用有限元分析能使理论分析结果更为精确。

有限元分析可分为前处理和计算、分析计算结果两部分，本文将围绕这两部分展开对插接件的电热耦合分析。

3.1 前处理

前处理步骤主要包括几何模型构建、有限元模型构建、边界条件设置。下面以钢性插针、线簧孔插孔，电流参数为5A的连接器产品举例建模分析。

3.1.1 几何模型构建

本文通过Creo三维绘图软件构建插接件几何模型，如图1所示。几何模型主要分为插针和插孔两部分，插针和插孔插合后依靠插针与插孔内套的6根铜丝过盈配合紧固在一起，插孔内部结构如图2所示。根据几何模型可知，插接件的电阻主要由插针、插孔的体积电阻以及插针与6根铜丝过盈配合处产生的接触电阻组成。

图1 插接件几何模型

3.1.2 有限元模型构建

有限元模型的构建在几何模型的基础上进行。将三维软件绘制的几何模型导入ANSYS后，对各零件赋予相应的材料参数，定义接触面类型及参数，最后选用符合精度要求的方法和尺寸大小划分单元，得到有限元模型。

某规格插接件中弯插针及插孔外套使用的材料是锡青铜，插孔内套使用的材料是黄铜合金，具体参数如表1所示。

检查几何模型导入ANSYS后自动生成的接触对，删除不存在接触关系的接触对，修改容差值确保接触件的接触部位得到定义，定义接触类型为Bonded。

由于接触件的外形主要由圆柱构成，不适合划分六面体网格，而采用四面体网格进行划分,全局尺寸参数设置为0.3mm，预测出现最高温度的部位插入局部尺寸控制，单元尺寸参数设置为0.1mm，最终划分得78278个节点，42057个单元。

3.1.3 边界条件设置

通过边界条件设置可以模拟插接件通电工作时的工作条件。首先在电模块中进行加载电流载荷，接触件一端定义为零电势面，另一端通以5A电流，即可模拟通电回路；其次在稳态热分析模块中将环境温度设置为22℃，将模拟时间设置为600秒，使得模拟计算时间足够插接件的最高温度达到动态平衡；在接触件与空气接触的表面加载热对流载荷，考虑到接触件工作环境下为自然对流，空气流动较小，对流传热系数设置为5W·m-2·℃-1;另外，在接触件的表面加载热辐射载荷，根据接触件表面镀层材料属性以及表面工艺查表可得，将热辐射系数设置为1，接触件之间存在的热辐射将热辐射系数设置为0.47；通过计算，将铜丝与插孔外套、铜丝与插针之间的接触部位设置接触电阻发热功率9.5×10-3W，完成所有边界设置。

边界条件设置完成后，有限元分析模型如图3、4所示。

图3 插接件电分析模型

3.2 后处理结果与实验结果对比

3.2.1 后处理结果分析

有限元分析前处理完成后提交计算，在计算结果中要求输出温度分布云像，得到的分析结果如图5所示。由此电热耦合分析结果可得，接触件达到热平衡状态后，整体温度在35℃左右，最高温度出现在插针与铜丝接触的部位，有限元分析结果中最高温度为35.717℃，最大温升约为13.7摄氏度。此时，接触件的温升低于30℃，对于接触件接触稳定性及绝缘耐压性能的影响可忽略不计，满足性能指标要求。

图4 插接件稳态热分析模型

图5 某规格接触件热稳态温度分布云图

3.2.2 实验对比

为验证以上分析结果的精确度，本文利用红外测温仪器对施加5A直流电的某规格接触件进行实验测试。接触件工作至热平衡后，最高温度出现的位置与电热耦合有限元分析的一致。实验所得接触件最高温度为34.3摄氏度，由此可得电热耦合有限元分析结果的准确度达到90%以上。实验设备如图6所示，实验结果如图7所示。

图6 接触件实验设备图

图7 实验结果图

从实验结果与有限元分析结果的对比来看，有限元分析的方法已经可以很大程度上接近产品真实工作情况，并且能够计算出产品整体的温度分布并且以图片的形式直观的表现出来，对于展现产品的工作性能具有一定帮助。

4 总结

本文利用ANSYS软件进行了某规格接触件的电热耦合分析，得出了接触件在5A电流下达到热平衡以后的最高温度，通过温度分布云图提取出最高温度出现的部位，并且得出接触件在此电流载荷下的最大温升，验证某规格接触件的最大温升低于30℃，同时进行物理实验验证此有限元分析的准确性。电热耦合分析的结果证明了此规格接触件在温升方面的设计合理性，为产品的设计提供了理论参考，并在产品设计的过程中减少了制作成品进行实验的时间，有效的缩短了产品设计周期。