典型电连接器多应力耦合试验设计及仿真分析*

张 彤

（海军航空大学 烟台 264000）

1 引言

温度、电流和振动是可能导致电连接器性能退化的三大主要载荷，它们会造成接触表面的损伤和变形，导致接触件基体和其它结构的应力松弛等机械性能的变化。温度与电流是不可避免相互影响的两种载荷，温度与振动也是相互之间会产生一定影响的两种载荷。在已有试验设备的支持条件下，设计实施了温度-振动应力耦合试验，通过实时监测接触电阻的变化，发现应力作用条件下，接触电阻的变化规律，分析得出应力间的耦合机理。

振动导致的电连接器接触表面机械变形和损坏会影响着电连接器的电性能、安全性能以及机械性能，也是电连接器性能退化的主要诱因之一［1～3］。在仿真方面，FLOWERS等使用ABAQUS对连接器进行了有限元建模和仿真，并分析了振幅和接触相位与激励频率之间的关系［4］；王安麟等利用电子连接器微颤振磨损试验的数据，采用田口法［5］得到了电子连接器失效机理的相关表达式；FLOWERS等分析了不同振动频率和振动加速度下汽车连接器接触电阻的变化规律，并指出存在临界振动加速度［6～7］。骆燕燕等研究了交替振动下电连接器的应力松弛和磨损，并分析了接触件接触性能下降的原理［7］。

温度对电连接器性能影响主要表现在热力变形和对表面氧化速率的影响，而电应力的影响主要表现为电源的通断电、电压和电流的不稳定等［8］。温度与电流的影响是相互的。在热电方面，K.Li等建立了静态接触的有限元模型，针对接触区域的热应力变化过程，研究了其接触电阻的瞬态变化过程［9］。王龙泉［10］利用Pro/E5.0进行了各个组成部分零部件的实体建模与整体装配，使用Workbench模拟电连接器在不同电流、不同环境温度和不同芯数条件下的热场分布以及分析其温升变化情况，并进一步分析绝缘体材料的导热系数对电连接器温升变化的影响。

电连接器的工作并不是在单一应力条件下进行的，多种应力的同时作用也并不是简单的叠加。应力间的作用存在着促进、抑制或更复杂的关系。为了深入研究应力间的耦合作用，为多应力试验提供理论支撑，应力耦合仿真分析十分必要。应力耦合仿真分析可以通过有限元仿真来发现应力间的耦合机制，发现应力间的耦合作用，从机理层面解释电连接器的性能退化，对电连接器的性能研究具有重要意义。

2 多应力试验设计

2.1 温度-振动应力试验实施方案

以航空装备大量使用的J599Ⅲ型电连接器为研究对象，在广州某所CH650CVT15ESS温度-湿度-振动三综合试验箱的基础上搭建试验平台，如图1所示。

图1 温度-湿度-振动三综合试验箱

首先，对电连接器进行温度环境应力和振动扫频叠加加载。在环境温度分别为20℃、50℃、100℃、150℃和200℃下进行扫频试验，试验箱设定温度值，温度稳定后开始加载振动。振动中，设置振动频率范围为20Hz～1000Hz，频率变换方法为20Hz～1000Hz、1000Hz～20Hz的连续对数扫频，扫频周期是1min，加速度分别为5g、10g和15g，对电连接器接触电阻进行实时测量。然后，对电连接器进行频率40Hz、温度100℃、加速度5g下的高温定频振动试验，同步监测接触电阻的实时变化情况。

2.2 试验结果分析

温度-振动应力试验中，按照温度值划分为五组。每组测试分三个周期，分别对应5g、7.5g和10g三个扫频加速度。每组试验结束之后，下一组的设定温度稳定三十分钟后开始实验。图2～图5分别是不同环境温度下的接触电阻测试结果。每组试验的每个周期内，接触电阻波动规律大致相同。振动频率在低频段时，接触电阻的波动最剧烈。在同一种温度环境下，接触电阻随着振动加速度的增大而增大；同一振动加速度量级下，随着环境温度的升高，接触电阻在100℃时出现了峰值，三种加速度下均出现了这一明显的现象。

图2 20℃接触电阻测试结果

图3 50℃接触电阻测试结果

图4 100℃接触电阻测试结果

图5 150℃接触电阻测试结果

为深入研究接触电阻在100℃时出现峰值这一现象，对不同温度下的接触电阻的峰值进行了分析，图7是接触电阻波动峰值最大值与环境温度的关系，考虑对称性，接触电阻波动峰值取前半程测试值。

由图6可知，当温度低于100℃时，接触电阻波动峰值基本上随温度的上升而增大，100℃附近出现极大值点，当温度超过100℃时，接触电阻瞬态峰值会有所下降。温度低于100℃时，环境温度的升高会造成接触电阻瞬态峰值的增大，当温度高于100℃时，环境温度的升高对接触电阻瞬态峰值有微弱的减小作用。

图6 接触电阻瞬态峰值与环境温度的关系

这种情况可能是，一方面温度的升高会导致壳体软化，降低了螺纹连接强度，使螺纹连接松动，增加插针、插孔相对位移剧烈程度，金属电阻率也随温度的升高而增大，接触电阻的静态值增大，波动峰值也会增大；另一方面，较高的温度使表面镀层和过渡镀层软化，接触表面更容易产生塑形变形，插针、插孔之间能够更容易有效接触。这两种作用综合产生了图6中的试验现象，由于第二种作用对温度要求较高，因此温度低于100℃时，以第一种作用为主。

然后，为了更进一步地分析温度环境应力和振动环境应力的综合影响，对电连接器进行了高温定频试验，保持环境温度100℃稳定1h后，在40Hz下持续定频振动10min，加速度为5g，每50s划定一区间，找出区间内接触电阻波动峰值绘于图7。

图7 40Hz定频振动接触电阻变化趋势图

由图7可知，接触电阻初始峰值为7.8mΩ，振动最后50s接触电阻的峰值为7.4mΩ，整个振动过程中接触电阻的波动峰值下降了0.4mΩ。振动结束后，将650s～660s内的接触电阻进行取得平均值为3.904mΩ，比振动之前静态值低0.026mΩ，属于噪声量级，可认为振动前后静态接触保持不变。

这一现象的原因可能是由于振动过程针孔轴向的摩擦和径向的挤压作用会产生热量，对接触件的表面镀层和过渡镀层有软化作用，使得接触电阻的波动减小。振动加载时间越长，摩擦生热累积越多，软化作用越明显，使得接触电阻的波动峰值有所减小。而振动结束之后，积累的热量散去，软化复原，接触电阻峰值又回升至静态值。

3 热-电-振动耦合仿真分析

温度、电流和振动作为影响电连接器性能的主要应力，研究三者之间的影响关系和耦合机理十分必要。但是元器件的多场耦合仿真分析通常难度都比较大，需要做的简化和等效较多，而且仿真结果验证也比较困难。但是由于多场耦合分析贴近元器件的使用实际情况，研究意义比较重大，因此探索多场耦合的方法十分必要。

当接触件的温度发生变化时，尤其是不均匀的温度场分布，不仅使接触件基体材料和镀层材料的力学特性发生变化，还会因为温度场分布的不均匀导致接触件产生热应力，接触件发生形变，影响了振动条件下接触件的性能表现。振动带来的摩擦和压力变化会产生热量，影响接触件的温度场分布。考虑到温度对振动的影响大于振动对温度的影响，电流对振动的影响主要通过影响温度来实现，且ANSYS Workbench多场耦合分析的单向性，因此本节仅研究电流、温度变化时，对振动的影响。

3.1 应力场模型

电连接器使用环境中，正常电流产生的温升效果以及工作环境的温度，不足以使接触件发生物质转移等性质变化，且由于仿真软件的限制，不考虑接触表面的塑形变形，将接触件的形变假设为弹性形变，符合热弹性方程。热弹性方程包括平衡方程、几何方程与本构方程。

顺序耦合方法来进行耦合应力分析时可以很好地提高求解效率，本节的顺序耦合先进行热－电耦合分析，再将分析结果输入到振动分析中。

3.2 前处理及载荷设置

根据电连接器生产厂家提供的图纸数据来建立GJB599A型电连接器插针插孔的三维模型，并对模型进行合理处理和简化，接触件模型如图8所示。

图8 接触模型

定义插针、插孔基体材料为锡青铜，材料属性如表1所示。

表1 接触件基体材料热、电属性

根据实际使用情况，在插针尾端接线处端面施加电流载荷，电流载荷为0.1A～10A的参数变量。在静力学分析模块中，根据实际接触件的安装方法，设置插针、插孔的凸肩为固定面，导入温度载荷，可以进行相应的热应力分析。静力学分析的结果导入模态分析，可以得到温度、电流影响下的各阶模态。模态分析结果导入谐响应分析模块，设置频率范围从20Hz～1000Hz的扫频，就可获得温度、电流影响下的动力学响应。

3.3 仿真结果及分析

热-电分析模块可以得到一定温度和电流条件下，接触件的温度分布和电压分布情况。电流载荷为0.1A、温度为24.3℃时，接触件的温度场分布如图9所示，电压分布云图如图10所示。

图9 温度分布云图

图10 电压分布云图

由图9可知，电流传导过程中，当导电截面发生剧烈变化时，会产生显著的焦耳热效应，因此在插针的针部产生了显著的焦耳热，局部温升达到了1.6℃。由图10可知，由于导体电阻的存在，电压沿电流方向成明显的梯度递减，在仅考虑导体电阻的情况下，一对接触件在0.1A电流激励下，可以产生4.7mV的电势差。

将热-电分析结果添加静力学结构分析中，可以生成热应力云图和变形云图，如图11、图12所示。由图可知，当接触件的凸肩面设为安装固定面时，通电产生的焦耳热会在插针的针部和插孔簧片部产生显著的热膨胀现象，由于凸肩面的限制，使得膨胀在凸肩面上产生最大热应力，电流激励为0.1A时，热应力最大值的就可以达到51.2Mpa。由于两端凸肩限制了针部和簧片的位移，因此针部和簧片的最大热变形为0.27μm。

图11 热应力云图

图12 变形云图

热-电分析结果添加到模态分析中，得到温度、电流影响下的固有频率如表2所示。

表2 固有频率

将电流设为参数变量，研究电流变化下，振动条件下接触面变形量和接触压力变化情况，仿真结果如图13、图14所示。由图可知，随着电流载荷的增大，接触面变形量会增大，接触压力会有一定程度的减小，这在一定程度上解释了接触界面在电流增大、温度升高时，会产生软化现象，与试验结果相一致。

图13 接触面变形量与电流关系图

图14 接触压力与电流关系图

4 结语

本文设计温度-振动应力试验，研究了温度、振动综合施加对接触电阻的影响规律。温度和电负载都会造成电连接器接触部位的温升和接触电阻的升高，环境温度升高和电流增大造成接触电阻增大的原因。一方面是因为高温导致的接触件温度变形会对接触压力产生影响并软化金属镀层，另一方面温度的升高导致电接触件的基体材料、镀层材料和导线的电阻率的增大。温度与振动综合作用对接触电阻产生显著的叠加作用，对J599Ⅲ型电连接器在100℃附近叠加作用最为明显，以100℃位分界线，低温时，软化镀层降低磨损区域内的粗糙度和摩擦系数，延缓了接触失效，但在不破坏镀金层的高温（>100℃）振动过程中，随着摩擦生热导致镀层软化加剧，接触电阻的波动减小最终峰值减小，振动结束后，接触区域热量散去，镀金层软化复原，接触电阻峰值又回升至静态值。

通过ANSYS对电连接器接触件的热-电-振动应力进行了耦合分析，分析比较了应力耦合作用下接触件的温度、接触电阻和应力应变情况，并与试验结果进行了对比研究。一方面有助于完善试验方法和试验过程；另一方面，从机理层面解释了应力耦合作用，对电连接器在综合应力作用下的性能退化机理有更进一步的认识。