光纖連接器用氧化鋯陶瓷套筒受力分析(圖文)

1．前言
    光纖連接器是光纖通信系統中不可缺少的無源器件，主要用于實現系統中設備間、設備與儀表間、設備與光纖間以及光纖與光纖間的非永久性固定連接。大多數的光纖連接器由三部分組成：兩個配合插頭（插芯）和一個耦合套筒。兩個插芯裝進兩根光纖尾端；耦合套筒起對準的作用，套筒多配有金屬或非金屬法蘭，以便于連接器的安裝固定。

    目前套筒使用的材料主要為氧化鋯陶瓷和磷青銅，氧化鋯陶瓷套筒由于具有精度高、插入損耗小、使用壽命長等特點，使用日益廣泛。由于陶瓷套筒對于材料及加工要求極高，多年來，日本一直壟斷著陶瓷套筒的生產。近年來，國內企業與研究單位合作，解決了從氧化鋯陶瓷原料到精密加工的技術難題，掌握了具有完全知識產權的陶瓷套管生產技術，大規模批量生產出了氧化鋯陶瓷套筒，質量完全達到了日本產品的技術要求。

    由于維護中轉接跳線和正常測試等需要，光纖連接器經常要進行插拔，因此對于套筒的插拔壽命即最大可插拔次數有一定的要求，即光纖連接器在正常使用條件下，經規定次數（一般要求500至1000次）的插拔，各元件無機械損傷，附加損耗不超過限值（通常規定為0.2dB），光纖連接器的插拔壽命一般是由插芯及套筒的磨損及破損情況決定的。使用開槽氧化鋯套筒時，磨損可以忽略不計，陶瓷套筒的破損是影響壽命的主要因素。陶瓷套筒在使用過程中的破碎原因非常復雜，歸納起來有以下幾種情況：（1）陶瓷套筒的強度過低，經受不住插芯插入時所產生的應力。（2）陶瓷套筒由于靜態疲勞而產生破碎。（3）長期在高溫潮濕情況下，氧化鋯陶瓷套筒產生大量四方相到單斜相的自發馬氏體相變，從而導致套筒強度大幅度降低。(4) 人為非正常插拔，使陶瓷套筒產生局部應力集中。(5) 金屬或非金屬法蘭質量不合格。

    我們的研究表明，在光纖連接器的使用條件下，陶瓷套筒由于靜態疲勞和自發馬氏體相變而破損的可能性極小，本文將針對第1及第4種破損情況，通過有限元計算對套筒的實際強度及其插拔過程中陶瓷套筒所受應力進行分析，為陶瓷套筒的生產及使用廠家提高參考。

2．陶瓷套筒強度分析
    采用日本島津萬能力學試驗機對國內外不同廠家生產的陶瓷套管進行抗壓強度測試，測試時陶瓷套筒的槽口放在側面，加載速率為0.4mm/min。表1為50只愛爾創公司陶瓷套筒強度測試結果，表2為不同廠家陶瓷套筒破壞強度比較。

3．陶瓷套筒插拔應力分析
3.1 正常插拔情況下的應力分析
    對于陶瓷材料套管和插芯的拉拔問題，經過對稱的力學簡化后，我們利用ANSYS軟件中關于接觸問題的求解模式，對這個準靜態問題進行了應力分析。
材料的彈性模量E=200GPa，泊松比v=0.25。

    對于此問題，我們對不同尺寸的插芯及套筒進行了分析，主要體現在套筒的內外直徑，插芯直徑的變化上。套筒內外徑分別為2.493及3.20mm，插芯外徑為2.499mm情況下的Von－Mises應力。

3.2 陶瓷套筒端部受集中荷載情況下的應力分析
    對于此問題，我們采用如下實體及有限元模型，假設左端部承受2kg的集中載荷，右面端部為固定端約束。

4．討論
    根據以上陶瓷套筒破壞荷載實際測試及不同情況下的套筒受力情況的有限元分析，我們做以下討論：

    （1）不同廠家氧化鋯陶瓷套筒采用產品直接測試材料的強度時，得到的平均強度在735至918MPa之間，低于采用標準彎曲強度試樣得到的彎曲強度，廠家測試的平均三點彎曲強度一般為900至1200MPa，這種差別是由于測試條件不同引起的。采用產品測試陶瓷套筒的破壞強度，可以更直接地評價產品地實際強度，更有實際意義。

    （2）國產陶瓷套筒與日本產品的強度相當，破壞荷載的離散性都比較大，這除了陶瓷材料本身強度離散性大的原因以外，可能與陶瓷套筒制造工藝復雜有關。

    （3）標準插芯插入陶瓷套筒時，陶瓷套筒所受到的最大應力小于100MPa，換算為抗壓荷載，相當于套筒受到2kg的荷載，大大小于陶瓷套筒所能承受的抗壓荷載（一般為10至25kg），即插芯正常插入陶瓷套筒時一般不會引起套筒的破損。

    （4）但當陶瓷套筒受到局部集中荷載時，由于陶瓷為脆性材料，無法產生塑性變形抵消所產生的應力集中，陶瓷套筒將受到很大的局部應力，從而引起陶瓷套筒破壞。例如當端部受到2kg集中荷載時，陶瓷套筒將受到2.04Gpa的應力，相當于受到約45kg的正常壓力，大大高于陶瓷套筒的強度，引起套筒的破損。因此，在插芯插入陶瓷套筒時，應謹慎操作，盡量使套筒不受局部應力集中。

    （5）陶瓷套筒的內孔尺寸對套筒所受應力有較大影響，在滿足插拔力的前提下，應盡量選擇大的套筒內孔直徑,以降低陶瓷套筒所受應力。當插芯直徑增加到2.510mm插入套筒時，套筒受到約196MPa的應力（套筒內孔直徑為2.493時），仍然小于陶瓷套筒的強度，因此也可以采用2.510mm的插芯進行插拔試驗，檢驗陶瓷套筒的強度，進行保證試驗，以保證套筒在2.499mm標準插芯插拔時步產生破壞。

5．結論
    通過以上對陶瓷套筒在不同情況下所受的應力分析，對于陶瓷套筒在插芯插拔過程中產生的破碎問題，可以得到以下結論：

    （1）正常插拔情況下，標準插芯插入陶瓷套筒時，將使套筒受到小于100MPa應力，大大小于陶瓷套筒所能承受的實測應力，陶瓷套管能承受的實測應力范圍一般為450至1150MPa之間。

    （2）國產陶瓷套筒與日本進口套筒的強度相當，在插拔過程中，受到局部集中應力是陶瓷套筒產生破損的主要原因，在陶瓷套筒使用過程中應盡量避免。
（3）提高陶瓷套筒本身的強度，降低其強度離散性，可以提高抗非正常插拔能力，從而減少陶瓷套筒的破損。
 
 
（附圖和表）

陶瓷套管承受集中線載荷作用的力學分析
1．有限元解法：
此問題關于XZ面對稱，所以分析時采用如下實體模型。線載荷總和為20kg。

 

  其有限元模型為：

其變形圖如下所示：

其節點位移USUM云圖如下所示：

其Von-Mises應力如下面兩個云圖所示：

最大應力值已經達到981MPa