郭振躍

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

連接器廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶等各個(gè)領(lǐng)域，是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)[1]。密封連接器作為連接器的一個(gè)重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航天、航空、核工業(yè)、兵器、艦船、電子、交通、計(jì)算機(jī)、通訊、醫(yī)療、石油勘探、復(fù)雜的軍事環(huán)境和軍用場(chǎng)合等領(lǐng)域。密封連接器有橡膠墊密封、膠密封、玻璃燒結(jié)密封等類(lèi)型，在承受較高溫度和壓力的使用環(huán)境條件下，常選用玻璃燒結(jié)密封連接器。它可在高于橡膠或塑料所能承受的溫度下工作，其密封性也比一般連接器高得多[2]。但是玻璃燒結(jié)過(guò)程較為復(fù)雜，選材及工藝參數(shù)設(shè)置的合理性對(duì)于燒結(jié)質(zhì)量影響很大，設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中玻璃子破裂，因此對(duì)玻璃燒結(jié)過(guò)程中玻璃子的熱應(yīng)力分析意義重大。

本文以某連接器組件為例進(jìn)行分析，應(yīng)用ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合模塊，先用瞬態(tài)熱分析得出整體降溫過(guò)程中二極管的溫度分布變化，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析得出玻璃燒結(jié)過(guò)程中玻璃子應(yīng)力分布情況，確定了玻璃子上的最大應(yīng)力位置，為二極管的選擇提供了有力支撐。

由于主要分析二極管上玻璃子的應(yīng)力，因此采用了四種不同類(lèi)型的二極管。分別為：BWA50型二極管、2CZ103D型二極管、5°不同軸BWA50型二極管和5°不同軸2CZ103D型二極管，它們之間的區(qū)別如圖1所示。通過(guò)仿真分析得出安全性能最佳的二極管類(lèi)型，為設(shè)計(jì)連接器組件的二極管選擇提供有力的依據(jù)。

圖1 同軸與5°不同軸二極管

2 ANSYS熱-結(jié)構(gòu)耦合

ANSYS是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的有限元軟件之一，特別是推出Workbench平臺(tái)之后，操作上十分簡(jiǎn)便，各種耦合分析數(shù)據(jù)交互的便捷性方面更是一般軟件難以比擬的。對(duì)于需要求解整體溫度分布的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析用熱分析和結(jié)構(gòu)分析兩個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而對(duì)于已知整體溫度邊界條件的分析則只需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析模塊單獨(dú)進(jìn)行分析即可，因?yàn)锳NSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊中可以包含熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等熱參數(shù)。

ANSYS熱分析基于傅里葉方程，溫度矩陣{T}通過(guò)下面的矩陣方程解得：

[K(T)]{T}={a(T)}

(1)

固體內(nèi)部的熱流是[K]的基礎(chǔ)，在降溫過(guò)程中因?yàn)闆](méi)有發(fā)熱源，內(nèi)部熱流主要為各零件之間的熱傳導(dǎo)。熱通量、熱流率以及對(duì)流是{Q(T)}的邊界條件，對(duì)流雖然和溫度相關(guān)，但變化不大，可以近似為邊界條件，靜止空氣環(huán)境下對(duì)流系數(shù)為5W/m2℃。

熱應(yīng)變由溫度差和熱膨脹系數(shù)得出：

ε=αΔT

(2)

最后可得熱應(yīng)力：σ=Eε

(3)

E為材料的彈性模量。

3 玻璃的強(qiáng)度

玻璃是一種脆性材料，其強(qiáng)度可以用抗拉、抗壓、抗折、抗沖擊等指標(biāo)來(lái)表示。玻璃得到廣泛應(yīng)用的原因之一就是因?yàn)槠淇箟簭?qiáng)度高，但是其抗拉、抗折強(qiáng)度則相對(duì)較低。一般玻璃的抗折強(qiáng)度為700MPa左右，抗拉強(qiáng)度為50～100MPa，而抗壓強(qiáng)度則是抗拉強(qiáng)度的幾十至一百倍。玻璃強(qiáng)度偏低的主要原因是玻璃的脆性和玻璃中存在微裂紋，尤其是表面裂紋和應(yīng)力不均勻區(qū)。玻璃在受力時(shí)很難有效的將應(yīng)力進(jìn)行分散，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致玻璃破壞[3]。

玻璃和金屬封接中玻璃應(yīng)力主要有三類(lèi)：熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，本文主要討論玻璃燒結(jié)過(guò)程，因此主要分析熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力兩部分。仿真得出的應(yīng)力為最終總應(yīng)力，按照玻璃最薄弱的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度，因此主要依據(jù)該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)玻璃子強(qiáng)度進(jìn)行分析即可。

4 仿真分析

4.1 二極管溫沖分析

4.1.1 模型處理

因?yàn)檫B接器組件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。將螺釘?shù)葘?duì)溫沖影響很小的零件刪除，并忽略整體一些小特征。保留印制板及四個(gè)二極管模型。

4.1.2 定義邊界條件與載荷

二極管高溫溫沖為常溫至60℃，低溫溫沖為常溫至-55℃，因此溫度模塊中將環(huán)境溫度設(shè)為22℃。高溫溫沖，對(duì)流中的環(huán)境溫度從22℃升至60℃，低溫溫沖，對(duì)流中的環(huán)境溫度從22℃降至-55℃。固定印制板中遠(yuǎn)離二極管處的安裝孔。

4.1.3 定義材料、及網(wǎng)格劃分

二極管及印制板各部分材料及對(duì)應(yīng)的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型各零部件材料特性

考慮到仿真的精度，印制板和二極管采用系統(tǒng)自帶最優(yōu)等密度網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2，共有955690個(gè)節(jié)點(diǎn)，245397個(gè)單元。

圖2 整體網(wǎng)格劃分

4.1.4 定義接觸

二極管和印制板是焊接的，且主要考慮二極管中玻璃子自身應(yīng)力是否超標(biāo)，所以接觸按照自動(dòng)設(shè)定的Bonded類(lèi)型，保留Workbench自動(dòng)生成的86個(gè)接觸對(duì)即可。

4.1.5 仿真結(jié)果分析

因?yàn)椴Ａ强箟翰豢估拇嘈圆牧?，因此主要關(guān)注其最大主應(yīng)力中的拉應(yīng)力指標(biāo)是否超出材料的抗拉強(qiáng)度。

得出高溫溫沖時(shí)玻璃子最大拉應(yīng)力分布如圖3。可以看出BWA50型二極管玻璃子上主應(yīng)力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應(yīng)力大。5°不同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力比同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力大，且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。

圖3 高溫溫沖玻璃子最大主應(yīng)力分布圖

四個(gè)二極管玻璃子中不同軸BWA50玻璃子最大拉應(yīng)力最大，為60MPa左右，達(dá)到玻璃子的抗拉強(qiáng)度，玻璃子有破裂風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際相符。同時(shí)玻璃子的最大拉應(yīng)力分布在玻璃子口部，實(shí)際若是應(yīng)力超標(biāo)時(shí)也會(huì)在這些部位出現(xiàn)裂紋，這點(diǎn)也和實(shí)際一致。

得出低溫溫沖時(shí)玻璃子最大拉應(yīng)力分布如圖4?？梢钥闯鯞WA50型二極管玻璃子上主應(yīng)力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應(yīng)力大。5°不同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力比同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力大，且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。

圖4 低溫溫沖玻璃子最大主應(yīng)力分布圖

四個(gè)二極管玻璃子中不同軸BWA50玻璃子最大拉應(yīng)力最大，為50MPa左右，接近于玻璃子的抗拉強(qiáng)度，玻璃子有一定的破裂風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際相符。同時(shí)玻璃子的最大拉應(yīng)力也分布在玻璃子口部，實(shí)際若是應(yīng)力超標(biāo)時(shí)也會(huì)在這些部位出現(xiàn)裂紋，這點(diǎn)也和實(shí)際一致。

通過(guò)二極管玻璃子溫沖分析，高溫溫沖和低溫溫沖仿真結(jié)果具有很強(qiáng)的相似性，BWA50型二極管玻璃子上主應(yīng)力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應(yīng)力大。5°不同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力比同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力大，且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。不管是低溫溫沖還是高溫溫沖，不同軸BWA50玻璃子都具有破裂風(fēng)險(xiǎn)，因此不能選用該類(lèi)型二極管作為連接器組件中的零部件。發(fā)生破裂風(fēng)險(xiǎn)的主要原因是該類(lèi)二極管軸向有偏差，以及BWA50型二極管比2CZ103D型二極管在連接處存在一定厚度的膨脹系數(shù)較小的硅鋁片。最終選擇軸向一致性較好的2CZ103D二極管作為本次連接器組件設(shè)計(jì)的元件。

4.2 連接器組件隨機(jī)振動(dòng)分析

4.2.1 模型處理

模型處理與溫沖分析類(lèi)似，同時(shí)保留連接器組件外殼。

4.2.2 定義邊界條件與載荷

分析整個(gè)裝配體在隨機(jī)振動(dòng)作用下的響應(yīng)情況。首先要進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)外殼外側(cè)圓弧面進(jìn)行了約束。分析中得到的前三階固有頻率如表2所示。三個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)條件如圖5，按圖5施加隨機(jī)振動(dòng)載荷。

表2 前三階固有頻率

圖5 隨機(jī)振動(dòng)條件

4.2.3 定義材料、及網(wǎng)格劃分

外殼材料為鋁合金，二極管及印制板各部分材料及對(duì)應(yīng)的力學(xué)參數(shù)與表一樣。網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)自帶中等密度網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖6，共有125557個(gè)節(jié)點(diǎn)，36012個(gè)單元。

圖6 整體網(wǎng)格劃分

4.2.4 定義接觸

二極管和印制板是焊接的，印制板由螺釘固定在外殼，且主要考慮二極管中玻璃子自身應(yīng)力是否超標(biāo)，所以接觸按照自動(dòng)設(shè)定的Bonded類(lèi)型，保留Workbench自動(dòng)生成的94個(gè)接觸對(duì)即可。

4.2.5 仿真結(jié)果分析

因?yàn)椴Ａ强箟翰豢估拇嘈圆牧?，因此主要關(guān)注其最大主應(yīng)力中的拉應(yīng)力指標(biāo)是否超出材料的抗拉強(qiáng)度。仿真得到X、Y、Z向隨機(jī)振動(dòng)玻璃子3σ應(yīng)力分布如圖7、8、9，最大拉應(yīng)力為Z向的8.2MPa，應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于玻璃子材料的抗拉強(qiáng)度，隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度都沒(méi)有問(wèn)題。

圖7 X向隨機(jī)振動(dòng)玻璃子3σ應(yīng)力分布

圖8 Y向隨機(jī)振動(dòng)玻璃子3σ應(yīng)力分布

圖9 Z向隨機(jī)振動(dòng)玻璃子3σ應(yīng)力分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)連接器組件中二極管的玻璃燒結(jié)過(guò)程用ANSYS熱-結(jié)構(gòu)耦合模塊及隨機(jī)振動(dòng)模塊進(jìn)行了分析，比較了兩種不同型號(hào)和同種型號(hào)不同軸共四種不同二極管模型在高溫溫沖和低溫溫沖以及隨機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)力水平。

通過(guò)仿真分析得出，高溫溫沖和低溫溫沖，BWA50型二極管玻璃子上主應(yīng)力比2CZ103D型二極管玻璃子上的主應(yīng)力大，并且5°不同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力比同軸二極管上玻璃子主應(yīng)力大,且BWA50二極管比2CZ103D二極管更加顯著。5°不同軸BWA50型二極管上玻璃子主應(yīng)力最大為60MPa左右，達(dá)到玻璃子的抗拉強(qiáng)度，玻璃子有破裂風(fēng)險(xiǎn)。隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果顯示：Z向隨機(jī)振動(dòng)玻璃子3σ應(yīng)力分布最大，最大拉應(yīng)力約為8.2MPa，應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于材料抗拉強(qiáng)度，隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)玻璃子強(qiáng)度的分析，選擇了軸向一致性較好的2CZ103D二極管，避免了二極管破裂的風(fēng)險(xiǎn)，為二級(jí)管的選擇提供了有力依據(jù)。該分析方法同樣適用于其它類(lèi)型的玻璃燒結(jié)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)初期使用仿真可以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，保證設(shè)計(jì)一次成功率，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。