第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着科技的飞速进步，越来越多的电子设备不断地投入使用。但是如果没有可靠的电连接器，便难以保证这些电子设备正常工作。电连接器一直在电子、电器设备领域得到广泛的应用，随着电子设备的发展，对连接器的性能又提出了更高的要求。人们也越来越重视起了电子设备中电连接器的可靠性的设计。随着电子设备的高性能化、小型化、多功能化的持续发展，一些电子设备和热通量热功率器件的不断增加，如果不能有效地进行热设计，会直接影响系统的功能实现和长时间工作的稳定性。
如今，电子元器件的性能不断提高，额定功率越来越大的同时体积越来越小。功率的增加导致着温度的不断上升，体积减小使得元器件内部间隙变小，散热更加困难，从而使得电子设备的失效率不断上升。随着环境温度的上升，每升高10摄氏度，电子设备的失效率则会翻倍，这被称为〗10度法则。根据调查统计可知，电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起。如果能够使设备有一个良好的散热，降低1摄氏度也可以使设备的失效几率大幅度的下降，这个理论对电子设备的设计有着重要的指导作用。在所有的失效的电子设备中，据统计，有70%是因为元器件的失效而导致的，而在这其中又有40%是由于电连接器的失效而产生的。为了保障设备的正常运行，适应更大的电流，更加严苟的环境，提高电连接器的可靠性、预防电连接器的失效将变得会越来越重要。伴随着电子设备应用到各个领域中，提高连接器的载流量的同时保证连接器的可靠性已经成为现在迫切需要解决的问题。
连接器的载流量是连接器运行中受环境条件和负荷影响的重要动态参数，其重要性关系到系统安全可靠、利用效率、经济合理的运行以及连接器寿命问题。而连接器载流量提升的问题，从本质上来说，是增强连接器的散热，降低连接器的内部温度。散热情况越好，连接器内部温度的一致性就越好，最高温度点的温度就会越低，连接器越能承受更高的电流载荷。在其他情况不变旳情况下，散热方法将决定着器件的温度。
1.2课题相关研究现状与发展趋势
1.2.1有限元相关研究现状
随着数值分析的不断发展和数值分析在工程应用的越来越多，数值分析已经成为解决复杂工程问题的一种常用手段。随着计算机技术的发展，人们将数值计算方法与计算机相结合，可以用计算机仿真模拟实际的工程问题并对其进行数值计算求解。有限元法是主流数值分析方法中的一个。本课题便是利用数值分析法屮的有限元法对连接器进行热分析。
1.2.2连接器相关研究现状与发展趋势
随着电子设备的不断进步和发展，对电子设备可靠性的要求越来越高。而电连接器能否正常工作，对电子设备有着很大的影响。连接器，主要是用作连接两个电子器件使它们联通并能够传递能量或者信号的一种电子设备，在国内通常也被称之为接插件。在电子设备中使用连接器，使得整个连接部分：
1.易于维修，如果出现故障可以及时快速的更换连接器；
2.方便升级，当技术更新，产生了性能更好的连接器时，可以随时更换；
3.使得不同接口的设备能够通用，当设备间的接口不统一，且更换设备的成本较大时，能够通过更换连接接口设备，使设备能够相互连接使用；
4.提高设备的灵活性，当使用元器件组成系统时，可是很方便的选择所需的元器件并依靠连接器连接，能够根据系统的需求来选择相应元器件。
整个连接器可分为两个部分：插针部分与插孔部分。而插针部分与插孔部分又各自分为两个部分。导体部分（接触件部分）和绝缘部分（外壳部分）。插针的导体部分通常是刚性零件。而插孔部分通常会被设计成具有弹性，能够提供紧固力的结构，如密绕线簧等。绝缘体的作用有以下几个方面：提供绝缘作用。使得导电部分不会漏出。提供密封作用，隔绝导体，使之不与外界接触，避免受到了外界环境的影响，对连接器甚至整个电子设备产生不好的影响。固定接触件的位置，保证插针和插孔连接时能够很好的对准，并且在正常工作中不至于晃动。连接器在工作时，主要关注的性能主要有电气性能、机械性能、环境性能。电气性能包括接触电阻、绝缘电阻和极限载流量等，而连接器的机械性能包括连接器的机械寿命和插拔力的大小以及限定的最大插拔次数。环境性能包括对环境一些不好因素的适应能力，比如温度、湿度、酸度及震动和外部冲击。
第二章连接器热设计相关理论
2.1传热学基本理论：
传热学遵守能量守恒定律，能量守恒定律也被称为热力学第一定律。传热方式有热传导，热对流，热辐射三种。针对不同的问题，所需进行的传热学分析也不同。
2.1.1能量守恒定律
在本次仿真中，主要是对连接器处于稳定工作时的温度场进行分析。在DL37连接器工作的过程中，当连接器自身通电产生热量，与连接器和空气对流散出的热量达到平衡时，连接器的温度场达到稳定的状态。
自然冷却法是最节约成本，而且是一个非常有效的能够改善电子设备温度的方法。在小型、密集封装的电子设备内部使用适当的自然冷却法并最大限度的釆用了热传导的情况下，一般可以满足设计需求，即使在热耗体积密度高到必须使用人为的外部冷却情况也是如此。它的优点是简单、紧凑、并且不需要使用工作动力。
根据所述电子设备的工作的实际需求，电子设备需要能够达到各种各样的工作状态，最重要的要求是，使设备的最高温度不应超过最大限制值，该电子设备如果温度上升过高，一旦超过该部分材料的塑化点，将会造成连接器的变形或溶化，将产生不可预见的危险。温度的控制可以从各个方面进行，包括极限载荷，增加散量，改变材料或者改变结构等等。在对连接器的进行有限元法分析并得出基本的热场分布，提出了有关连接器的温度控制的切实可行的建议，是这项研究的最终目标。
在设计电子设备时进行热设计，在掌握了电子设备的失效参数的条件下，尽可能的通过优化设计热流通路，降低设备与散热环境之间的热阻，尽可能的使电子设备的温度降低，使得设备在给定的工作环境下，能够保证较高的可靠性。电子设备的热设计共有3个层次，为设备级，电路板级和元器件级。热设计需要同结构设计和可靠性设计同时进行，使得电子设备在正常工作时不会超过其限制的最高温度。
2.2电子元器件热设计理论
电子设备热分析技术的发展，使得产品的设计人员能够在设备的设计阶段就能得到设备在正常工作下的温度和热流密度的分布，能够在设备的设计阶段找到产品存在的缺陷，从而对设备进行优化设计，令设备具有更好的热稳定性。通过电子设备的整体结构和各部分组成材料，根据材料参数和设备使用环境，分析整个设备的热传导过程，优化其内部的热流通路，增加设备与环境间的散热量。尽可能的将有害的热量释放出去，使得设备能够保持一个较低的安全可靠的温度。
电子设备的热设计应当有下列两个约束：第一，应根据设备的可靠性和故障率件，利用元器件应力预计应力分析法，来确定设备的最大允许工作温度和功率消耗使设备满足的热可靠性的要求第二，必须充分考虑设备的预期工作环境，包括环境温度和压力范围，周围热源的福射热载荷，以及所用的冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降等。最后，热设计应符合有关标准和规范的要求。
而对于电连接器的热设计处理，主要目的是为了防止连接器内部生热量过大，温度上升过高导致连接器的失效。而且热失效很可能会导致连接器以至整个设备产生电气故障。工作时的温度是判断连接器是否失效的…个重要标准。因此，正确地确定热故障的温度并控制连接器的整体温升是非常必耍的，在确定电子设备热设计的方案中，电子元件的最大功率消耗和最大允许温度应该作为主要的设计参数。
电子设备的热控制，首先要从确定元器件或设备的冷却方法开始。选择的冷却方法直接影响到部件或设备的装配设计、可靠性、重量和成本。为了有效地控制部件或设备的温度，必须先确定设备的发热量，设备相关的结构尺寸，工作环境等特殊要求（如密封件，压力等。冷却方式为直接冷却，间接冷却（即内部的热量传导至散热片），自然冷却（包括传导，对流，辐射传热），强制冷却（强迫风冷和强制液体冷却），蒸发冷却，热管热传递等。
消除电子设备内部热量的方法是发热元件与被冷却表面之间有一个温度梯度。冷却方式必须简单，重量轻，工作可靠，维修方便，成本低，其所占的体积应尽量减少，而且最好能够利用密集封装的组件之间的间隙。
第三章连接器有限元仿真分析...........14
3.1DL37连接器的有限元数学模型........14
3.2ANSYS有限元仿真软件.......17
3.2.1ANSYS软件介绍......17
第四章连接器优化方案.........31
4.1连接器优化仿真........31
4.2优化结果与分析............32
4.3连接器热场分布影响因素分析.....34
第五章总结与展望.........43
5.1总结.........43
5.2展望.........44
第四章连接器优化方案
4.1优化结果与分析
在连接器导体周围添加了散热孔，由于孔内的空气流动相对缓慢，将孔内的对流系数取为1W（°m2*C）。由于散热孔的存在，外壳散热面积增加，部分热量在散热孔壁处就可直接逸散至空气中，从而使连接器的整体温度下降，导体周围的外壳上的温度相对于原模型也应当有所下降。使用ANSYS软件对优化后的连接器模型b进行仿真验证，与原模型的仿真结果对比。结果如表4-2所示。
连接器内部的热流密度分布如图4-3所示。
结合第三章的结果与图4-3a，通过观察原模型a外壳热流密度可以看出，连接器散热路径主要是通过外壳传导，与外部空气对流散热。但是在该连接器外壳内部的热流密度却很低（图2-2d中间的蓝色部分），4个导体之间的外壳内部热流密度相对于导体与外壳表面间的热流密度，要小上许多，如果能够在温度最高点附近增加连接器的散热，充分利用连接器的结构改善连接器的传热路径，将能够有效降低连接器的最高温度。
第五章总结与展望
5.1总结
温度过高严重影响着电连接器的可靠性和寿命，进而影响着电连接器的各个使用领域的电子设备的可靠性和稳定性，因而对电连接器进行热分析和热设计具有重要的意义。本文对工作于机柜内使用的DL37电源连接器进行了热仿真分析，在对一定工作环境下、散热措施受到许多限制的条件下，在保证电连接器的可靠性的要求下，对DL37连接器进行热设计并优化，使得连接器能够可以长期安全可靠的运行。使得优化后的连接器的在承受额定工作电流载荷时的最高温度能够较原先有所降低，使得DL37连接器能够承受更高的电流载荷，达到提高其极限载流量的目的。
本文主要的工作与研究成果如下
（1）首先对连接器电子设备热设计及连接器热设计的国内外研究现状进行了调研分析，了解相关相关理论。结合实际情况，初步确定了DL37连接器热分析的基本方案，使用有限元软件ANSYS进行仿真分析。
（2）然后分析DL37连接器的几何结构、组成材料，研究分析该连接器处于正常工作时的状态。深入剖析，根据传热学基本理论和热仿真方法，将连接器的物理模型转化成有限元模型。根据要形成的有限元模型，分析所需参数，确定其中合适的求解系统。根据连接器的组成材料查询并记录。
（3）对所得的仿真结果进行分析。根据传热学理论，分析DL37连接器的主要散热途径，总结影响其散热的主要因素。利用有限元仿真分析的结果，进一步研究连接器温度场分布的影响因素。分析材料的选取、环境的设定以及负载的大小等因素的关系。研究得出连接器在室温以及正常空气对流下的最大负载、连接器温升与空气对流系数以及连接器外壳导热系数等因素的关系。并根据研究结果对如何改善连接器性能提出了建议。
参考文献（略）