使用ANSYS接触单元模拟研究行波管收集极的接触热阻

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:杨华威

  收集极是行波管的主要发热部件,本文利用ANSYS 对某行波管的四级降压收集极进行了热分析,其中利用了ANSYS中的接触单元CONTA172 和TARGE169 来模拟收集极各零件间的接触热阻。该方法相对以前人们采用接触区过渡薄层的方法更加简便,特别是解决了接触区过渡薄层划分网格困难、计算量巨大的难题。通过分析,本文给出了收集极的最高温度随接触面积比和配合间隙变化的规律。

  空间行波管是通信、导航、数传等卫星系统中不可或缺的核心器件,具有微波功率放大的作用。由于卫星上使用的行波管具有不可更换的特点,因此要求器件具有很高的工作可靠性。通信和导航卫星的服役时间长( 10- 15 年) ,因此要求器件具有15 年以上的长寿命。

  收集极是行波管的主要发热部件,产生的热量接近整个行波管产生热量的2/ 3。收集极散热性能的优劣直接影响空间行波管的工作稳定性和可靠性。因此需要对空间行波管收集极的散热性能进行充分热设计。

  收集极电极与收集极瓷、收集极瓷与外筒接触界面处的接触热阻对热量的传导具有阻碍作用,因此对收集极的热分析必须考虑接触热阻的影响。文献在分析行波管收集极的散热性能时考虑了接触热阻的影响。文献中考虑了收集极各零件间接触热阻的影响,结果表明由接触热阻造成的温升约占收集极内外温差的1/ 3; 文献利用ANSYS,在收集极零件接触界面处加入过渡薄层来模拟接触热阻的影响,结果表明收集极最高温度比不考虑接触热阻时升高了13.3 ℃ 。韩勇等在模拟慢波结构的接触热阻时也采用的是在过渡区加入仿真薄层的方法。采用过渡薄层的方法模拟接触热阻,存在着划分网格困难和计算量巨大的问题。中科院电子所的胡太康在分析非理想接触条件下阴极热子组件时,提到了接触传热系数的概念,但是由于影响因素较多,只给出了一定的取值范围。本文使用ANSYS 中的接触单元来模拟行波管收集极接触热阻,解决了以上难题,并且使用这种方法对某行波管收集极进行了热分析,研究了接触面积比及配合间隙对收集极最高温度的影响规律。

1、收集极在良好接触情况下的热分析

  某行波管四级降压收集极的剖面结构如图1 所示,由电极、收集极瓷和收集极外筒三大部分组成。

1.1、在ANSYS 中建立几何模型

  图1 所示收集极是轴对称结构,因此在ANSYS中只需建立收集极的二维几何模型,如图2 所示为收集极剖切面的一半,单元类型为PLANE77( 8 节点二维平面单元) 并设置为轴对称类型。其中,模型单位为mm。

某行波管四级降压收集极的剖面结构

图1 某行波管四级降压收集极的剖面结构

1.2、收集极的有限元模型

  将图2 所示的收集极各部分分别指定材料热参数,如表1 所示。电极和收集极外筒的材料为无氧铜,收集极瓷为95% Al2O3 瓷,收集极端盖为可伐4J29。对上述几何模型进行自由网格划分,可以得到收集极的二维有限元模型,如图3 所示。

使用ANSYS接触单元模拟研究行波管收集极的接触热阻

图2 收集极的二维平面几何模型图  图3 收集极的二维有限元模型

  结论

  本文对某四级降压收集极进行了热分析,并把由焊接方式装配的收集极各接触界面的接触热阻考虑在内。总体来看,收集极在采用焊接装配时,接触热阻对其影响不大。在热分析过程中,利用ANSYS中的接触单元来模拟接触热阻的存在,将接触热导率系数引入其中,通过给定的接触界面的条件利用接触单元可以方便的对收集极进行热分析,这种方法解决了以前采用仿真薄层模拟接触热阻时划分网格困难、计算量大的问题。通过模拟还得出了收集极的最高温度与接触面积比、配合间隙的关系曲线,并通过测量焊接处的钎着率从而可以较准确地预测收集极内部的最高温度。

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