基于ANSYS的J599連接器溫升測試方法

魏榮航 朱寧

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009）

J599系列產品為圓形電連接器，是滿足GJB 599B–2012《耐環境快速分離高密度小圓形電連接器通用規范》的耐環境快速分離高密度小圓形電連接器，等效于MIL-DTL-38999標準。該系列產品在眾多系列的電連接器中無論是產品結構、技術性能指標和標準化程度，還是應用范圍一直都占有主導和領先地位。其以技術先進、類型齊全、可靠性高的特點受到各界的關注和青睞。自20世紀80年代我國部分軍事領域開始使用該系列產品[1]。

作為一種電子元器件，對于工作溫度也有一定要求。根據GJB 1217A-2009《電連接器試驗方法》，J599連接器環境溫度為125℃，連接器內部最高溫度為150℃，即內部最大溫升不能超過25℃。試驗測量溫度一般采用傳感器測量指定點，而傳感器很難放入連接器內部，一般都是測量接觸件尾端溫度，導致測量精度不高。用ANSYS軟件進行產品溫升分析，可以得到整個產品所有位置的溫度結果，可以有效解決實際測量困難的問題。

一般情況下，J599連接器溫升不會超過指標要求，但如果是因接觸件磨損、鍍層氧化、振動等原因則會導致接觸電阻增大，還有電流波動也會導致產品溫升的波動，所以分析接觸電阻、工作電流對產品溫升的影響也是很有必要的[2-3]。

圖1 J599連接器產品圖

1 J599連接器溫升建模

1.1 產品參數

J599連接器實物如圖1所示。使用的是22號接觸件，每個接觸件工作電流為3A，接觸電阻為5mΩ左右，環境溫度為125℃，要求最高溫升不超過25℃。

1.2 有限元模型

根據能量守恒定律，在平衡狀態時，連接器通電產生的熱等于其散熱總量。在空氣中，整體對外散熱主要靠熱對流和熱輻射，其內部熱量轉移主要靠熱傳導。在瞬態熱分析中，產生的熱和對外散發的熱不一定平衡。當產生熱大于散熱時，整體就升溫；當產生熱小于散熱時，整體就降溫；當產生熱與散熱平衡時，整體溫度穩定。對于固定電流工作的連接器，其整體溫度是先增長較快，后來增長平緩，最終達到平衡。

對外散熱功率 P1見公式 （1）：第一項為熱對流，與溫度差成正比；第二項為熱輻射，和溫度的四次方差成正比。可以看出，當溫度比較低時，熱對流占主導，當溫度越來越高時，熱輻射比重逐漸增加。本文分析的連接器工作環境溫度為125℃，熱輻射不能忽略。

連接器的發熱功率P2包含兩部分：自身電阻發熱和接觸電阻發熱。按公式 （2）進行計算。接觸件材料受其力學、使用環境、工藝等影響，一般選用鈹青銅或錫青銅，自身電阻部分一般是不變的。而接觸電阻受接觸件表面狀態和接觸壓力影響，是可控的，主要通過控制接觸電阻的大小來控制連接器的發熱功率。

公式 （1）和 （2）中，h——對流系數 （W/m2℃）；A——散熱面表面積 （m2）； σ——斯蒂芬一玻爾茲曼常數 （5.67×10-8W/m2℃4）； ε——放射率 （無量綱）；F——形狀系數 （默認是1）；T1——散熱面溫度 （℃）；T2——環境溫度 （℃）；R1——自身電阻 （Ω）；R2——接觸電阻 （Ω）。

2 J599連接器溫升性能仿真

2.1 仿真流程

先運用三維軟件Inventor進行J599連接器插頭插座的建模，然后導入到ANSYS Workbench中進行溫升仿真分析。仿真分析分為前處理、后處理。前處理主要進行仿真分析的相關設置；后處理是查看仿真分析的結果。

2.2 仿真前處理

2.2.1 模型處理

因為連接器結構較復雜，需要對其進行簡化。將屏蔽簧片、波形墊圈等對溫升影響很小的零件刪除，并忽略整體一些小特征。

2.2.2 邊界條件設置

溫度分析邊界條件如圖2所示。整體為J599插頭插座插合狀態模型，在接觸件表面加載功率密度載荷模擬接觸電阻發熱，接觸電阻為5mΩ，電流為3A，面積為 1.53×10-5m2，功率密度P/S=I2R/S= （32×0.005） /（1.53×10-5） =2941 （W/m2），加上125℃溫度下銅合金電阻會提升30%，最終功率密度為 2941×1.3=3823 （W/m2）， 如圖 2中“A”所示。給外表面加載對流和輻射載荷，輻射率查表為0.8，對流邊界如圖2中 “B”所示，輻射邊界如圖2中 “C”所示。

2.2.3 相關參數設置

表1所列為基座、封線體、接觸件和外殼的導熱系數。

圖2 溫度邊界條件設定

表1 材料設置

將整體結構以網格形式劃分為十節點四面體單元，共計劃分節點144709，單元77699。接觸設置方面采用默認容差值，保證接觸件、外殼和基座、封線體間的接觸，并檢查去除不該接觸的面，接觸類型使用默認的Bonded即可。

2.3 仿真分析結果

得出125℃環境溫度下產品穩態工作溫度分布剖視圖如圖3所示，溫度經過平均化處理，圖中顏色越深的部分表明溫度越高。最高溫度約為140℃，分布在中間接觸件上，即最大溫升為15℃，未超過產品的最大溫升指標25℃。

圖3 工作溫度分布圖

端子頭部溫升曲線如圖4所示，基座口部溫升曲線如圖5所示，可以看出，工作半小時后溫升基本穩定，最終端子頭部溫升比基座口溫升高9.6℃。

圖4 端子頭溫升曲線

圖5 基座口溫升曲線

2.4 接觸電阻影響分析

產品在實際使用中，在氧化、腐蝕、振動等因素的影響下會導致接觸件的接觸電阻產生波動，當接觸電阻增加過多時，產品溫升可能會超過其允許工作溫升，所以接觸電阻對溫升的影響分析十分必要。

J599產品每個接觸件接觸電阻為5mΩ，分析接觸電阻從2mΩ～10mΩ變化時溫升的變化，得出的端子頭部溫升和基座口部溫升見表2。從表2中可以看出，10mΩ接觸電阻時產品最高溫升已經超過產品最高溫升指標25℃，且端子頭部溫升和基座口部溫升成正比，比例約為2.9倍。為保證產品最大溫升不超過25℃，接觸電阻應控制在8mΩ以內。

表2 接觸電阻對溫升的影響

2.5 仿真結果與試驗結果的比較

對各種狀態接觸電阻的產品在125℃時的穩態工作溫升進行試驗，在產品上鉆一個小孔，用于監測內部端子頭部的溫升。得出J599產品實驗和仿真對比結果，見表3。

表3 試驗與仿真結果對比

從表3可以看出，仿真結果和實際結果很接近，仿真結果可以很好地模擬實際情況。

3 結論

本文基于ANSYS軟件對J599連接器的溫升進行仿真分析，并分析接觸電阻對產品溫升的影響。J599電連接器在最高環境溫度時的最大溫升為25℃，通過仿真和試驗相結合的方法，得出仿真結果的可靠性。通過分析比較端子頭部溫升和基座口部溫升，得出這兩者成正比且比值為2.9左右，這樣就可以通過監測基座口部的溫升來間接測量端子頭部的溫升。對接觸電阻的影響度分析得出該產品在125℃環境下工作時，單個接觸件接觸電阻應控制在8mΩ以內。分析結果和實測結果是一致的，表明驗證仿真是有效的。采用計算機仿真可以很好地模擬連接器溫升，對連接器設計有指導意義，同樣適用于其他系列連接器。

仿真分析可以有效地為設計提供理論參考，在設計初期使用仿真可以縮短研發周期，降低研發費用，保證設計一次成功率。對該產品的仿真和試驗得出了一種通過監測基座口部溫升來間接監測接觸件頭部溫升的方法，可以在不破壞產品的情況下進行溫升試驗，具有很強的實用性，而接觸電阻的影響分析也為設計提供依據。

［1］楊奮為.航天用電連接器的接觸可靠性研究［J］. 機電元件， 1999 （12）.

［2］呂斌，唐敏，周升俊.電連接器接觸優化設計研究 ［J］.計算機科學與技術，2006，24（3）.

［3］胡方，楊文英，劉俊.基于三維熱場有限元分析的電力連接器觸頭溫升測量方法.低壓電器， 2010 （11）.