基于ANSYS的某型號接觸件電熱耦合有限元分析

韋國娟，王俊龍，周莉明，周文穎，廖宇佳

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

電連接器可用于連接連兩端有源器件，控制電路的通斷，起到傳輸電流或信號的作用，在各類工程設備的電氣系統中得到大量運用。因此，電連接器的質量直接影響了電氣系統的性能可靠性，甚至影響到工程設備的使用安全性。電連接器核心組成部件按照性能可分為接觸件、絕緣體兩部分。電連接器通電時，由接觸件承擔傳導電流的作用，而接觸件為純電阻元器件，因此電連接器的工作時產生的熱量來自于接觸件通電產生的焦耳熱。在散熱工況相同時，接觸件通電產生的焦耳熱越高，電連接器由此產生的溫升越高。而過高的溫升可能導致接觸件接觸不穩定、絕緣耐壓性能下降等問題，從而影響電連接器的性能。由此可見，在研制電連接器初期，為確保滿足產品的性能指標，在產品的研發過程中需對接觸件通電時的溫升情況進行分析，并根據分析結果判斷產品是否滿足產品的性能指標要求并對產品進行相應設計優化。

本文從理論層面分析接觸件產生溫升的原理，并以此為基礎進行有限元分析。本文利用Creo繪制接觸件幾何模型，在ANSYS中導入幾何模型進行電熱耦合分析，對比有限元分析結果與實物實驗結果，驗證有限元模型的仿真準確度。有限元分析方法可通過理論計算代替實際物理實驗，用準確度可保證的有限元模型進行實驗，省去等待生產試驗產品、用試驗產品進行物理實驗的環節，減少實驗時間，對縮短產品設計周期起到積極作用。

2 溫升產生原理

接觸件的溫升即為接觸件通電工作時，接觸件上最高溫度與環境溫度之差。接觸件的最高溫度在接觸件的的生熱與散熱達到動態平衡，即生熱功率與散熱功率相等時才能達到穩定值，因此在計算溫升時，需考慮影響生熱功率及散熱功率兩方面的因素。

2.1 生熱功率

接觸件為純電阻元器件，因此接觸件生熱功率符合歐姆定律，與流經接觸件的電流的二次方以及接觸件的電阻成正比。而接觸件的電阻組成除了接觸件本身的體積電阻以外，還包括兩者接觸處的接觸電阻，接觸電阻的表達式如式(1)，生熱功率的表達式如式(2)。

(1)

式中，

Rj——接觸電阻；

K——材料相關的接觸系數，本文中K的取值為1×10-3；

F——接觸壓力；

m——接觸類型，當接觸類型為點接觸時，m取0.3～0.5；當接觸類型為線接觸時，m取0.7～0.8；當接觸類型為面接觸時，m取1。

P1=I2(R+Rj)

(2)

式中，

P1——生熱功率；

I——通電電流；

R——體積電阻。

2.2 散熱功率

物體的熱傳遞方式主要有熱傳導、熱對流與熱輻射。接觸件由插針和插孔插接而成且體積較小，插針與插孔之間溫度幾乎相等，熱傳導功率可忽略不計，對于散熱功率計算精度影響不大，因此本文插接件的散熱功率僅考慮熱對流與熱輻射兩方面，表達式如式(3)。

P2=P1+P2

(3)

式中，

P2——散熱功率；

P1——熱流率；

P2——熱輻射率。

2.2.1 熱對流

熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相混合導致的熱量傳遞過程。對流傳熱可分為自然對流與強制對流，一般情況下，插接件的外表面與空氣之間為自然對流關系，計算時對流傳熱系數應取空氣自由對流傳熱系數。熱對流的基本計算公式為牛頓冷卻公式，表達式如式(4)。

P1=Ah(ts-tf)

(4)

式中，

A——散熱面積；

h——對流傳熱系數；

ts——物體表面溫度；

tf——流體溫度。

2.2.2 熱輻射

熱輻射是物體因具有溫度而利用電磁輻射的形式向外散發熱量的一種傳熱方式。熱輻射不需依靠外部媒介進行。熱輻射遵循斯特藩-波爾茲曼定律，即一個黑體表面單位面積在單位時間內輻射出的總功率與黑體本身的熱力學溫度四次方成正比。運用到實際中，則體現為物體表面的熱輻射受其材料、溫度以及面積的影響。物體的溫度越高，輻射總能量越大。熱輻射的表達式如式(5)

P2=εσA(ts-tf)4

(5)

式中，

ε——輻射系數，其中0<ε<1，物體為絕對黑體時，ε=1；

σ——斯特藩-波爾茲曼常量，其值約為5.67×10-8W·m-2·K-4

ts——物體表面溫度；

tf——流體溫度。

2.3 溫升

當物體的生熱功率與散熱功率達到動態平衡之后，即可根據式(6)計算出接觸件最高溫度，用最高溫度減去環境溫度即可計算得到溫升。

P1=P2

(6)

3 接觸件電熱耦合有限元分析

許多工程問題，如固體力學中的位移場和應力場分析、電磁學中的電磁場分析、振動特性分析、傳熱學中的溫度場分析、流體力學中的流場分析等，都可歸結為在給定邊界條件下求解其控制方程(常微分方程或偏微分方程)的問題，但能用解析方式求出精確解的只是方程性質比較簡單，且幾何邊界相當規則的少數問題[1]。因此對于實際模型結構復雜且邊界條件較多的問題分析時，引入有限元分析可以極大程度上縮短理論分析中的計算時間。本文中的接觸件溫升模型計算涉及到材料電阻率隨溫度上升而改變進而影響整體電阻大小的非線性問題，以及生熱功率與散熱率動態平衡問題，采用有限元分析能使理論分析結果更為精確。

有限元分析可分為前處理和計算、分析計算結果兩部分，本文將圍繞這兩部分展開對插接件的電熱耦合分析。

3.1 前處理

前處理步驟主要包括幾何模型構建、有限元模型構建、邊界條件設置。下面以鋼性插針、線簧孔插孔，電流參數為5A的連接器產品舉例建模分析。

3.1.1 幾何模型構建

本文通過Creo三維繪圖軟件構建插接件幾何模型，如圖1所示。幾何模型主要分為插針和插孔兩部分，插針和插孔插合后依靠插針與插孔內套的6根銅絲過盈配合緊固在一起，插孔內部結構如圖2所示。根據幾何模型可知，插接件的電阻主要由插針、插孔的體積電阻以及插針與6根銅絲過盈配合處產生的接觸電阻組成。

圖1 插接件幾何模型

3.1.2 有限元模型構建

有限元模型的構建在幾何模型的基礎上進行。將三維軟件繪制的幾何模型導入ANSYS后，對各零件賦予相應的材料參數，定義接觸面類型及參數，最后選用符合精度要求的方法和尺寸大小劃分單元，得到有限元模型。

某規格插接件中彎插針及插孔外套使用的材料是錫青銅，插孔內套使用的材料是黃銅合金，具體參數如表1所示。

檢查幾何模型導入ANSYS后自動生成的接觸對，刪除不存在接觸關系的接觸對，修改容差值確保接觸件的接觸部位得到定義，定義接觸類型為Bonded。

由于接觸件的外形主要由圓柱構成，不適合劃分六面體網格，而采用四面體網格進行劃分,全局尺寸參數設置為0.3mm，預測出現最高溫度的部位插入局部尺寸控制，單元尺寸參數設置為0.1mm，最終劃分得78278個節點，42057個單元。

3.1.3 邊界條件設置

通過邊界條件設置可以模擬插接件通電工作時的工作條件。首先在電模塊中進行加載電流載荷，接觸件一端定義為零電勢面，另一端通以5A電流，即可模擬通電回路；其次在穩態熱分析模塊中將環境溫度設置為22℃，將模擬時間設置為600秒，使得模擬計算時間足夠插接件的最高溫度達到動態平衡；在接觸件與空氣接觸的表面加載熱對流載荷，考慮到接觸件工作環境下為自然對流，空氣流動較小，對流傳熱系數設置為5W·m-2·℃-1;另外，在接觸件的表面加載熱輻射載荷，根據接觸件表面鍍層材料屬性以及表面工藝查表可得，將熱輻射系數設置為1，接觸件之間存在的熱輻射將熱輻射系數設置為0.47；通過計算，將銅絲與插孔外套、銅絲與插針之間的接觸部位設置接觸電阻發熱功率9.5×10-3W，完成所有邊界設置。

邊界條件設置完成后，有限元分析模型如圖3、4所示。

圖3 插接件電分析模型

3.2 后處理結果與實驗結果對比

3.2.1 后處理結果分析

有限元分析前處理完成后提交計算，在計算結果中要求輸出溫度分布云像，得到的分析結果如圖5所示。由此電熱耦合分析結果可得，接觸件達到熱平衡狀態后，整體溫度在35℃左右，最高溫度出現在插針與銅絲接觸的部位，有限元分析結果中最高溫度為35.717℃，最大溫升約為13.7攝氏度。此時，接觸件的溫升低于30℃，對于接觸件接觸穩定性及絕緣耐壓性能的影響可忽略不計，滿足性能指標要求。

圖4 插接件穩態熱分析模型

圖5 某規格接觸件熱穩態溫度分布云圖

3.2.2 實驗對比

為驗證以上分析結果的精確度，本文利用紅外測溫儀器對施加5A直流電的某規格接觸件進行實驗測試。接觸件工作至熱平衡后，最高溫度出現的位置與電熱耦合有限元分析的一致。實驗所得接觸件最高溫度為34.3攝氏度，由此可得電熱耦合有限元分析結果的準確度達到90%以上。實驗設備如圖6所示，實驗結果如圖7所示。

圖6 接觸件實驗設備圖

圖7 實驗結果圖

從實驗結果與有限元分析結果的對比來看，有限元分析的方法已經可以很大程度上接近產品真實工作情況，并且能夠計算出產品整體的溫度分布并且以圖片的形式直觀的表現出來，對于展現產品的工作性能具有一定幫助。

4 總結

本文利用ANSYS軟件進行了某規格接觸件的電熱耦合分析，得出了接觸件在5A電流下達到熱平衡以后的最高溫度，通過溫度分布云圖提取出最高溫度出現的部位，并且得出接觸件在此電流載荷下的最大溫升，驗證某規格接觸件的最大溫升低于30℃，同時進行物理實驗驗證此有限元分析的準確性。電熱耦合分析的結果證明了此規格接觸件在溫升方面的設計合理性，為產品的設計提供了理論參考，并在產品設計的過程中減少了制作成品進行實驗的時間，有效的縮短了產品設計周期。