光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒受力分析.pdf

( ) 光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒受力分析 图文 本文采用有限元法计算了光纤连接器插芯插拔过程中，不同条件下氧化锆陶瓷套筒受到的应力状况；采用力学试验机测试了陶瓷套筒的压碎强度。计算及测试结果 显示，插芯在陶瓷套筒中正常插拔时，陶瓷套筒受到的最大应力小于 100MPa，而陶瓷套筒的压碎强度一般为 10 至 25 公斤，相当于可以承受 450 至 1150MPa 的应力；但当陶瓷套筒受到2 公斤的局部集中载荷时，陶瓷套筒受到的应力将达到 2000MPa 以上，超过陶瓷套筒的强度，而引起陶瓷套筒的破碎。 1．前言 光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤 间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接。大多数的光纤连接器由三部分组成：两个配合插头（插芯）和一个耦合 套筒。两个插芯装进两根光纤尾端；耦合套筒起对准的作用，套筒多配有金属或非金属法兰，以便于连接器的安装 固定。 目前套筒使用的材料主要为氧化锆陶瓷和磷青铜，氧化锆陶瓷套筒由于具有精度高、插入损耗小、使用寿命长 等特点，使用日益广泛。由于陶瓷套筒对于材料及加工要求极高，多年来，日本一直垄断着陶瓷套筒的生产。近年 来，国内企业与研究单位合作，解决了从氧化锆陶瓷原料到精密加工的技术难题，掌握了具有完全知识产权的陶瓷 套管生产技术，大规模批量生产出了氧化锆陶瓷套筒，质量完全达到了日本产品的技术要求。 由于维护中转接跳线和正常测试等需要，光纤连接器经常要进行插拔，因此对于套筒的插拔寿命即最大可插拔 次数有一定的要求，即光纤连接器在正常使用条件下，经规定次数（一般要求 500至 1000 次）的插拔，各元件无 机械损伤，附加损耗不超过限值（通常规定为0.2dB），光纤连接器的插拔寿命一般是由插芯及套筒的磨损及破损 情况决定的。使用开槽氧化锆套筒时，磨损可以忽略不计，陶瓷套筒的破损是影响寿命的主要因素。陶瓷套筒在使 用过程中的破碎原因非常复杂，归纳起来有以下几种情况：（1）陶瓷套筒的强度过低，经受不住插芯插入时所产 生的应力。（2）陶瓷套筒由于静态疲劳而产生破碎。（3）长期在高温潮湿情况下，氧化锆陶瓷套筒产生大量四方 相到单斜相的自发马氏体相变，从而导致套筒强度大幅度降低。(4) 人为非正常插拔，使陶瓷套筒产生局部应力集 中。(5) 金属或非金属法兰质量不合格。 我们的研究表明，在光纤连接器的使用条件下，陶瓷套筒由于静态疲劳和自发马氏体相变而破损的可能性极小， 本文将针对第1及第4种破损情况，通过有限元计算对套筒的实际强度及其插拔过程中陶瓷套筒所受应力进行分析， 为陶瓷套筒的生产及使用厂家提高参考。 2．陶瓷套筒强度分析 采用日本岛津万能力学试验机对国内外不同厂家生产的陶瓷套管进行抗压强度测试，测试时陶瓷套筒的槽口放 在侧面，加载速率为0.4mm/min。表1为 50只爱尔创公司陶瓷套筒强度测试结果，表 2为不同厂家陶瓷套筒破坏 强度比较。 3．陶瓷套筒插拔应力分析 3.1 正常插拔情况下的应力分析 对于陶瓷材料套管和插芯的拉拔问题，经过对称的力学简化后，我们利用 ANSYS 软件中关于接触问题的求解模 式，对这个准静态问题进行了应力分析。 材料的弹性模量 E=200GPa，泊松比 v=0.25。 对于此问题，我们对不同尺寸的插芯及套筒进行了分析，主要体现在套筒的内外直径，插芯直径的变化上。套 筒内外径分别为 2.493及3.20mm，插芯外径为 2.499mm 情况下的Von－Mises应力。 3.2 陶瓷套筒端部受集中荷载情况下的应力分析 对于此问题，我们采用如下实体及有限元模型，假设左端部承受 2kg 的集中载荷，右面端部为固定端约束。 4．讨论 根据以上陶瓷套筒破坏荷载实际测试及不同情况下的套筒受力情况的有限元分析，我们做以下讨论： （1）不同厂家氧化锆陶瓷套筒采用产品直接测试材料的强度时，得到的平均强度在735至 918MPa 之间，低于 采用标准弯曲强度试样得到的弯曲强度，厂家测试的平均三点弯曲强度一般为 900至 1200MPa，这种差别是由于测 试条件不同引起的。采用产品测试陶瓷套筒的破坏强度，可以更直接地评价产品地实际强度，更有实际意义。 （2）国产陶瓷套筒与日本产品的强度相当，破坏荷载的离散性都比较大，这除了陶瓷材料本身强度离散性大 的原因以外，可能与陶瓷套筒制造工艺复杂有关。