赵娟 刘江涛

摘 要：为了研究温度对电连接器的影响，介绍了等效电阻，通过模拟电连接器的温度场，得出电连接器温度场分布情况，得出电连接器接触面最高上升温度约23.2℃的结论；通过对电连接器的温度--结构耦合场模拟，可以得出结论：温度引起的热变形对接触应力影响不大，温度对电连接器的影响主要体现在金属表面的氧化速率上。通过建模和理论分析，得到了温度应力下电连接器的失效物理过程和方程，为电连接器的可靠性设计开辟了新的思路。

关键词：热分析；电连接器；温度应力

电连接器是完成电信号传输和控制以及电子和电气元件之间进行电连接的基本组件。它广泛应用于电子，机械和信息领域，并发挥着重要作用。一般电气设备或电气系统正常运行需要安装各种电气连接器。电气连接器要求在使用设备系统环境的条件下能够可靠的连接电路，信号传输，实现相应的功能，其可靠性将直接影响整个设备系统的稳定可靠工作，满足人们对系统的要求可靠性水平越来越高，对电连接器进行可靠性分析已成为电子电气设备研究的重要课题。一些学者在环境应力空间电连接器的作用下为研究的可靠性，采用一些专家等效理论研究了电连接器接触力的可靠性，分析了电热连接器电连接器的一体化结构，而焦耳热的引起的电连接器的温度应力研究較少，因此，在分析热电连接器温度应力的基础上研究是必要的。

1电连接器接触电阻的等效体确定

在电连接器中，由接触电阻产生的焦耳热是导致接触部件温度升高的主要因素。因此，接触电阻的热影响主要在建模和仿真过程中考虑。 同时，对流传热系数设定在电连接器的接触部分的接触头外侧的部分上。 综上所述，在综合考虑接触接触电阻和接触片散热对电连接器温度场的影响的基础上，建立了电连接器的温度场分布模型，进行了热模拟分析。

根据国标规定，电连接器判别失效依据：电连接器接触电阻大于或等于5mΩ； 同时电连接器的温升不应超过30℃。通过额定电流的接触电阻产生的焦耳热是接触头热量的主要来源。然而，在温度场仿真分析过程中，接触部分插头的物理模型和单独的电连接器的引脚不能准确地反映接触电阻的影响，这将导致大的误差。因此，采用等效接触电阻的方法。即，根据具体模型，接触电阻被假定为靠近针式插座的环体，以及具体的等效结构图。

在介绍等效接触电阻体的基础上，构造了电连接器的接触模型，并在此基础上进行了电连接器温度场的有限元仿真分析。该分析过程是稳态分析，因为应包括接触体之间的接触分析，应建立相应的接触对。为了实现接触电阻等效体与插入针座之间的传热，实现热交换，应设定热接触传导系数和具体参数。

2电连接器热应力的有限元仿真分析

利用已建立的电连接器模型，对温升作用下的热应力耦合场进行了有限元仿真分析，研究了温升对接触面应力的影响。在对电连接器进行接触分析之前，有必要建立电连接器的接触界面。目标表面是盒的内表面，并且接触表面是销的接触表面。

3电连接器在温度应力作用下的失效物理过程及方程

电连接器接触的失效分析表明，电连接器的接触寿命取决于接触电阻的增长率，接触电阻的增长率由接触表面的热蠕变率和表面腐蚀的增长率决定。在正常工作温度下，温度对接触面的应力影响不大，因此温度对表面的热蠕变影响不大。通过现场试验分析表明，在125℃时，即使温度高于使用电连接器的常温，锡青铜在2000小时内的热蠕变率仅为9.54×10-6 / s，十年蠕变变量后为0.921%。直径约为1毫米的圆形电连接器接触元件，在125℃温度下应力作用，10年后，产生的蠕变变热效应仅为9.21微米，远小于接触面的弹性变形。同时，金属材料的蠕变速率和温度都满足以下关系

ε（t）=C0σ5 exp –[]

ε（t）—蠕变速率；C0—折算系数；σ—金属表面所受到的正应力；W—金属材料自由扩散的激活能（eV）；k—玻尔兹曼常数（0.8617×10-4eV/K）；T—热力学温度（K）

可以看出，蠕变速率随温度的降低呈指数变化。电连接器的接触电阻增长率主要取决于氧化膜在接触率表面上的生长，因此，只要考虑到温度作用下的氧化膜速度增长，就可以反映出电连接器的接触电阻的生长情况，可以得出电连接器接触寿命和温度应力之间的关系。

根据氧化膜的形成机理和质量作用定律，化学反应速度与此时每种反应物的浓度成正比，该反应物的浓度方次等于每种化学式的化学系数。在这种情况下，xA+yB→zC

式中：x，y，z—常数，在某一瞬时，分别以CA、CB和CC表示A、B和C的浓度，则该瞬间的反应速率为：

式中：A—反应速度常数。该值只与反应物的温度有关系。在由反应物转换成生成物的过程中存在着一个称为激活能ΔW 的能量势垒，同时，温度越高，反应的速度也就越快。因而，反应速度常数A 和活化分子的频数二者满足下列关系：A与e-Δw/kT成正比。

其中：α—频数因子；ΔW—激活能（eV）；k—玻尔兹曼常数（0.8167×10-4eV/K）；T—绝对温度（K）

4结语

（1）通过引入等效电阻，通过模拟电连接器的温度场，得出电连接器的温度场分布和最高温度为23.2℃的接触面。（2）通过对电连接器温度 - 结构耦合场的仿真分析，得出温度引起的热变形对接触应力影响不大。温度对电连接器的影响主要表现在金属表面的氧化速率。（3）得到了电连接器在温度应力作用下的失效物理过程，并将其失效物理方程推导为阿伦尼乌斯方程，为电连接器的可靠性设计提供了有力的依据。

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