使用ANSYS接觸單元模擬分析行波管收集極的接觸熱阻

1、使用ANSYS接觸單元模擬分析行波管收集極的接觸熱阻 收集極是行波管的主要發(fā)熱部件，本文利用ANSYS 對某行波管的四級降壓收集極開展了熱分析，其中利用了ANSYS中的接觸單元CONTA172 和TARGE169 來模擬收集極各零件間的接觸熱阻。該方法相對以前人們采用接觸區(qū)過渡薄層的方法更加簡便，特別是解決了接觸區(qū)過渡薄層劃分網(wǎng)格困難、計(jì)算量巨大的難題。通過分析，本文給出了收集極的最高溫度隨接觸面積比和配合間隙變化的規(guī)律。 空間行波管是通信、導(dǎo)航、數(shù)傳等衛(wèi)星系統(tǒng)中不可或缺的核心器件，具有微波功率放大的作用。由于衛(wèi)星上使用的行波管具有不可更換的特點(diǎn)，因此要求器件具有很高的工作可靠性。通信和導(dǎo)航衛(wèi)

2、星的服役時(shí)間長( 10- 15 年) ，因此要求器件具有15 年以上的長壽命。 收集極是行波管的主要發(fā)熱部件，產(chǎn)生的熱量接近整個(gè)行波管產(chǎn)生熱量的2/ 3。收集極散熱性能的優(yōu)劣直接影響空間行波管的工作穩(wěn)定性和可靠性。因此需要對空間行波管收集極的散熱性能開展充分熱設(shè)計(jì)。 收集極電極與收集極瓷、收集極瓷與外筒接觸界面處的接觸熱阻對熱量的傳導(dǎo)具有阻礙作用，因此對收集極的熱分析必須考慮接觸熱阻的影響。文獻(xiàn)在分析行波管收集極的散熱性能時(shí)考慮了接觸熱阻的影響。文獻(xiàn)中考慮了收集極各零件間接觸熱阻的影響，結(jié)果說明由接觸熱阻造成的溫升約占收集極內(nèi)外溫差的1/ 3; 文獻(xiàn)利用ANSYS,在收集極零件接觸界面處參加過

3、渡薄層來模擬接觸熱阻的影響，結(jié)果說明收集極最高溫度比不考慮接觸熱阻時(shí)升高了13.3 。韓勇等在模擬慢波構(gòu)造的接觸熱阻時(shí)也采用的是在過渡區(qū)參加仿真薄層的方法。采用過渡薄層的方法模擬接觸熱阻，存在著劃分網(wǎng)格困難和計(jì)算量巨大的問題。中科院電子所的胡太康在分析非理想接觸條件下陰極熱子組件時(shí)，提到了接觸傳熱系數(shù)的概念，但是由于影響因素較多，只給出了一定的取值范圍。本文使用ANSYS 中的接觸單元來模擬行波管收集極接觸熱阻，解決了以上難題，并且使用這種方法對某行波管收集極開展了熱分析，研究了接觸面積比及配合間隙對收集極最高溫度的影響規(guī)律。 1、收集極在良好接觸情況下的熱分析 某行波管四級降壓收集極的剖面構(gòu)

4、造如圖1 所示，由電極、收集極瓷和收集極外筒三大部分組成。 1.1、在ANSYS *立幾何模型 圖1 所示收集極是軸對稱構(gòu)造，因此在ANSYS中只需建立收集極的二維幾何模型，如圖2 所示為收集極剖切面的一半，單元類型為PLANE77( 8 節(jié)點(diǎn)二維平面單元) 并設(shè)置為軸對稱類型。其中，模型單位為mm。 圖1 某行波管四級降壓收集極的剖面構(gòu)造 1.2、收集極的有限元模型 將圖2 所示的收集極各部分分別指定材料熱參數(shù)，如下表1 所示。電極和收集極外筒的材料為無氧銅，收集極瓷為95% Al2O3 瓷，收集極端蓋為可伐4J29。對上述幾何模型開展自由網(wǎng)格劃分，可以得到收集極的二維有限元模型，如圖3 所示。 圖2 收集極的二維平面幾何模型圖圖3 收集極的二維有限元模型 結(jié)論 本文對某四級降壓收集極開展了熱分析，并把由焊接方式裝配的收集極各接觸界面的接觸熱阻考慮在內(nèi)。總體來看，收集極在采用焊接裝配時(shí)，接觸熱阻對其影響不大。在熱分析過程中，利用ANSYS中的接觸單元來模擬接觸熱阻的存在，將接觸熱導(dǎo)率系數(shù)引入其中，通過給定的接觸界面的條件利用接觸單元可以方便的對收集極開展熱分析，這種方法解決了以前采用仿真薄層模擬接觸熱阻時(shí)劃分網(wǎng)格困難、