基于有限元分析的电连接器接触件接触特性与温度场模拟研究

摘要

电连接器作为电气系统中的基础元器件，在小到家居生活中常用的3C产品，大到汽车、工业设施，乃至在兵器装备、航空等领域都有普遍的使用，并且使用量巨大，以至于在有的系统中能达到成百上千件。电连接器的主要功能是在元件和元件、设备和设备、系统和系统之间进行电流传输与信号传送，它的主要功能充分体现了其作为电气系统基础元件的重要性。在电连接器广泛的实际应用中，只要其中有一个损坏，就有可能会引起成套设备的运行终止，由此带来的经济损失不可估量。其质量的优劣以及产品使用过程中的稳定性将直接影响着整个电气设备系统的安全性与可靠性，因此研究分析电连接器的可靠性是十分必要的。
　　插针件与插孔件作为电连接器的心脏，在插拔过程中的接触性能则直接影响着整个电连接器的性能。过高的温度是引起电连接器连接功能失灵的一个重要原因，也直接影响着它的可靠性。针对上述能够引起电连接器功能失效的两个主要因素，本文选取多芯冠簧式插孔结构的电连接器作为研究对象，对电连接器在不同使用环境下的温度场和插针件与插孔件的插拔过程进行仿真分析与模拟研究，探究电连接在不同应用条件下的温度场分布规律和温升变化情况，以及插拔过程中插孔内部冠簧的接触特性。具体研究内容如下：
　　（1）根据电连接器的分类和基本的零部件构成以及导致它功能失效的主要方式和表现形式，深入分析了引起电连接器功能失效的原理和原因，结果表明插针件与插孔件在配对使用时接触性能的降低是造成电连接器功能失灵的最主要形式，而插针件与插孔件之间的接触压力不足和温度过高是引起其接触性能降低的主要原因。
　　（2）利用三维建模软件Pro/E5.0，通过对组成电连接器的各个零部件进行立体建模，构建了电连接器的整体结构模型。采用了简化受力弹片为简支梁力学模型的手段，分析了插针件与插孔件在插合与分开过程中冠簧的受力情况，并且进行了相关的理论分析与计算，获得了单对插针与插孔件在插拔过程中的分离力大小和接触压力值。
　　（3）基于建立的插针件和插孔件实体模型，利用ANSYS Workbench仿真软件对它们的插合和分开过程进行了仿真模拟，模拟结果表明插孔件在插拔过程中冠簧弹片受到的等效应力主要集中在每根弹片中部的两侧，插针件与冠簧弹片接触的区域主要集中在冠簧中部缩口处，并且接触区域呈椭圆形的结论。同时也获得了插针件与插孔件在插合和分开过程中的插入力与分离力随时间变化的关系，以及插入力和分离力的最大值大小。
　　在此基础上利用插针件与插孔件实物大量进行了插入力和分离力的测试试验，将测试数据与模拟得到的数据、理论分析得到的数据进行了对比研究，研究结果发现：测试试验的数据与仿真分析结果相差较小，理论分析计算结果稍有偏大的结论，验证了仿真模拟模型的正确性。并确定了冠簧缩口量大小对冠簧接触特性的影响，为冠簧缩口量尺寸的确定提供了依据。
　　（4）通过，获得了其在不同使用场合下的温度场分布规律及其温升变化状况。通过仿真模拟发现电连接器的温度分布大致上可以分为高、中、低三层温区，温度从内部的插针件与插孔件开始由内向外逐渐降低，最高温度出现在电连接器上的电流输入端（插针件接线端），因插针件与插孔件互相接触的区域存在接触电阻的缘故，此处温度也比较高，高温区域会因为芯数排列方式的不同而有所改变。
　　电连接器的整体温度会随着其芯数数目、通电电流、环境温度的增大而升高，其温度升高的幅度在前两个条件下也会逐渐增大，但是在后者的条件下温度升高的幅度却越来越低，最后有接近于平稳的趋势；并且在同等的条件下电流的增大比芯数数目的增加对其温度升高幅度的影响更大，在相同的环境下随着电连接器绝缘体材料导热系数的提高其温度也会随之降低，但是温度降低的幅度较小。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电连接器的结构组成及其分类

1.3 电连接器的主要失效方式及失效机理分析

1.4 电连接器的可靠性研究概况

1.5 课题研究的意义和主要研究内容

第二章 电连接器的建模与接触件的力学特性分析

2.1 引言

2.2 电连接器的结构建模

2.3接触件的力学特性分析

2.4 本章小结

第三章 接触件插拔过程的仿真模拟

3.1 引言

3.2 ANSYS Workbench接触分析理论

3.3 接触件插拔过程的仿真模拟

3.4 接触件的插拔力测试试验

3.5 缩口量对冠簧接触特性的影响

3.6 本章小结

第四章 温度场的仿真模拟分析

4.1 引言

4.2 热分析经典理论

4.3 温度场仿真模型的建立

4.4温度场的具体模拟结果分析

4.5 绝缘材料导热系数对温升的影响

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研情况

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