ANSYS在低压电器触头电接触稳态热分析中的应用

ANSYS在低压电器触头电接触稳态热分析中的应用任晓霞（重庆文理学院，重庆402160）摘要要保证低压电器可靠工作，对其接触单元进行热分析非常重要；有限元分析软件ANSYS融结构、热、流体、电磁、声学分析于一体，利用其对触头的温度场模型进行传热分析，可以直观看出整个低压电器触头系统的稳态热分布情况，而且结合结果处理模块，可以进行准确的数据分析，有着传统电接触热分析所无法比拟的优点。本文通过使用ANSYS分析低压电器触头电接触稳态过程的温度场分布，来阐明其在温度分析中的应用。关键词：ANSYS软件；电接触；稳态热分析；温度场TheApplicationofANSYSonSteadyThermalCharacteristicAnalysisofLowVoltageElectricalApparatusContactsRenXiaoxia（ChongqingUniversityofArtsandSciences,Chongqing402160）AbstractToassurethereliabilityoflowvoltageelectricalapparatus,itisimportanttoanalyzethethermalcharacteristicsofthecontactelement.ThefiniteelementanalysissoftwareANSYScombinesthestructure,thermal,fluid,magneticandacousticsanalysis.Theanalysisofthermalmodelofcontactshavethefeatures,thatthedistributingstatecanbeobserveddirectlyandthedatacanbehandledcorrectlyusingtheresulthandlingmodels.Inaword,ithavemanyadvantageswhichthetraditionalmethodshavenot.Inthearticle,ANSYSisusedtoanalyzethesteadythermalcharacteristicoflowvoltageelectricalapparatuscontacts,whichexpoundsitsapplicationsinthefieldofthermalanalysis.Keywords：ANSYSsoftware；electriccontact；thesteadythermalanalysis；temperaturefield1引言电气系统整机失效中，80％以上电接触失效为接触电阻过大、触点熔焊和粘接、触头材料侵蚀等，研究触头在稳态下的发热，保证这些部分昀高温度不超过规定极限的允许温度，对保证电器工作的可靠性有重要的意义。对该电接触热现象的研究主要是通过观察和测量电接触过程中的相关数据，以了解过程细节和本质，并从中归纳出一些半经验性甚至经验性公式，进而应用于工程计算[1]。20世纪60年代以前，该研究主要是通过实验测量得到数据，但是由于电接触热、电过程发生在接触表面极小局域，而且过程变化的速度极快（热时间常数极小），局域温度可能上升很高即达材料的熔点以上，因而测量存在很大的困难。60年代以后，电子计算机的蓬勃发展和有限元法的普遍应用，解决了该研究数学模型遇到的工具上的障碍[2]。本文将通过介绍有限元计算软件ANSYS低压电器触头系统稳态过程的热分析，来介绍有限元法在电接触热分析过程中的应用。2ANSYS软件简介ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型有限元分析（FEA）软件，已发展成为全球范围一个多用途的设计分析软件。作为新颖的有限元分析软件，其融结构、热、流体、电磁、声学分析于一体[3]，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土水工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究中。ANSYS软件是一功能强大的设计、分析、优化软件。与其他有限元分析软件相比，它有以下特点[4]：（1）产品由一整套可扩展，灵活集成的模块组成，能满足各行各业的工程需要。（2）它不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析。（3）综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可用其进行如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究，例如：热－结构耦合、磁－结构耦合以及电－磁－流体－热耦合等等。它在处理热分析问题方面具有强大的功能，热分析问题一直是ANSYS重要的应用领域。3ANSYS电接触稳态热分析的理论基础有触点的传统低压电器动静触头稳定闭合后，由于存在接触电阻、收缩电阻以及金属材料本身电阻，当有电流流过时，触头表面将会产生焦耳热，对该焦耳热进行分析的过程，即是稳态热分析。若用公式表达稳态热分析，则系统自身产生的热量加上流入系统的热量应等于流出系统的热量，即0qqq流入生成流出+-=。在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程用矩阵形式表示为[1][]{}{}KTQ=（1）式中，[]K为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{}T为节点温度向量；{}Q为节点热流率向量，包含热生成。ANSYS软件有专门的稳态热分析分析单元，大约有四十种单元，其中包括辐射单元、对流单元、特殊单元以及耦合场单元等。其中昀常用的是2维平面和3维实体单元[5]。据此，ANSYS可以模型触头的几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[]K、{}T以及{}Q，从而直观的看出触头系统的稳态热过程。4实例分析选用CJ-20-160接触器的触头来进行热分析。触头的平面示意图如图1所示，小块为静触头，大块为静触桥。通电时，动静触头相接触，假定为单个单元接触。如果触头材料为纯银，各项同性，配对的两触头完全对称。如果两元件之间的热流－温度场互不干扰，就只需研究单个触头中的热流－温度场，本课题研究的是静触头。图1平面示意图根据上述进行ANSYS的理论基础可知，对其进行稳态热分析，应按照下图2的步骤进行建模、加载、仿真。图2ANSYS软件解决实际问题的流程图根据上图的流程，对CJ-20-160触头进行稳态热分析，大体可以分为三个部分：①模型规划、ANSYS方案的确定，即加载前处理阶段（Preprocessor）；②求解阶段（Solution）及③结果输出，即后处理阶段（Postprocessor）。具体步骤为[6]：定义材料属性－建立实体模型－进行网格划分－施加载荷和约束－进行求解及后处理（观察结果）。4.1ANSYS前处理设计方案首先，测量CJ-20-160触头可知其触头模型尺寸如下：①静触头0.012m×0.012m×0.001m；②静触桥0.018m×0.042m×0.004m。其次，根据触头的形状和特性，选取三维八节点实体热单元SOLID70进行分析计算[7]，根据表1设定仿真模型的材料,触头为Ag，触桥为Cu。表1材料的密度、热传导率及比热（20℃时）材料属性（20℃）材料名称密度DENS/（kg/m3）热传导率KXX/W/m·K比热C/J/g·KAg10490419234Cu8960394385通过ANSYS内部单元及参数设定，建立模型如图3所示。图3触头模型昀后，根据计算的精度要求对模型进行网格划分，完成网格划分后的模型如图4所示。图4触头网格划分4.2ANSYS对触头温度场模型稳态传热计算求解首先，进行加载量的计算。热流率计算公式[8]22jIRPqSS==（2）接触电阻的阻值可由公式（2）计算[8](0.102)mjRKF−=×（3）对银触头来说K＝60，对于面接触触头来说m=1，jR单位μΩ，综合各方面因素，取得3mjR=Ω。因接触电阻损耗功率向动静触头各传走一半，所以接触电阻损耗功率输入触头的热流率为：223771603105.51022710jIRPqSS−−××==≈=×××2W/m（4）式中，S为接触面积，这里取触头有限元模型中心部位的第575单元作为加载的单元（即认为导电斑点就是这个单元），经计算其面积约为7710−×m2；I为触头闭合工作时的额定电流，这里I=160A；选取触头表面中心部位的第575单元作为加载的单元（导电斑点）。加载设定后的结果如图5所示。图5加载后的触头4.3ANSYS触头温度场模型稳态传热结果处理求解完毕后，查看通用后处理（GeneralPostpr-ocessor），结果如图6所示。图6触头稳态温度分布由图6可见，触头接触斑点的昀高温度达到122.185℃，接触处产生的热损耗向触桥及导体沿轴向传导出去，通过导体外表面与周围介质的接触，将热量散发到周围介质中去。（跨度没看懂）而银的软化温度180℃，据此判断现在的工作情况是处于正常的工作状态下的。5结论从上述实例分析可知，目前，用ANSYS仿真软件可以直观看出触头系统电接触时的温度场分布和进行准确地数值分析，从而推断接触表面局部区域内材料是否发生软化、熔化或气化，进而估计接触面的温升和熔焊现象，对保证继电器可靠工作的性能具有重要作用。参考文献[1]张正荣.传热学[M].北京:高等教育出版社,1989.[2]A.Monnier,B.Froidurotetal.Amechanical-electrical-thermalcoupled-fieldsimulationofasphere-planeelectricalcontact[M].51thIEEEHolmconferenceonElectricalContacts,U.S.A.,Sept.26-28,2005:224-231.[3]唐兴伦等.ANSYS工程应用教程－热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.[4]叶先磊,史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京:清华大学出版社,2003.[5]张立新等.ANSYS7.0基础教程[M].北京:机械工业出版社,2004.[6]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版,2005.[7]黄琳敏.典型低压电器温度场和热路的仿真分析[A].西安:西安交通大学,2003.[8]张建峰等.ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用[M].冶金能源,2004,(5).作者简介任晓霞（1983-），女，汉，山东烟台人，硕士研究生，重庆文理学院讲师，主要从事汽车电子电器和智能化低压电器研究。