基于PEEK注塑的石油電連接器仿真與設計研究

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、礦井勘探開采設備的大量使用，電連接器和接插件得到了蓬勃的發展，目前連接器的結構主要分為矩形連接器、圓形連接器等。由于石油設備需要承壓設計,設備一般采用圓形結構設計，設備內部轉換器和電連接器以圓形為主。根據使用環境和成本要求，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計結構提升PEEK注塑電連接器的耐液壓能力和耐溫能力，文獻[3]提出一種CAE技術在注塑成型中的應用。本文通過熱與結構仿真，快速提升產品的研發速率，并實現耐壓140MPa、耐溫200℃，耐壓175MPa、耐溫175℃產品的研發。

2 熱與結構力學耦合模型的建立

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構設計，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 電連接器的結構設計

本文電連接器采用支撐環和插針直接注塑成型，其幾何三維結構設計模型如圖所示。

圖1 連接器幾何結構設計模型

根據設計目的，并結合圖1可知，當連接器承壓時，支撐環端面作為支撐面承壓，支撐環與peek體的接觸面積與相同溫度下的壓力成正比。

根據連接器的結構設計圖可知，其熱量傳導模型可簡化為：外部環境、peek介質、金屬插針，且體積裁剪方式降低仿真計算量、提高計算速率，多芯注塑連接器的熱傳導有限元模型如圖2所示，其在熱傳導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有限元物理模型

圖3 連接器簡化模型的熱傳導有限元物理模型

2.2 連接器壓力與熱傳導計算

由于石油連接器承壓為軸向承壓，其承壓能力取決于結構設計和材料的彎曲強度，根據連接器的結構設計，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；

S——連接器的承壓面積；

s——軸向非支撐的面積；

Pf——初始壓強。

由公式1可知，溫度恒定環境下，支撐面積越大，承壓能力越強，故本文采用支撐環開孔式設計。

由于電連接處于溫度浮動較小的環境中，可認其工作環境為熱穩態環境，即認為通過傳導傳遞給表面的能量與通過對流傳遞的能量相等。

從工程設計考慮，石油類連接器一般為圓柱形結構，對連接器進行物理模型簡化成復合材料圓筒壁導熱結構，并搭建其數學模型，其數學模型如圖所示。

通過數學模型建立圓柱坐標系，壁內的溫度僅沿著徑向R進行傳導，其中內徑為r1、外徑為r2、長度為l，內外壁表面分別為均勻穩定的溫度tw1和tw2，且tw2>tw1。

圖4 熱傳導數學模型

根據傅里葉導熱定律，并結合連接器的熱傳導有限元模型，求解出連接器不同界面的溫度。

傅里葉導熱定律為

(2)

式中：qx——傳熱率在x軸的分量；

h——介質的導熱系數；

A——垂直于熱流的面積；

負號——熱量沿溫度降低的方向傳遞。

根據傅里葉導熱定律推導出連接器熱量傳導矩陣方程為

(3)

其中，h1、h2、A1、A2、T1、T4已知，故可求出T2、T3。

2.3 結構應變和熱應變的計算

根據連接器的承壓特征，連接器在外部壓力的作用下，發生軸向壓縮，其軸向應變計算方程為

(4)

式中：ε——結構應變；

σ——平均應力；

F——壓應力；

E——材料的彈性模量；

A——承壓面積。

根據材料溫度特性，連接器隨著溫度升高，發生軸向和徑向的熱膨脹，其熱應變公式為

ε=α(T-Tref)

(5)

式中：ε——熱應變；

α——熱膨脹系數；

T——實際環境溫度；

Tref——基準環境溫度。

通過peek材料牌號的選定，其材料的物理參數均為固定，可計算peek材料壓力和溫度條件下的應變，以及溫度條件下的應變。

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流動性、結晶性等。

3.1 模流仿真分析

根據PEEK注塑產品設計模型進行模流分析，其產品模型如圖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性，而且能夠使得peek顆粒結晶一致性較好，避免結晶度不均勻的問題，圖6為peek料流動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和氣穴分布。

圖6 peek料流動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和氣穴分布圖

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

圖8 注塑合件的變形圖

由模流分析圖8可知，注塑合件的形變為主要集中在0.01mm左右。

3.2 注塑產品分析

注塑件的重量是衡量注塑結構可靠性的一個重要指標，本文通過對26件注塑產品進行重量統計分析，如表所示。

表1 26件產品的重量統計分析

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

4 熱與結構力學耦合仿真

本文首先在仿真軟件中采用(熱)求解器進行分析，再使用熱和結構力學進行耦合分析。

4.1 電連接器的熱仿真

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

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構，為了降低計算量、加快仿真速度，本文對模型進行簡化，簡化為1/4結構，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，插針為對稱結構，其在密封環境內受熱均勻，其膨脹呈對稱趨勢。

基座的徑向膨脹0.007至-0.01mm范圍內，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，不會發生泄漏。

4.2 電連接器的熱與結構力學仿真

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度，以及產品支撐環的支撐面積[5]，本文支撐環設計為圓盤開孔式，此種方式增加了金屬支撐環對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，網格劃分采用6面體方式，其仿真結果如圖11基座的應力分布圖；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 連接器基座的應力分布圖

由圖11可知，基座的應力主要分布在支撐環接觸部和基座頂部，其最大值分布在支撐環過孔處，其值為74MPa左右，其值小于PEEK在200℃條件下的彎曲強度，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，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，方向朝頂端為正方向，最大形變位于基座與支撐環的接觸面，其最大值為0.215mm。

4.3 溫度對材料機械性能的影響

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

表2 材料與溫度的線性關系

本文對比兩種常用的加30%玻纖的增強型peek料，其彎曲強度隨著溫度的升高，不斷降低，兩者相比較，結合仿真分析多芯注塑連接器的最大應力在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的使用環境。

5 結束語

本文提出了利用仿真分析的方式，驗證注塑電連接器設計的合理性和可行性。首先，建立熱與結構力學耦合模型；其次，對PEEK注塑模流進行仿真分析，最后對熱仿真、熱與結構力學耦合仿真進行分析研究。使得本文設計的注塑電連接器滿足使用環境為140MPa、200℃和175℃、175MPa兩種環境的條件。