水下電連接器的熱電耦合及熱傳導分析研究

袁生地 朱赫 伍能

摘 ? 要：為了研究水下電連接器的熱電相關(guān)特性，提出了仿真研究水下電連接器熱傳導及內(nèi)導體導電產(chǎn)熱對連接器密封問題的影響。建立了單根導體以及水下電連接器的熱電耦合模型，根據(jù)單根導體的熱電耦合模型，模擬了單根內(nèi)導體的電流產(chǎn)熱以及單根內(nèi)導體的熱通量，并結(jié)合熱理論計算，驗證了模擬值與測量值近似相等;根據(jù)電連接器的熱電耦合模型，仿真了水下電連接器內(nèi)導體產(chǎn)熱及橡膠件熱分布。其仿真結(jié)果對進一步研究溫度升高對連接器其他性能的影響具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：電連接器 ?熱電耦合 ?熱傳導 ?橡膠件

中圖分類號：TN784 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0093-02

隨著油氣能源的需求量逐步增加，水下連接器得到長足發(fā)展。水下電連接器又分為干式和濕式電連接器，應用最廣泛的是干式電連接器，即水上環(huán)境完成插合再應用于水下環(huán)境，本文主要研究干式電連接器。此類連接器采用的是剛?cè)釃Ш闲兔芊饨Y(jié)構(gòu)，即利用剛性插針與柔性橡膠件之間的過盈配合來達到密封的效果，所以合理選擇插針及橡膠件材料是密封效果良好的關(guān)鍵。

水下電連接器在工作時，電流經(jīng)插針流過，由于金屬自身電阻及接觸對產(chǎn)生的接觸電阻，會在電連接器導電時產(chǎn)生焦耳熱，而金屬部分與橡膠部分又是緊密接觸的，所以，電連接器的工作會導致整個連接器溫度的升高。溫度升高不僅會加快接觸對之間氧化物的生成，使得接觸電阻急劇增大;而且會影響橡膠件的性能，從而使密封性能惡化、使用壽命縮短。此外，溫度升高過多也有可能引起短路或電擊穿等危險。故本文研究水下電連接器的電熱耦合及熱傳導有著重要的意義。

1 ?熱分析相關(guān)理論及有限元工具

根據(jù)熱力學第二定律可知，溫度差作為熱能傳遞的動力，熱能會自發(fā)由高溫物體傳向低溫物體，其中熱能傳遞的方式有三種，包括熱對流、熱輻射及熱傳導，而熱對流及熱輻射一般是涉及到液體或氣體介質(zhì)的熱能傳遞[1]。本文所研究的水下電連接器內(nèi)部采用過盈結(jié)構(gòu)設計，滿足熱傳導條件，故可采用熱傳導方式分析熱傳遞[2]。熱傳導可定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體不同部分之間由于溫度差異引起的熱能交換，其遵循傅里葉定律：

對水下電連接器作熱電耦合及熱傳導分析需要用到熱電耦合模塊及熱傳導模塊。其中，熱電耦合分析主要應用于電勢場與溫度場同時存在且需要同時求解的情況。

2 ?單針配合的熱電耦合仿真分析

本文所討論的電連接器是一款典型的四芯產(chǎn)品，其中插頭和插座的外部基座均為橡膠結(jié)構(gòu)，即橡膠包裹插針和插孔合件。在討論整體結(jié)構(gòu)前，對單個接觸對進行分析。

2.1 模型建立及參數(shù)設置

插孔合件模型圖1所示，針對插孔合件實際使用狀況，對其進行合理簡化，建立單根插孔合件對插模型。接觸對為長度相同，但橫截面不同的兩個同軸圓柱體。

根據(jù)插孔合件實際的接觸電阻值，設定接觸電阻值為4mΩ，并結(jié)合插針和插孔的基材相同，并設置仿真所需的熱傳導系數(shù)為0.1089 W/mmg℃和電導系數(shù)為14085 1/Ωgmm。

2.2 單針配合仿真分析

插針的左端面上加載大小為10A的集中電流，在插孔的左端面加載電勢為0的邊界條件使電流可以順利完成流動。其模型的初始溫度9℃。通過仿真計算得出單根插孔合件的溫度分布云圖和電勢分布云圖，如圖2和圖3所示。

圖2為單針配合的熱電耦合的溫度場分布結(jié)果，可以看出溫度分布從接觸配合處向兩端按梯度下降;接觸配合處的溫度上升幅度最大。故接觸配合處電阻值相對于導體自身較大，即在接觸配合處有電阻集中、產(chǎn)生的焦耳熱更多，導致此處溫度升高最明顯，熱量從接觸配合處向兩側(cè)傳遞，形成梯度溫度場。圖3為電勢分布結(jié)果，可以看出接觸配合處電勢大小發(fā)生突變，其原因是此處電阻值較為集中;整個單針配合的電勢差為0.04209V，加載的集中電流大小為10A，可以計算出整個部件的電阻值為4.21mΩ，此數(shù)值與儀器測量接觸電阻值4.27mΩ近似相等。

3 ?電連接器整體的熱傳導分布

當電連接器處于工作狀態(tài)時，插頭部件與插座部件緊密結(jié)合，插針與插孔實現(xiàn)接觸，且金屬部分與橡膠件通過過盈緊密結(jié)合。熱能量主要依靠熱傳導來進行徑向和軸向方向上的熱傳遞。此時，由于電流流過而溫度升高的四根插針即是熱源，其通過與橡膠件的面接觸來實現(xiàn)熱傳導。在整體模型的熱傳導分析中，前一步計算結(jié)果是定義分析初始條件的依據(jù)[3]。

3.1 整體模型建立

根據(jù)電連接器實際工作是插頭部件和插座部件緊密結(jié)合的實際情況，對模型進行適當簡化，將插頭部件和插座部件建立為一個整體。另外，由于電連接器左右兩端部分離電接觸對較遠，溫度幾乎沒有升高，故模型中不予建立。最終建立的模型為四組電接觸對鑲嵌在與之長度相等的橡膠圓柱體內(nèi)。

3.2 整體模型的仿真及分析

整體模型與單根插針初始條件相同，其中插針的導熱系數(shù)為0.0837 W/m2℃、橡膠的導熱系數(shù)為2.5×10-4 W/m2℃，插針比熱容為4.178×105 mJ/kg℃、橡膠比熱容為5.12×105mJ/kg℃。通過對整體模型的仿真計算，其整體模型仿真結(jié)果剖視圖如圖4所示，橡膠件剖視圖如圖5所示。

由圖4可以看出在整體連接器中，四個插針配合是熱量來源，熱量按徑向和軸向傳遞給橡膠件部分。插針配合處為熱量集中產(chǎn)生處，故插針配合處周圍區(qū)域的溫度升高最明顯，最大溫升達到了22.309℃以上，并沿著插針配合向四周逐漸下降。圖5為橡膠件溫度分布圖，由圖可看出其溫度的梯度分布云圖，根據(jù)動圖可以看出其在較快的速度下從9℃升高到22℃，之后緩慢逼近穩(wěn)態(tài)溫度22.309℃。

4 ?結(jié)語

本文首先根據(jù)熱電耦合理論，并結(jié)合連接器插針配合的實際結(jié)構(gòu)，分析了單針配合通以10A集中電流下的溫度場分布情況，為進一步進行連接器整體熱傳導分析提供了條件。其次根據(jù)熱力學經(jīng)典理論，分析了連接器整體的熱量傳遞方式，將整體結(jié)構(gòu)適當簡化并建模，分析得到了連接器整體的溫度分布情況。本文建模分析時考慮了接觸電阻的影響，連接器溫度分布更加合理。本文的模擬結(jié)果對進一步研究溫度升高對連接器各方面性能的影響具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 許成彬.耐高溫電連接器熱分析與可靠性研究[D].浙江理工大學，2015

[2] 文藝.電連接器溫度場數(shù)值分析研究[D].河北工業(yè)大學，2012.

[3] 齊鵬遠，劉偉杰.基于ABAQUS軟件的熱傳導問題分析[J].科技創(chuàng)新導報，2015（34）：135-136.