王 璐，馬 飛，艾 蘅，韓繼先，趙越超，郝健男

(1.沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽，110144；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第三軍代表室，遼寧 沈陽，110144)

1 引 言

電連接器為電氣終端之間提供連接與分離功能，可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞、控制以及電連接，廣泛應(yīng)用于軍事裝備和航空航天設(shè)備中[1]。隨著電連接器逐步向小型化、高頻化、高功能密度、大電流的方向發(fā)展，特別是近年來的擴(kuò)容需求，載流量的不斷提升，對(duì)連接器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[2]。溫升是影響電連接器性能的重要因素，較高的溫升不僅會(huì)使插孔的彈性下降，引起接觸對(duì)的接觸不良，同時(shí)還會(huì)使得絕緣材料老化，導(dǎo)致絕緣性能下降，甚至可能產(chǎn)生擊穿或短路的現(xiàn)象。從而降低了電連接器的壽命，而且還會(huì)影響其可靠性。因此，對(duì)連接器進(jìn)行熱分析是十分必要的。

在電連接器的熱分析方面，杜永英[3]等通過有限元軟件對(duì)電連接器溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，研究了不同溫度下電連接器的溫度場(chǎng)分布。梁云忠[4]等基于有限元法對(duì)電連接器進(jìn)行熱仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)前后的連接器進(jìn)行了溫升試驗(yàn)驗(yàn)證。宋萬里[5]等研究了溫度與振動(dòng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸電連接器壽命的影響。

針對(duì)大電流連接器在使用過程中容易出現(xiàn)溫升過高的現(xiàn)象，基于有限元法對(duì)大電流電連接器進(jìn)行熱電耦合溫升仿真分析。主要研究連接器內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布和溫升情況，并分析不同電流大小對(duì)其溫升的影響，根據(jù)電連接器的溫升試驗(yàn)結(jié)果，來驗(yàn)證有限元熱仿真分析的正確性。

2 有限元仿真

2.1 電連接器模型建立

該電連接器由近幾十個(gè)零件組成，零件多且連接關(guān)系較復(fù)雜，因此在對(duì)該電連接器進(jìn)行有限元分析時(shí)，在滿足計(jì)算精度要求范圍內(nèi)，為提高計(jì)算速度，對(duì)結(jié)構(gòu)中的某些零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。將體積很小的彈簧以及密封圈等對(duì)分析結(jié)構(gòu)影響不大的零件去除，同時(shí)去掉零件之間多余的干涉，忽略倒角以及直徑較小的開口和凸臺(tái)等細(xì)部特征。但連接器兩端導(dǎo)線的散熱和空氣域的建立對(duì)仿真溫升結(jié)果影響較大，因此在模型建立時(shí)不能忽略簡(jiǎn)化。仿真時(shí)建立兩端1m長(zhǎng)導(dǎo)線和空氣域BOX(長(zhǎng)寬40cm，高50cm)，并對(duì)空氣域BOX上下分別開三個(gè)口，上面三個(gè)開口為壓力出口，下面三個(gè)開口為速度入口。設(shè)置導(dǎo)線左端為電流正極，右端為電流負(fù)極。經(jīng)簡(jiǎn)化后的模型中主要包括接觸體、絕緣體、外殼體、導(dǎo)線以及空氣域。幾何簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

圖1 電連接器的三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸定義時(shí)，采用多面體和切割體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中接觸體和導(dǎo)線直接采用共形的多面體網(wǎng)格，主要用于電流的傳遞，并對(duì)冠簧進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分。對(duì)空氣域和絕緣體采用切割體網(wǎng)格劃分，切割體主要適用于電子散熱、外部流動(dòng)，在壁面附件添加棱柱單元層，能獲得邊界層內(nèi)粘性和熱梯度。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分截面圖

2.3 仿真結(jié)果分析

電連接器工作時(shí)，通入的電流大小會(huì)對(duì)溫升產(chǎn)生影響，因此仿真分析了不同電流(300A、500A、800A、1000A)下的溫升。設(shè)置通電時(shí)間均為2h，得到電連接器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布和電流密度分布。

圖3 整體溫度分布云圖(1000A)

圖4 局部溫度分布云圖(1000A)

(a)300A

由圖3～圖6可知，對(duì)于通不同電流的電連接器，其溫度分布情況一致，整體的溫度變化規(guī)律均是由接觸體向外溫度逐漸降低，最高溫度出現(xiàn)在冠簧或是接觸體插合位置上。殼體溫度幾乎不變，主要是因?yàn)闅んw與絕緣體接觸，而絕緣體的材料比熱容較大，導(dǎo)熱性能差，而且殼體在電連接器工作時(shí)與外界進(jìn)行熱對(duì)流，所以其溫度變化較小。導(dǎo)線的溫度分布從與接觸體連接處向外呈逐漸遞減趨勢(shì)。電連接器的電流密度由接觸體內(nèi)部向外逐漸遞減，冠簧和插針接觸位置處的電流密度最大，殼體的電流密度最小。隨著電流的增大，電連接器內(nèi)部溫升逐漸升高。

圖6 電流密度分布云圖(1000A)

3 溫升試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用物理試驗(yàn)的方法來測(cè)試電連接器實(shí)際的溫升值。通過對(duì)電連接器焊接導(dǎo)線兩端接WRNT-01熱電偶線來檢測(cè)電連接器的實(shí)時(shí)溫升。通電過程中，電連接器用玻璃罩罩住。電連接器在常溫條件下，通以不同電流(300A、500A、800A、1000A)，每隔1min記錄一次溫度，直至連接器溫度穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。電連接器溫升試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 電連接器溫升試驗(yàn)

4 仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

因試驗(yàn)時(shí)所測(cè)溫升為插針、插孔與導(dǎo)線焊接位置，為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，仿真所提取的溫升數(shù)據(jù)應(yīng)與試驗(yàn)所測(cè)位置相對(duì)應(yīng)，電連接器通不同電流條件下，其溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

由圖8可知，仿真與試驗(yàn)所得溫升趨勢(shì)一致，開始溫升較快，之后溫度緩慢上升，最后趨于平穩(wěn)。由表1可知，當(dāng)電連接器分別通電流300A、500A、800A、1000A時(shí)，試驗(yàn)溫升分別為16.327℃、42.780℃、134.618℃、178.500℃，對(duì)應(yīng)的仿真溫升分別為15.968℃、43.709℃、130.861℃、173.841℃。試驗(yàn)與仿真的溫升誤差的平均值為2.44%，最大值為2.79%，最小值為2.20%，均未超過3%。誤差是計(jì)算仿真結(jié)果減去試驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)值與試驗(yàn)結(jié)果的比值，誤差產(chǎn)生原因可能是仿真環(huán)境中傳熱系數(shù)、接觸熱阻為經(jīng)驗(yàn)值，與實(shí)際傳熱系數(shù)和接觸熱阻存在差異。

表1 仿真溫升與試驗(yàn)溫升對(duì)比

根據(jù)不同電流下的試驗(yàn)溫升結(jié)果，對(duì)溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溫升隨電流變化的擬合曲線如圖9所示，由圖可知，隨著電流的增大，電連接器內(nèi)部溫升逐漸升高，基本呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。

圖9 溫升擬合曲線

5 結(jié)論

通過對(duì)大電流連接器進(jìn)行熱電耦合溫升仿真和溫升試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)電連接器的溫升隨電流的增加而增大，并且與電流大小呈指數(shù)關(guān)系。

2)對(duì)于通不同電流的電連接器，其溫度分布情況一致，其最高溫度均出現(xiàn)在冠簧或是接觸體插合位置上。

3)仿真結(jié)果與試驗(yàn)所得溫升趨勢(shì)一致，且誤差可控制在3%以內(nèi)。其研究結(jié)果可為電連接器的熱設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。