ANSYS在低压电器触头电接触稳态热分析中的应用

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。
产品与应用
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。
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）。
4.1 ANSYS 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
2 ANSYS 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。
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。
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所以接触电阻损耗功率输入触头的热流率为：
q=
P S
=
I 2Rj 2S
≈
1602 2×
× 3×10−3 7 ×10−7
= 5.5×107
W
/ m 2 （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 7 ×10−7 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
4.3 ANSYS 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（General Postpr-
ocessor），结果如图 6 所示。
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
材料属性（20℃）
名称 密度 DENS/（kg/m3）热传导率 KXX/W/m·K 比热 C/J/g·K
Ag
10490
419
234
Cu
8960
394
385
通过 ANSYS 内部单元及参数设定，建立模型
如图 3 所示。
图 1 平面示意图
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图 3 触头模型
最后，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。
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图 4 触头网格划分
4.2 ANSYS 对触头温度场模型稳态传热计算求解
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。
Abstract To assure the reliability of low voltage electrical apparatus, it is important to analyze the thermal characteristics of the contact element. The finite element analysis software ANSYS combines the structure, thermal, fluid, magnetic and acoustics analysis. The analysis of thermal model of contacts have the features ,that the distributing state can be observed directly and the data can be handled correctly using the result handling models . In a word, it have many advantages which the traditional methods have not.In the article, ANSYS is used to analyze the steady thermal characteristic of low voltage electrical apparatus contacts, which expounds its applications in the field of thermal analysis.
关键词：ANSYS软件；电接触；稳态热分析；温度场
The Application of ANSYS on Steady Thermal Characteristic Analysis of Low Voltage Electrical Apparatus Contacts
Ren Xiaoxia （Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160）
首先，进行加载量的计算。热流率计算公式[8]
q = P = I2Rj S 2S
（2）
接触电阻的阻值可由公式（2）计算[8]
Rj =
对银触头来说 K＝60，对于面接触触头来说
m=1，Rj 单位 μΩ ，综合各方面因素，取得 Rj = 3mΩ 。 因接触电阻损耗功率向动静触头各传走一半，
Key words：ANSYS software；electric contact；the steady thermal analysis；temperature field
1 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，保证这些部分最高温度 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]。
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。
3 ANSYS 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
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。
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（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。
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. Froidurot et al. A mechanical-electrical-
thermal coupled-field simulation of a sphere-plane electrical contact[M]. 51th IEEE Holm conference on Electrical Contacts, 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).
热量加上流入系统的热量应等于流出系统的热量，
即 q流入 +q生成 -q流出=0 。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]
[K ]{T} = {Q}
（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；
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 2 ANSYS 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
图 6 触头稳态温度分布
由图 6 可见，触头接触斑点的最高温度达到 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。
{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。其中最常用的是 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