基于ANSYS的J599连接器温升测试方法

魏荣航 朱宁

（贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009）

J599系列产品为圆形电连接器，是满足GJB 599B–2012《耐环境快速分离高密度小圆形电连接器通用规范》的耐环境快速分离高密度小圆形电连接器，等效于MIL-DTL-38999标准。该系列产品在众多系列的电连接器中无论是产品结构、技术性能指标和标准化程度，还是应用范围一直都占有主导和领先地位。其以技术先进、类型齐全、可靠性高的特点受到各界的关注和青睐。自20世纪80年代我国部分军事领域开始使用该系列产品[1]。

作为一种电子元器件，对于工作温度也有一定要求。根据GJB 1217A-2009《电连接器试验方法》，J599连接器环境温度为125℃，连接器内部最高温度为150℃，即内部最大温升不能超过25℃。试验测量温度一般采用传感器测量指定点，而传感器很难放入连接器内部，一般都是测量接触件尾端温度，导致测量精度不高。用ANSYS软件进行产品温升分析，可以得到整个产品所有位置的温度结果，可以有效解决实际测量困难的问题。

一般情况下，J599连接器温升不会超过指标要求，但如果是因接触件磨损、镀层氧化、振动等原因则会导致接触电阻增大，还有电流波动也会导致产品温升的波动，所以分析接触电阻、工作电流对产品温升的影响也是很有必要的[2-3]。

图1 J599连接器产品图

1 J599连接器温升建模

1.1 产品参数

J599连接器实物如图1所示。使用的是22号接触件，每个接触件工作电流为3A，接触电阻为5mΩ左右，环境温度为125℃，要求最高温升不超过25℃。

1.2 有限元模型

根据能量守恒定律，在平衡状态时，连接器通电产生的热等于其散热总量。在空气中，整体对外散热主要靠热对流和热辐射，其内部热量转移主要靠热传导。在瞬态热分析中，产生的热和对外散发的热不一定平衡。当产生热大于散热时，整体就升温；当产生热小于散热时，整体就降温；当产生热与散热平衡时，整体温度稳定。对于固定电流工作的连接器，其整体温度是先增长较快，后来增长平缓，最终达到平衡。

对外散热功率 P1见公式 （1）：第一项为热对流，与温度差成正比；第二项为热辐射，和温度的四次方差成正比。可以看出，当温度比较低时，热对流占主导，当温度越来越高时，热辐射比重逐渐增加。本文分析的连接器工作环境温度为125℃，热辐射不能忽略。

连接器的发热功率P2包含两部分：自身电阻发热和接触电阻发热。按公式 （2）进行计算。接触件材料受其力学、使用环境、工艺等影响，一般选用铍青铜或锡青铜，自身电阻部分一般是不变的。而接触电阻受接触件表面状态和接触压力影响，是可控的，主要通过控制接触电阻的大小来控制连接器的发热功率。

公式 （1）和 （2）中，h——对流系数 （W/m2℃）；A——散热面表面积 （m2）； σ——斯蒂芬一玻尔兹曼常数 （5.67×10-8W/m2℃4）； ε——放射率 （无量纲）；F——形状系数 （默认是1）；T1——散热面温度 （℃）；T2——环境温度 （℃）；R1——自身电阻 （Ω）；R2——接触电阻 （Ω）。

2 J599连接器温升性能仿真

2.1 仿真流程

先运用三维软件Inventor进行J599连接器插头插座的建模，然后导入到ANSYS Workbench中进行温升仿真分析。仿真分析分为前处理、后处理。前处理主要进行仿真分析的相关设置；后处理是查看仿真分析的结果。

2.2 仿真前处理

2.2.1 模型处理

因为连接器结构较复杂，需要对其进行简化。将屏蔽簧片、波形垫圈等对温升影响很小的零件删除，并忽略整体一些小特征。

2.2.2 边界条件设置

温度分析边界条件如图2所示。整体为J599插头插座插合状态模型，在接触件表面加载功率密度载荷模拟接触电阻发热，接触电阻为5mΩ，电流为3A，面积为 1.53×10-5m2，功率密度P/S=I2R/S= （32×0.005） /（1.53×10-5） =2941 （W/m2），加上125℃温度下铜合金电阻会提升30%，最终功率密度为 2941×1.3=3823 （W/m2）， 如图 2中“A”所示。给外表面加载对流和辐射载荷，辐射率查表为0.8，对流边界如图2中 “B”所示，辐射边界如图2中 “C”所示。

2.2.3 相关参数设置

表1所列为基座、封线体、接触件和外壳的导热系数。

图2 温度边界条件设定

表1 材料设置

将整体结构以网格形式划分为十节点四面体单元，共计划分节点144709，单元77699。接触设置方面采用默认容差值，保证接触件、外壳和基座、封线体间的接触，并检查去除不该接触的面，接触类型使用默认的Bonded即可。

2.3 仿真分析结果

得出125℃环境温度下产品稳态工作温度分布剖视图如图3所示，温度经过平均化处理，图中颜色越深的部分表明温度越高。最高温度约为140℃，分布在中间接触件上，即最大温升为15℃，未超过产品的最大温升指标25℃。

图3 工作温度分布图

端子头部温升曲线如图4所示，基座口部温升曲线如图5所示，可以看出，工作半小时后温升基本稳定，最终端子头部温升比基座口温升高9.6℃。

图4 端子头温升曲线

图5 基座口温升曲线

2.4 接触电阻影响分析

产品在实际使用中，在氧化、腐蚀、振动等因素的影响下会导致接触件的接触电阻产生波动，当接触电阻增加过多时，产品温升可能会超过其允许工作温升，所以接触电阻对温升的影响分析十分必要。

J599产品每个接触件接触电阻为5mΩ，分析接触电阻从2mΩ～10mΩ变化时温升的变化，得出的端子头部温升和基座口部温升见表2。从表2中可以看出，10mΩ接触电阻时产品最高温升已经超过产品最高温升指标25℃，且端子头部温升和基座口部温升成正比，比例约为2.9倍。为保证产品最大温升不超过25℃，接触电阻应控制在8mΩ以内。

表2 接触电阻对温升的影响

2.5 仿真结果与试验结果的比较

对各种状态接触电阻的产品在125℃时的稳态工作温升进行试验，在产品上钻一个小孔，用于监测内部端子头部的温升。得出J599产品实验和仿真对比结果，见表3。

表3 试验与仿真结果对比

从表3可以看出，仿真结果和实际结果很接近，仿真结果可以很好地模拟实际情况。

3 结论

本文基于ANSYS软件对J599连接器的温升进行仿真分析，并分析接触电阻对产品温升的影响。J599电连接器在最高环境温度时的最大温升为25℃，通过仿真和试验相结合的方法，得出仿真结果的可靠性。通过分析比较端子头部温升和基座口部温升，得出这两者成正比且比值为2.9左右，这样就可以通过监测基座口部的温升来间接测量端子头部的温升。对接触电阻的影响度分析得出该产品在125℃环境下工作时，单个接触件接触电阻应控制在8mΩ以内。分析结果和实测结果是一致的，表明验证仿真是有效的。采用计算机仿真可以很好地模拟连接器温升，对连接器设计有指导意义，同样适用于其他系列连接器。

仿真分析可以有效地为设计提供理论参考，在设计初期使用仿真可以缩短研发周期，降低研发费用，保证设计一次成功率。对该产品的仿真和试验得出了一种通过监测基座口部温升来间接监测接触件头部温升的方法，可以在不破坏产品的情况下进行温升试验，具有很强的实用性，而接触电阻的影响分析也为设计提供依据。

［1］杨奋为.航天用电连接器的接触可靠性研究［J］. 机电元件， 1999 （12）.

［2］吕斌，唐敏，周升俊.电连接器接触优化设计研究 ［J］.计算机科学与技术，2006，24（3）.

［3］胡方，杨文英，刘俊.基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法.低压电器， 2010 （11）.