Analiza rezystancji przewodnika elektrycznego w funkcji parametrów procesu umocnienia przez zgniot i jego deometrii

W obecnym kontekście gospodarczym branża kabli elektrycznych stoi przed wyzwaniami technicznymi i ekonomicznymi. Rzeczywiście, ze względu na globalizację rynków światowych i ciągły wzrost cen surowców niezbędnych do produkcji kabli elektrycznych, w szczególności miedzi, producenci muszą dostosować swoje modele ekonomiczne, aby zapewnić trwałość swojej działalności. Muszą zatem wdrożyć globalną strategię mającą na celu z jednej strony poprawę wydajności procesów produkcyjnych, a z drugiej strony optymalizację parametrów konstrukcyjnych kabli elektrycznych. Cel ten wpisuje się w podejście mające na celu optymalizację zużycia surowców przy jednoczesnym poszanowaniu ram standardowych wymagań dotyczących kabli elektrycznych. Celu tego nie da się jednak osiągnąć bez szczegółowego poznania zjawisk elektrycznych, jakie panują w konstrukcjach kabli. W tym celu niezbędne jest badanie procesów produkcyjnych i parametrów projektowych w celu zidentyfikowania i ilościowego określenia ich wpływu na zachowanie elektryczne, a dokładniej na całkowitą rezystancję elektryczną kabli. Te ostatnie składają się zazwyczaj z przewodzącego rdzenia z miedzi lub aluminium i jednej lub więcej warstw ochronnych z materiałów dielektrycznych i/lub metalicznych. Badania skupiają się głównie na badaniu przewodzącej części kabla. Składa się z pasm jednostkowych ułożonych w kolejne koncentryczne warstwy. Kształt żył może być okrągły, profilowany, trójkątny, owalny itp. Ogólnie rzecz biorąc, rdzeń przewodzący jest wytwarzany przy użyciu procesów odkształcania na zimno, takich jak okablowanie i zagęszczanie. Podczas tych operacji ulega odkształceniom plastycznym, aż do uzyskania ściśle określonych parametrów geometrycznych. Odkształcenia te wynikają z pól naprężeń generowanych przez siły rozciągające, skręcające, ściskające i tarcia charakterystyczne dla procesów produkcyjnych. Przyjmuje się, że te odkształcenia wpływają na mechaniczne i elektryczne zachowanie rdzenia przewodzącego. Z mechanicznego punktu widzenia odkształcenia plastyczne pasm jednostkowych prowadzą do hartowania poprzez umocnienie zgniotowe materiału, modyfikując w ten sposób jego ogólne właściwości mechaniczne. Powoduje to wzrost granicy sprężystości materiału i wyraźniejszą sztywność mechaniczną przy rozciąganiu rdzenia przewodzącego. Rozumie się, że zaobserwowane modyfikacje nie są takie same w zależności od projektu. Zależą one wówczas od parametrów projektowych, takich jak liczba i kształt żył elementarnych, liczba warstw, odstęp przewodów, kierunek ułożenia przewodów, stopień zagęszczenia (stopień zagęszczenia rdzenia), kształt i wielkość warstwy między- obszary styku pasm. Z elektrycznego punktu widzenia należy zbadać wszystkie te zmiany, aby określić ilościowo ich wpływ, jednocześnie na przewodność elektryczną materiału, rozkład prądu i całkowitą rezystancję elektryczną kabla. Badania skupiają się na analizie zachowania elektrycznego żył przewodzących kabli elektrycznych, a dokładniej na ich całkowitej rezystancji elektrycznej.
Analiza będzie dotyczyć głównie badania rezystancji elektrycznej w trybie stacjonarnym (prąd stały). Cele przemysłowe koncentrują się wokół następujących punktów:
 Zrozum zjawiska elektryczne panujące w duszach przewodzących,
 Dobrać żyły przewodzące tak, aby uzyskać określoną rezystancję elektryczną,
 Ograniczenie zużycia surowców, szczególnie miedzi.
Aby osiągnąć te cele, zastosowano narzędzia obliczeniowe oparte na modelach numerycznych do przewidywania mechanicznego i elektrycznego zachowania przewodników.
Po pierwsze, odtworzenie procesów okablowania i zagęszczania pozwoli przybliżyć pola odkształceń rdzenia przewodzącego i rzeczywisty kształt obszarów styku międzyżyłowego. Po drugie, analiza elektryczna określi ich wpływ na przewodzenie prądu, a tym samym na całkowitą rezystancję elektryczną rdzenia przewodzącego.
Modele te, oparte na metodzie elementów skończonych, posłużą do ilościowego określenia wpływu parametrów procesów okablowania i zagęszczania na właściwości elektryczne rdzeni przewodzących. Wyniki symulacji posłużą do ustalenia zestawu parametrów projektowych w celu optymalizacji zużycia surowca.
Rdzeń przewodzący ulega odkształceniom plastycznym w wyniku utwardzania materiału podczas produkcji; przydatne będzie wówczas przeanalizowanie ich wpływu na przewodność elektryczną materiału.
Z krystalograficznego punktu widzenia te odkształcenia plastyczne wynikają z powstawania, namnażania i przemieszczania ruchomych defektów liniowych w sieci krystalicznej metalu.
Wady te nazywane są dyslokacjami. Zwiększająca się liczba dyslokacji powstających podczas odkształceń plastycznych oraz ich wzajemne oddziaływanie (lub z zanieczyszczeniami, wydzieleniami itp.) prowadzi do zmniejszenia ich ruchliwości. Powoduje to utwardzenie struktury metalurgicznej metalu.
Zjawisko to nazywane jest „hartowaniem”. Powoduje to również zmniejszenie wielkości ziaren, zwiększając w ten sposób liczbę granic ziaren w strukturze metalu.
Ponadto defekty i puste przestrzenie zawarte w sieci krystalicznej metalu stanowią przeszkodę dla nośników ładunków elektrycznych (elektronów).
Zmiany te powodują degradację przewodności elektrycznej materiału, ale także jej nierównomierny rozkład w przekroju rdzenia przewodzącego.
Rezystancja styku elektrycznego i zmiany przewodności elektrycznej w funkcji umocnienia odkształceniowego materiału zostaną scharakteryzowane eksperymentalnie.
Następnie ta ostatnia zostanie wykorzystana w modelach numerycznych poprzez zdefiniowanie strategii sprzężenia mechanicoelektrycznego, co umożliwi uwzględnienie wpływu rezystancji zestyku i umocnienia odkształceniowego na całkowitą rezystancję elektryczną kabli.