基于ANSYS仿真中連接器組件的二極管選擇

郭振躍

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

連接器廣泛應用于航天、航空、船舶等各個領域，是系統的中樞神經[1]。密封連接器作為連接器的一個重要組成部分，廣泛應用于航天、航空、核工業、兵器、艦船、電子、交通、計算機、通訊、醫療、石油勘探、復雜的軍事環境和軍用場合等領域。密封連接器有橡膠墊密封、膠密封、玻璃燒結密封等類型，在承受較高溫度和壓力的使用環境條件下，常選用玻璃燒結密封連接器。它可在高于橡膠或塑料所能承受的溫度下工作，其密封性也比一般連接器高得多[2]。但是玻璃燒結過程較為復雜，選材及工藝參數設置的合理性對于燒結質量影響很大，設計不合理會導致燒結過程中玻璃子破裂，因此對玻璃燒結過程中玻璃子的熱應力分析意義重大。

本文以某連接器組件為例進行分析，應用ANSYS的熱-結構耦合模塊，先用瞬態熱分析得出整體降溫過程中二極管的溫度分布變化，導入結構分析得出玻璃燒結過程中玻璃子應力分布情況，確定了玻璃子上的最大應力位置，為二極管的選擇提供了有力支撐。

由于主要分析二極管上玻璃子的應力，因此采用了四種不同類型的二極管。分別為：BWA50型二極管、2CZ103D型二極管、5°不同軸BWA50型二極管和5°不同軸2CZ103D型二極管，它們之間的區別如圖1所示。通過仿真分析得出安全性能最佳的二極管類型，為設計連接器組件的二極管選擇提供有力的依據。

圖1 同軸與5°不同軸二極管

2 ANSYS熱-結構耦合

ANSYS是目前國內應用最為廣泛的有限元軟件之一，特別是推出Workbench平臺之后，操作上十分簡便，各種耦合分析數據交互的便捷性方面更是一般軟件難以比擬的。對于需要求解整體溫度分布的熱-結構耦合分析用熱分析和結構分析兩個模塊進行數據交互，而對于已知整體溫度邊界條件的分析則只需要應用結構分析模塊單獨進行分析即可，因為ANSYS的結構分析模塊中可以包含熱膨脹系數、熱導率等熱參數。

ANSYS熱分析基于傅里葉方程，溫度矩陣{T}通過下面的矩陣方程解得：

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

(1)

固體內部的熱流是[K]的基礎，在降溫過程中因為沒有發熱源，內部熱流主要為各零件之間的熱傳導。熱通量、熱流率以及對流是{Q(T)}的邊界條件，對流雖然和溫度相關，但變化不大，可以近似為邊界條件，靜止空氣環境下對流系數為5W/m2℃。

熱應變由溫度差和熱膨脹系數得出：

ε=αΔT

(2)

最后可得熱應力：σ=Eε

(3)

E為材料的彈性模量。

3 玻璃的強度

玻璃是一種脆性材料，其強度可以用抗拉、抗壓、抗折、抗沖擊等指標來表示。玻璃得到廣泛應用的原因之一就是因為其抗壓強度高，但是其抗拉、抗折強度則相對較低。一般玻璃的抗折強度為700MPa左右，抗拉強度為50～100MPa，而抗壓強度則是抗拉強度的幾十至一百倍。玻璃強度偏低的主要原因是玻璃的脆性和玻璃中存在微裂紋，尤其是表面裂紋和應力不均勻區。玻璃在受力時很難有效的將應力進行分散，容易產生應力集中從而導致玻璃破壞[3]。

玻璃和金屬封接中玻璃應力主要有三類：熱應力、結構應力和機械應力，本文主要討論玻璃燒結過程，因此主要分析熱應力和結構應力兩部分。仿真得出的應力為最終總應力，按照玻璃最薄弱的應力為抗拉強度，因此主要依據該項指標對玻璃子強度進行分析即可。

4 仿真分析

4.1 二極管溫沖分析

4.1.1 模型處理

因為連接器組件結構比較復雜，需要對其進行簡化。將螺釘等對溫沖影響很小的零件刪除，并忽略整體一些小特征。保留印制板及四個二極管模型。

4.1.2 定義邊界條件與載荷

二極管高溫溫沖為常溫至60℃，低溫溫沖為常溫至-55℃，因此溫度模塊中將環境溫度設為22℃。高溫溫沖，對流中的環境溫度從22℃升至60℃，低溫溫沖，對流中的環境溫度從22℃降至-55℃。固定印制板中遠離二極管處的安裝孔。

4.1.3 定義材料、及網格劃分

二極管及印制板各部分材料及對應的力學參數見表1。

表1 模型各零部件材料特性

考慮到仿真的精度，印制板和二極管采用系統自帶最優等密度網格，網格劃分如圖2，共有955690個節點，245397個單元。

圖2 整體網格劃分

4.1.4 定義接觸

二極管和印制板是焊接的，且主要考慮二極管中玻璃子自身應力是否超標，所以接觸按照自動設定的Bonded類型，保留Workbench自動生成的86個接觸對即可。

4.1.5 仿真結果分析

因為玻璃是抗壓不抗拉的脆性材料，因此主要關注其最大主應力中的拉應力指標是否超出材料的抗拉強度。

得出高溫溫沖時玻璃子最大拉應力分布如圖3。可以看出BWA50型二極管玻璃子上主應力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應力大。5°不同軸二極管上玻璃子主應力比同軸二極管上玻璃子主應力大，且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。

圖3 高溫溫沖玻璃子最大主應力分布圖

四個二極管玻璃子中不同軸BWA50玻璃子最大拉應力最大，為60MPa左右，達到玻璃子的抗拉強度，玻璃子有破裂風險，與實際相符。同時玻璃子的最大拉應力分布在玻璃子口部，實際若是應力超標時也會在這些部位出現裂紋，這點也和實際一致。

得出低溫溫沖時玻璃子最大拉應力分布如圖4。可以看出BWA50型二極管玻璃子上主應力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應力大。5°不同軸二極管上玻璃子主應力比同軸二極管上玻璃子主應力大，且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。

圖4 低溫溫沖玻璃子最大主應力分布圖

四個二極管玻璃子中不同軸BWA50玻璃子最大拉應力最大，為50MPa左右，接近于玻璃子的抗拉強度，玻璃子有一定的破裂風險，與實際相符。同時玻璃子的最大拉應力也分布在玻璃子口部，實際若是應力超標時也會在這些部位出現裂紋，這點也和實際一致。

通過二極管玻璃子溫沖分析，高溫溫沖和低溫溫沖仿真結果具有很強的相似性，BWA50型二極管玻璃子上主應力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應力大。5°不同軸二極管上玻璃子主應力比同軸二極管上玻璃子主應力大，且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。不管是低溫溫沖還是高溫溫沖，不同軸BWA50玻璃子都具有破裂風險，因此不能選用該類型二極管作為連接器組件中的零部件。發生破裂風險的主要原因是該類二極管軸向有偏差，以及BWA50型二極管比2CZ103D型二極管在連接處存在一定厚度的膨脹系數較小的硅鋁片。最終選擇軸向一致性較好的2CZ103D二極管作為本次連接器組件設計的元件。

4.2 連接器組件隨機振動分析

4.2.1 模型處理

模型處理與溫沖分析類似，同時保留連接器組件外殼。

4.2.2 定義邊界條件與載荷

分析整個裝配體在隨機振動作用下的響應情況。首先要進行模態分析，對外殼外側圓弧面進行了約束。分析中得到的前三階固有頻率如表2所示。三個方向隨機振動條件如圖5，按圖5施加隨機振動載荷。

表2 前三階固有頻率

圖5 隨機振動條件

4.2.3 定義材料、及網格劃分

外殼材料為鋁合金，二極管及印制板各部分材料及對應的力學參數與表一樣。網格劃分采用系統自帶中等密度網格，網格劃分如圖6，共有125557個節點，36012個單元。

圖6 整體網格劃分

4.2.4 定義接觸

二極管和印制板是焊接的，印制板由螺釘固定在外殼，且主要考慮二極管中玻璃子自身應力是否超標，所以接觸按照自動設定的Bonded類型，保留Workbench自動生成的94個接觸對即可。

4.2.5 仿真結果分析

因為玻璃是抗壓不抗拉的脆性材料，因此主要關注其最大主應力中的拉應力指標是否超出材料的抗拉強度。仿真得到X、Y、Z向隨機振動玻璃子3σ應力分布如圖7、8、9，最大拉應力為Z向的8.2MPa，應力水平遠小于玻璃子材料的抗拉強度，隨機振動強度都沒有問題。

圖7 X向隨機振動玻璃子3σ應力分布

圖8 Y向隨機振動玻璃子3σ應力分布

圖9 Z向隨機振動玻璃子3σ應力分布

5 結束語

本文對連接器組件中二極管的玻璃燒結過程用ANSYS熱-結構耦合模塊及隨機振動模塊進行了分析，比較了兩種不同型號和同種型號不同軸共四種不同二極管模型在高溫溫沖和低溫溫沖以及隨機振動下的應力水平。

通過仿真分析得出，高溫溫沖和低溫溫沖，BWA50型二極管玻璃子上主應力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應力大，并且5°不同軸二極管上玻璃子主應力比同軸二極管上玻璃子主應力大,且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。5°不同軸BWA50型二極管上玻璃子主應力最大為60MPa左右，達到玻璃子的抗拉強度，玻璃子有破裂風險。隨機振動結果顯示：Z向隨機振動玻璃子3σ應力分布最大，最大拉應力約為8.2MPa，應力水平遠小于材料抗拉強度，隨機振動強度沒有問題。

通過對玻璃子強度的分析，選擇了軸向一致性較好的2CZ103D二極管，避免了二極管破裂的風險，為二級管的選擇提供了有力依據。該分析方法同樣適用于其它類型的玻璃燒結問題，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，具有很強的實用性。