继电器复合触头寿命试验中热应力与界面裂纹特性研究

摘要

银金属氧化物/铜复合触头因其优良的性能被广泛应用于继电器等低压电器中。复合触头寿命试验中的主要失效模式是动复合触头银金属氧化物层逐渐与铜层分离剥落并与静复合触头粘接。本文以银金属氧化物/铜复合触头为研究对象，对继电器复合触头寿命试验中的失效现象进行分析，建立继电器电寿命热-应力分析模型，并从温度和应力角度研究银金属氧化物层厚度和负载等级对复合触头结合面裂纹力学特性的影响规律。
　　首先，本文建立了继电器寿命试验中包含稳定通电、电弧燃烧和触头分离三个阶段的统一瞬态热场有限元模型，可实现继电器寿命试验中任一次动作的瞬态温度场求解。其中对复合触头接触电阻和电弧处的空气进行了等效建模，按各阶段顺序施加接触电阻热生成率和电弧生热的热流密度，通过循环求解的方式得到了继电器电寿命试验中的瞬态温度场分布。然后通过对电寿命试验中的继电器进行测温试验，对建立的模型和仿真结果进行验证。
　　其次，通过间接耦合方法实现了机、电、热的多物理场计算，得到了继电器温度达到动态稳定时动复合触头的等效应力分布情况。通过对不同银金属氧化物层厚度的复合触头寿命试验过程中的温度和应力分布进行求解，得出了在不同负载条件下复合触头热-应力分布与银金属氧化物层厚度的关系，为进一步研究动复合触头结合面的裂纹萌生提供了依据。
　　最后，根据动复合触头的应力分析结果对结合面裂纹进行假设，引入复应力强度因子描述裂纹尖端附近的应力强弱，建立了带有裂纹的复合触头二维有限元模型。基于该模型进行了热应力间接耦合分析，采用裂纹表面位移法计算不同银金属氧化物层、不同载荷下动复合触头结合面的复应力强度因子，明确了在不同负载等级下银金属氧化物层厚度对复应力强度因子的影响。
　　本文研究所得结论为进一步优化复合触头的结构及研究复合触头界面裂纹的萌生和扩展机理提供了依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 继电器电寿命试验中瞬态热特性分析

2.1 引言

2.2 继电器多物理场耦合分析方式研究

2.3 继电器寿命试验中整机瞬态温度场模型研究

2.4 继电器寿命试验中整机瞬态温度场有限元分析

2.5 试验验证

2.6 本章小结

第3章 继电器复合触头热应力特性及影响因素分析

3.1 引言

3.2 继电器复合触头应力场模型

3.3 继电器复合触头热-应力间接耦合分析

3.4 继电器复合触头热应力影响因素分析

3.5 本章小结

第4章 复合触头结合面裂纹特性分析

4.1 引言

4.2裂纹断裂原理及分析

4.3 复合触头结合面裂纹力学特性分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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