光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒受力分析(图文)

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。

    （3）标准插芯插入陶瓷套筒时，陶瓷套筒所受到的最大应力小于100MPa，换算为抗压荷载，相当于套筒受到2kg的荷载，大大小于陶瓷套筒所能承受的抗压荷载（一般为10至25kg），即插芯正常插入陶瓷套筒时一般不会引起套筒的破损。

    （4）但当陶瓷套筒受到局部集中荷载时，由于陶瓷为脆性材料，无法产生塑性变形抵消所产生的应力集中，陶瓷套筒将受到很大的局部应力，从而引起陶瓷套筒破坏。例如当端部受到2kg集中荷载时，陶瓷套筒将受到2.04Gpa的应力，相当于受到约45kg的正常压力，大大高于陶瓷套筒的强度，引起套筒的破损。因此，在插芯插入陶瓷套筒时，应谨慎操作，尽量使套筒不受局部应力集中。

    （5）陶瓷套筒的内孔尺寸对套筒所受应力有较大影响，在满足插拔力的前提下，应尽量选择大的套筒内孔直径,以降低陶瓷套筒所受应力。当插芯直径增加到2.510mm插入套筒时，套筒受到约196MPa的应力（套筒内孔直径为2.493时），仍然小于陶瓷套筒的强度，因此也可以采用2.510mm的插芯进行插拔试验，检验陶瓷套筒的强度，进行保证试验，以保证套筒在2.499mm标准插芯插拔时步产生破坏。

5．结论
    通过以上对陶瓷套筒在不同情况下所受的应力分析，对于陶瓷套筒在插芯插拔过程中产生的破碎问题，可以得到以下结论：

    （1）正常插拔情况下，标准插芯插入陶瓷套筒时，将使套筒受到小于100MPa应力，大大小于陶瓷套筒所能承受的实测应力，陶瓷套管能承受的实测应力范围一般为450至1150MPa之间。

    （2）国产陶瓷套筒与日本进口套筒的强度相当，在插拔过程中，受到局部集中应力是陶瓷套筒产生破损的主要原因，在陶瓷套筒使用过程中应尽量避免。
（3）提高陶瓷套筒本身的强度，降低其强度离散性，可以提高抗非正常插拔能力，从而减少陶瓷套筒的破损。
 
 
（附图和表）

陶瓷套管承受集中线载荷作用的力学分析
1．有限元解法：
此问题关于XZ面对称，所以分析时采用如下实体模型。线载荷总和为20kg。

  其有限元模型为：

其变形图如下所示：

其节点位移USUM云图如下所示：

其Von-Mises应力如下面两个云图所示：

最大应力值已经达到981MPa