连接器热设计基本建模、有限元材料分析与优化设计
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摘要
连接器作为电子设备和元器件的重要组成部分,担负联通部件设备之间信号的重任,连接器的可靠性和安全性直接决定了其所在设备的安全性和可靠性。随着连接器未来小型化、智能化和集成化的发展趋势,如何控制连接器的温升,使其不超过其可靠性规定的最高温度的限值,从而保证连接器的热可靠性和安全性就显得尤为重要。
课题在分析了同轴连接器的结构及散热方式的基础上,建立了连接器的热传递模型：连接器内部为热传导散热,表面为对流散热。同时根据同轴连接器的结构,得出了连接器的热场分布的计算公式,并计算出了在四种不同工作载荷下连接器的温度场。
利用Pro/E对连接器进行三维建模,建立了同轴连接器的实体模型。根据连接器的结构对其温度场的影响,分别在连接器的插孔及插针外壳上切割不同数量的缝隙,把连接器的插孔和插针外壳分割成不同的部分,依此建立十种不同的连接器实体模型。
使用ANSYS Workbench对连接器进行热-结构的耦合仿真分析。根据建立的十种不同的实体模型,在通过不同工作载荷的情况下,仿真分析40种不同的仿真模型,得出40种模型的温度场,并依此得出连接器温度场中的最大温度点、最小温度点及这两温度极值点的位置。得出了连接器的结构及工作载荷对连接器温度场的影响。结果表明,在接触电阻不变的情况下,连接器的结构对其温度场的影响不大,但却随着工作载荷的增大而增大。
搭建了连接器温度测试系统。在测试系统中,使用铂电阻温度传感器PT100测量了连接器插孔表面的温度值。测试系统中,解决了温度传感器在连接器内部的固定问题。温度测试实验中,进行了不同工作载荷情况下的温升测试,实验结果表明温升与仿真及理论计算结果相符。
比较连接器的理论温升、仿真实验及实际测试结果,结果表明,三者具有较好的一致性,本课题研究的热设计基本建模和有限元仿真可以反映连接器接触点数量及接触位置对连接器温度场的影响。
As the important electronic equipment, connectors charged with the important task to Unicom the signal between parts of devices. The reliability of the connector affects the safety and reliability of the equipment. With the connector's miniaturization, intelligent and integrated development trends, it is very important to control the temperature rise and make sure that it does not exceed the highest temperature limit. And it is particularly important to ensure thermal reliability and security of the connector.
This issue creates the heat transfer model of the connector based on the analysis of the structure of the coaxial connector and cooling:it is heat conduction cooling inside the connector and convection cooling on the surface of the connector. And according to the structure of the connector, the calculation formula for the thermal distribution of the connector could be found. The temperature filed in different work load vale could be calculated by the calculation formula.
Use the Pro/E to create three-dimensional model for the connector, and get the solid model of the coaxial connector. According to the effects about the structure to the temperature filed, different cut slits on the connector socket and pin housing divide them into different parts, and to create ten different connector solid models.
Use ANSYS Workbench to analysis thermal-structure coupling simulation of the connector. Analysis40different types of simulation model with different work-loads based on the ten different solid models. Find the maximum temperature, minimum temperature points and the location of those two temperature extremes from the temperature filed. And obtain the effects of the structure of the connector to the temperature filed. The results show that, in the case of constant contact resistance, the structure of the connector has little effect on its temperature field, but increases with increasing work load.
Build the connector temperature test system. In the test system, the platinum resistance temperature sensor PT100has been used to measure the temperature on the surface of the connector socket. Solve the fixed problem of how to fix the temperature sensor inside the connector. Temperature rise test has been tested in case of different work-loads, and the results show that the temperature rise could match the result of the simulation and the theoretical calculation.
Compare the results of the theoretical calculation, the simulation and the temperature test. The comparing result shows that they have a good consistency. The basic modeling and finite element simulation of the thermal design can reflect the effects of the number of connector contact points and the contact position to the connector's temperature field.
课题在分析了同轴连接器的结构及散热方式的基础上,建立了连接器的热传递模型：连接器内部为热传导散热,表面为对流散热。同时根据同轴连接器的结构,得出了连接器的热场分布的计算公式,并计算出了在四种不同工作载荷下连接器的温度场。
利用Pro/E对连接器进行三维建模,建立了同轴连接器的实体模型。根据连接器的结构对其温度场的影响,分别在连接器的插孔及插针外壳上切割不同数量的缝隙,把连接器的插孔和插针外壳分割成不同的部分,依此建立十种不同的连接器实体模型。
使用ANSYS Workbench对连接器进行热-结构的耦合仿真分析。根据建立的十种不同的实体模型,在通过不同工作载荷的情况下,仿真分析40种不同的仿真模型,得出40种模型的温度场,并依此得出连接器温度场中的最大温度点、最小温度点及这两温度极值点的位置。得出了连接器的结构及工作载荷对连接器温度场的影响。结果表明,在接触电阻不变的情况下,连接器的结构对其温度场的影响不大,但却随着工作载荷的增大而增大。
搭建了连接器温度测试系统。在测试系统中,使用铂电阻温度传感器PT100测量了连接器插孔表面的温度值。测试系统中,解决了温度传感器在连接器内部的固定问题。温度测试实验中,进行了不同工作载荷情况下的温升测试,实验结果表明温升与仿真及理论计算结果相符。
比较连接器的理论温升、仿真实验及实际测试结果,结果表明,三者具有较好的一致性,本课题研究的热设计基本建模和有限元仿真可以反映连接器接触点数量及接触位置对连接器温度场的影响。
As the important electronic equipment, connectors charged with the important task to Unicom the signal between parts of devices. The reliability of the connector affects the safety and reliability of the equipment. With the connector's miniaturization, intelligent and integrated development trends, it is very important to control the temperature rise and make sure that it does not exceed the highest temperature limit. And it is particularly important to ensure thermal reliability and security of the connector.
This issue creates the heat transfer model of the connector based on the analysis of the structure of the coaxial connector and cooling:it is heat conduction cooling inside the connector and convection cooling on the surface of the connector. And according to the structure of the connector, the calculation formula for the thermal distribution of the connector could be found. The temperature filed in different work load vale could be calculated by the calculation formula.
Use the Pro/E to create three-dimensional model for the connector, and get the solid model of the coaxial connector. According to the effects about the structure to the temperature filed, different cut slits on the connector socket and pin housing divide them into different parts, and to create ten different connector solid models.
Use ANSYS Workbench to analysis thermal-structure coupling simulation of the connector. Analysis40different types of simulation model with different work-loads based on the ten different solid models. Find the maximum temperature, minimum temperature points and the location of those two temperature extremes from the temperature filed. And obtain the effects of the structure of the connector to the temperature filed. The results show that, in the case of constant contact resistance, the structure of the connector has little effect on its temperature field, but increases with increasing work load.
Build the connector temperature test system. In the test system, the platinum resistance temperature sensor PT100has been used to measure the temperature on the surface of the connector socket. Solve the fixed problem of how to fix the temperature sensor inside the connector. Temperature rise test has been tested in case of different work-loads, and the results show that the temperature rise could match the result of the simulation and the theoretical calculation.
Compare the results of the theoretical calculation, the simulation and the temperature test. The comparing result shows that they have a good consistency. The basic modeling and finite element simulation of the thermal design can reflect the effects of the number of connector contact points and the contact position to the connector's temperature field.
引文
[1]赵悖殳 著.电子设备热设计电子工业出版社2009.3
[2]苏来军.USB3.0连接器的高机械寿命性能研究与实现[D].上海：上海交通大学,2010.
[3]任国泰电连接器基本知识机电元件2004.06.25
[4]宋冬刘正勇电连接器的特性与选用电子机械工程2009 25(2)47-53
[5]吕永超杨双根电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展电子机械工程200723(1)：5-10
[6]于慈远于湘珍杨为民电子设备热分析/热设计/热测试技术初步研究微电子学2000.1030(5)：334-337
[7]祝宇琳热分析技术主流方向探讨信息技术2011(9)：175-1 76
[8]齐永强何雅玲张伟等电子设备热设计的初步研究现代电子技术2003(1)：73-79
[9]王坚徐国华电子设备热设计分析及优化广东工业大学学报2003.9 20(3)：54-57
[10]王秋君张娜电子设备热分析与热设计研究2006年全国电子机械和微波结构工艺学术会议论文集 23-27
[11]张世欣高进石晓郁印制电路板的热设计和热分析现代电子技术2007(18期)189-192
[12]李琴朱敏波刘海东等电子设备热分析及软件应用计算机辅助工程2005.6 14(2)：50-52
[13]王亚轩带栅板的新型管道散热性能数值仿真.价值工程2011(27)：43
[14]张兴旺计算机设备的热设计电子工艺技术2001.1 22(1)：36-40
[15]向广超军用电子机箱的热分析与热设计西安工业大学2008.5
[16]吕瑞雪电连接器的热性能研究北京邮电大学硕士论文2011-01-01
[17]张峰基于ANSYS的DC/DC电源模块热分析与热设计研究重庆大学2008.11
[18]何跃娟金属管状材料中脉冲激光热弹激发超声的有限元数值模拟研究.南京理工大学博士论文.2006.4.1
[19]古晓东张慧洁陈唐龙等著.基于ANSYS的接触线烧伤热分析电气化铁道2010.4：13-16
[20]鲍晓华王瑞男倪有源刘健等汽车发动机转子三维温度场有限元计算电机与控制应用2011 38(1)5-10
[21]梁尚明 闫喜江王贤宙热核实验反应堆重力支撑系统的有限元热-力耦合分析西南交通大学学报2009.10 44(5)738-742
[22]华庆殷景华焦国芹等基于ANSYS的功率VDMOS器件的热分析及优化设计电子器 件2009.4 32(2)：354-356
[23]安利强王璋奇唐贵基干式电抗器三维温度场有限元分析与温升实验华北电力大学学报2002.7 29(3)75-78
[24]钱中基于ANSYS的芯片冷却器传热分析制冷技术2011.10 39(10)：44-46
[25]何晴高频连接器性能分析北京邮电大学硕士论文2011.01.25
[26]李有荣无双应著.传热学.科学出版社2012
[27]苑中显陈永昌著.工程传热学-基础理论与专题应用.科学出版社.2012
[28](日)圆山重直著王世学张信荣编译.传热学北京大学出版社2011.9
[29]谢龙汉李翔张海高杰著ANSYS FLOTRAN流体及热分析电子工业出版社2012.1
[30]http:///detail.china.alibaba.com/offer/792867626.html
[31]刘国华李德溥张海兵等著Pro/ENGINEER Wildfire5.0产品设计行业应用实践.机械工业出版社2010.3
[32](韩)严正著Pro/ENGINEER中文野火版CAD/CAM/CAE权威指南.中国青年出版社.2008
[33]杜平安于亚婷刘建涛著.有限元法-原理、建模及应用2版国防工业出版2011.8：2-14
[34]曾攀石伟雷丽萍著.工程有限元法科学出版社2010.2：1-8
[35]张朝晖 李树奎著ANSYS11.0有限元分析理论及工程应用 电子工业出版社2008
[36]张应迁张洪才著ANSYS有限元分析从入门到精通 人民邮电出版社2010.7
[37]祝效华余志祥著ANSYS高级工程有限元分析范例精选电子工业出版社2004
[38]王富耻张朝晖著ANSYS 10.0有限元分析理论与工程应用电子工业出版社2006.5
[39]张洪信管殿柱著.有限元基础理论及ANSYS 11.0应用机械工业出版社2009.10
[40]李冰何正嘉陈雪峰著ANSYS Workbench设计、仿真与优化清华大学出版社2011.9
[41]李范春著ANSYS Workbench设计建模与虚拟仿真电子工业出版社2011.8
[42]陆爽孙明礼 丁金福等 著ANSYS Workbench13.0有限元分析从入门到精通机械工业出版社2012.3：1-1]
[43]胡方杨文英刘俊王淑娟等著.基于三维热场有限元的电力连接器出头温升测量方法低压电器2010.11：17-21
[2]苏来军.USB3.0连接器的高机械寿命性能研究与实现[D].上海：上海交通大学,2010.
[3]任国泰电连接器基本知识机电元件2004.06.25
[4]宋冬刘正勇电连接器的特性与选用电子机械工程2009 25(2)47-53
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[9]王坚徐国华电子设备热设计分析及优化广东工业大学学报2003.9 20(3)：54-57
[10]王秋君张娜电子设备热分析与热设计研究2006年全国电子机械和微波结构工艺学术会议论文集 23-27
[11]张世欣高进石晓郁印制电路板的热设计和热分析现代电子技术2007(18期)189-192
[12]李琴朱敏波刘海东等电子设备热分析及软件应用计算机辅助工程2005.6 14(2)：50-52
[13]王亚轩带栅板的新型管道散热性能数值仿真.价值工程2011(27)：43
[14]张兴旺计算机设备的热设计电子工艺技术2001.1 22(1)：36-40
[15]向广超军用电子机箱的热分析与热设计西安工业大学2008.5
[16]吕瑞雪电连接器的热性能研究北京邮电大学硕士论文2011-01-01
[17]张峰基于ANSYS的DC/DC电源模块热分析与热设计研究重庆大学2008.11
[18]何跃娟金属管状材料中脉冲激光热弹激发超声的有限元数值模拟研究.南京理工大学博士论文.2006.4.1
[19]古晓东张慧洁陈唐龙等著.基于ANSYS的接触线烧伤热分析电气化铁道2010.4：13-16
[20]鲍晓华王瑞男倪有源刘健等汽车发动机转子三维温度场有限元计算电机与控制应用2011 38(1)5-10
[21]梁尚明 闫喜江王贤宙热核实验反应堆重力支撑系统的有限元热-力耦合分析西南交通大学学报2009.10 44(5)738-742
[22]华庆殷景华焦国芹等基于ANSYS的功率VDMOS器件的热分析及优化设计电子器 件2009.4 32(2)：354-356
[23]安利强王璋奇唐贵基干式电抗器三维温度场有限元分析与温升实验华北电力大学学报2002.7 29(3)75-78
[24]钱中基于ANSYS的芯片冷却器传热分析制冷技术2011.10 39(10)：44-46
[25]何晴高频连接器性能分析北京邮电大学硕士论文2011.01.25
[26]李有荣无双应著.传热学.科学出版社2012
[27]苑中显陈永昌著.工程传热学-基础理论与专题应用.科学出版社.2012
[28](日)圆山重直著王世学张信荣编译.传热学北京大学出版社2011.9
[29]谢龙汉李翔张海高杰著ANSYS FLOTRAN流体及热分析电子工业出版社2012.1
[30]http:///detail.china.alibaba.com/offer/792867626.html
[31]刘国华李德溥张海兵等著Pro/ENGINEER Wildfire5.0产品设计行业应用实践.机械工业出版社2010.3
[32](韩)严正著Pro/ENGINEER中文野火版CAD/CAM/CAE权威指南.中国青年出版社.2008
[33]杜平安于亚婷刘建涛著.有限元法-原理、建模及应用2版国防工业出版2011.8：2-14
[34]曾攀石伟雷丽萍著.工程有限元法科学出版社2010.2：1-8
[35]张朝晖 李树奎著ANSYS11.0有限元分析理论及工程应用 电子工业出版社2008
[36]张应迁张洪才著ANSYS有限元分析从入门到精通 人民邮电出版社2010.7
[37]祝效华余志祥著ANSYS高级工程有限元分析范例精选电子工业出版社2004
[38]王富耻张朝晖著ANSYS 10.0有限元分析理论与工程应用电子工业出版社2006.5
[39]张洪信管殿柱著.有限元基础理论及ANSYS 11.0应用机械工业出版社2009.10
[40]李冰何正嘉陈雪峰著ANSYS Workbench设计、仿真与优化清华大学出版社2011.9
[41]李范春著ANSYS Workbench设计建模与虚拟仿真电子工业出版社2011.8
[42]陆爽孙明礼 丁金福等 著ANSYS Workbench13.0有限元分析从入门到精通机械工业出版社2012.3：1-1]
[43]胡方杨文英刘俊王淑娟等著.基于三维热场有限元的电力连接器出头温升测量方法低压电器2010.11：17-21