基于ANSYS的电连接器压电分析和研究

范武健，王立强，杜永英，杨海南

（1.沈阳化工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110142；2.江苏建筑职业技术学院机电工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

电连接器是用来端接导体并与相应的配对元件进行插合和分离，以实现电路通断的元件，是完成电信号的传输与控制以及电子与电气元件间进行点连接的基础组件，在电子、机械、信息等领域中应用范围广泛，发挥着重要的作用[1]，已经发展成为电子电气系统中主要的电功率、电信号的载体。电连接器质量的好坏及可靠性的高低将对电气电子设备的性能，以及控制系统的安全造成直接的影响。文献[2]利用等效理论对电连接器接触力的可靠性进行了分析研究，文献[3]对电连接器的热性能进行了分析研究。然而，基于压电效应所引起电连接器的结构变形还很少有研究，因此，基于ANSYS 对电连接器进行压电分析和研究是很有必要的。

1 ANSYS 压电分析与逆压电效应

1.1 ANSYS 压电分析

有限元ANSYS 软件是唯一能够真正实现多物理耦合场分析的分析系统，它集电、热、结构、电磁、流体、声学等多物理场求解功能与一体。耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间的相互作用的分析[4]。压电材料在结构变形与电学效应方面具有机-电耦合特性，属于多物理场的耦合问题。压电分析是一种结构—电场耦合分析，当给压电材料施加电压时，压电材料会产生位移，反之若使之振动，则会产生电压。压电耦合分析可使用的单元类型有Plane13、Solid5、Solid98、Plane223、Solid226、Solid227 单元。本文所用电连接器单针形状是结构稍复杂的柱形体，可以选用Solid226 单元。

1.2 逆压电效应

压电性为一种机电能量的现象，逆压电效应是当在电介质的极化方向上施加电场，介质会发生相应的变形，电场去掉后，电介质的变形随着消失。压电线性理论的基本耦合公式为：

用矩阵表示压电耦合公式为[5]：

[T]=[C]{S}-[e]T{E}；[D]=[e]{S}+{ε}{E}

式中：[T]—应力矩阵；[D]—电荷密度矩阵；{S}—应变矩阵；{E}—电场强度矩阵；[C]—刚度矩阵；[e]—压电应力常数矩阵；{ε}—介电常数矩阵。

2 单针电连接器配合的ANSYS 压电分析

2.1 电连接器的参数

电连接器由于电流通过时，接触面缩小会产生集中电阻[6]，而电连接器的电流一般较大，因此在电连接器的两端会产生一定的电压，电压值可选为5V。

电连接器的压电性能参数[7]：电连接器材料为锡磷青铜（QSn6.5-0.1）,材料密度8960kg/m3，弹性模量113Gpa，泊松比0.34，其它性能参数如表1 所示。

表1 电连接器的压电性能参数Tab.1 Electric connector of the piezoelectric performance parameters

2.2 单元类型和网格划分

此分析是压电分析，将电压施加在配合插针的两端，故选用Solid226 单元，Solid226 具有20 个节点，每个节点最多含有五个自由度，设置Element sdge length为0.3，对模型进行自由划分单元网格。建立单针电连接器配合有限元模型和网格划分如图1 所示。

2.3 电连接器静态压电分析

在弱信号下电场矢量E 和应变矢量S 为线性关系，压电方程矩阵[8]为：S=dtE，dt为压电矩阵，它的展开式为：

图1 单针电连接器有限元模型Fig.1 The finite element model single needle electric connector

电连接器的静态压电分析主要是分析电连接器上各点的电眼位移特性。通过各点的运动位移，可以知道电连接器的变形方式，从而了解电连接器的应力和位移变形分布。电压是施加在X 方向的两端，由图2～图5 可以查看X、Y、Z 不同的位移分量图，电连接器的最大位移变形发生在X 方向的一端为0.276×10-4mm。

由图6、7 可以得到在压电效应作用下静态压电分析电连接器的应力强度分布图，应力主要集中在电连接器的两端、直径过渡以及带孔的周围，最大应力强度为0.339Mpa，最大机械应力为0.324Mpa。

图2 X 方向的位移分量Fig.2 X direction displacement component

图3 Y 方向的位移分量Fig.3 Y direction displacement component

图4 Z 方向的位移分量Fig.4 Z direction displacement component

图5 电连接器的压电位移变形Fig.5 Electric connector of the piezoelectric displacement deformation

图6 电连接器压电作用下应力强度分布图Fig.6 Under the action of electric connector piezoelectric stress intensity distribution

图7 电连接器压电作用下机械总应力Fig.7 Electric connector mechanical total stress piezoelectric effect

3 结论

通过理论分析利用ANSYS 软件建立了电连接器的有限元模型，利用有限元仿真，研究了单针电连接器配合在逆压电效应下对其性能的影响。结果表明： 逆压电效应对电连接器的结构位移变形和应力集中有一定的影响。因此在电连接器工作时，需要考虑到压电效应对其可靠性的影响；在设计电连接器结构时，同样需考虑在压电效应下结构位移变化和应力集中对电连接器的影响。

[1] 杨奋为.军用电连接器的应用及发展[J].机电元件，2007，3.

[2] Jennifer.Bower.Strutural design of an innovative electrical connector for satellite test of the equivalence principle [D].2008.

[3] SantoshV.Angadi and W.EverettWilson.A multi-physics finite element modelod an electrical connector considering rough surface contact[J] .2008.

[4] 胡仁喜，张秀辉.ANSYS14 自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[5] 赵增辉.超声电机压电振子的动力学特性研究[D].青岛：山东科技大学，2006.

[6] 杨奋为.电连接器的常见失效分析[J].上海航天，1996，2.

[7] 涂远，杜建江，王涛.压电类智能层合结构的ANSYS 仿真分析[J].广西大学学报，2005，4.

[8] 孙慷.压电学[M].北京国防工业出版社，1984.