銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔壓裝力學(xué)行為研究

葉煜松，尹飛鴻,2，王晨峰，何偉杰

（1.常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，常州 213002；2.江蘇省數(shù)字電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213002；3.常州工學(xué)院延陵學(xué)院，常州 213002）

0 引言

電子系統(tǒng)是由許多互通互聯(lián)的連接器構(gòu)成，通過(guò)連接器實(shí)現(xiàn)傳輸電流或信號(hào)的作用，并能完成電路預(yù)定的功能。因其具有快速插拔、易分離、節(jié)省空間、高密度安裝、鎖定提示、鎖定安全可靠、低插拔力、可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)操作、外殼易清潔等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、航空、航天、計(jì)算機(jī)、船舶、通訊、家電等領(lǐng)域。連接器連接端子的截面幾何拓?fù)湫螒B(tài)不僅決定了其接觸彈性，還決定了正向接觸力和接觸面的大小，最終將影響信號(hào)或電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。就力學(xué)角度看，連接器微小的結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)的多樣性、動(dòng)態(tài)接觸時(shí)的復(fù)雜性、接觸形態(tài)參數(shù)同接觸性能的非線性以及拔插連接的可靠性等特征，決定了連接器設(shè)計(jì)計(jì)算的復(fù)雜性。因此，對(duì)于連接端子的設(shè)計(jì)目前還停留在依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的研究階段[1～3]。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)與更新周期的加快，產(chǎn)品不斷高速化及微型化，經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足需要?，F(xiàn)代CAE設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)的快速發(fā)展，連接器的性能可借助于計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)加以模擬分析，從而極大地提高了設(shè)計(jì)效率，減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的失誤。因此，開(kāi)展連接器壓裝力學(xué)行為及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，找到其諸多設(shè)計(jì)參數(shù)中的主要問(wèn)題，對(duì)提高連接器的連接可靠性、簡(jiǎn)化問(wèn)題的復(fù)雜性，具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 銅基針眼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

銅基針眼相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，在插入印刷電路（簡(jiǎn)稱為PCB）板的電鍍套孔的過(guò)程中，兩側(cè)梁結(jié)構(gòu)與電鍍套孔內(nèi)壁接觸時(shí)，會(huì)受力并向內(nèi)側(cè)變形，在孔內(nèi)壁與針眼之間形成足夠的正向壓力，從而保證針眼結(jié)構(gòu)在變形后可以保持可靠的接觸。在結(jié)構(gòu)上，銅基針眼結(jié)構(gòu)可以劃分成預(yù)插區(qū)、插入?yún)^(qū)、過(guò)渡區(qū)、保持力區(qū)、端子強(qiáng)度區(qū)，其具體劃分如圖1所示。預(yù)插區(qū)主要用于將針眼端子頭部導(dǎo)入電鍍套孔內(nèi)。在插入?yún)^(qū)內(nèi)針眼形成兩個(gè)簡(jiǎn)支梁，針眼端子與PCB板圓孔開(kāi)始產(chǎn)生干涉。過(guò)渡區(qū)主要起連接插入?yún)^(qū)與保持力區(qū)的作用。在保持力區(qū)，內(nèi)外針眼可形成力學(xué)中兩個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的簡(jiǎn)支梁，針眼端子和PCB板圓孔產(chǎn)生干涉，針眼端子壓入完畢，提供保持力。針眼端子強(qiáng)度區(qū)主要提供針眼端子根部強(qiáng)度，防止插入時(shí)折斷或壓彎[4]。

2 銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔基座壓裝工程實(shí)例

2.1 工程概況

圖1 銅基針眼結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分

根據(jù)工程要求，依據(jù)《最新連接器選型設(shè)計(jì)制造新工藝、新技術(shù)與質(zhì)量檢驗(yàn)使用調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)》，設(shè)計(jì)了某工程需求的電連接器，在該連接器中銅基針眼結(jié)構(gòu)材料取導(dǎo)電性能、耐熱性能(2200C)和機(jī)械性能均良好的耐腐蝕性的銅-鎳-鋅合金(Cu65%,Ni12%,Zn23%)，銅基針眼結(jié)構(gòu)如圖2所示。銅基針眼結(jié)構(gòu)的連接和支撐載體取PCB板，在PCB板上鉆一系列對(duì)應(yīng)于針眼間距的φ0.41 mm的孔，孔內(nèi)壁沉積一層薄銅，PCB板厚度0.295 mm。要求分析該結(jié)構(gòu)壓裝時(shí)的應(yīng)力情況及插入和拔出力。

圖2 銅基針眼結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)體模型創(chuàng)建

有限元分析的基礎(chǔ)是三維實(shí)體模型的創(chuàng)建，為了簡(jiǎn)化建模的工作量、減少計(jì)算時(shí)間，建模時(shí)取單個(gè)銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔局部區(qū)域?yàn)閴貉b過(guò)程的研究對(duì)象，將PCB板圓孔基座模型上壓裝口倒R=0.02的圓角，在大型有限元分析軟件ANSYS中，運(yùn)用命令流的形式創(chuàng)建如圖3所示的求解分析實(shí)體模型。

圖3 銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔基座模型

2.3 銅基針眼結(jié)構(gòu)壓裝有限元分析

2.3.1 有限元模型構(gòu)建

建模時(shí),假定所有材質(zhì)均勻且是完全各向同性，其變形是彈塑性的，工件已消除了初始?xì)堄鄳?yīng)力,模型中的所有結(jié)構(gòu)全部采用ANSYS軟件中的8節(jié)點(diǎn)3維動(dòng)態(tài)顯式結(jié)構(gòu)3DSolid164實(shí)體單元模擬。設(shè)置銅基針眼結(jié)構(gòu)材料模型為非線性非彈性雙線性隨動(dòng)硬化模式，密度取7.0×10-9t/mm3，彈性模量取1.0×105Mpa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度取200Mpa，剪切模量取60Mpa[5～9]。對(duì)于PCB板圓孔基座則設(shè)置為線性彈性，密度取7.8×10-9t/mm3，彈性模量取2.0×105Mpa，泊松比取0.3。網(wǎng)格劃分時(shí)，銅基針眼結(jié)構(gòu)設(shè)定網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為0.05mm，PCB板圓孔基座以掃掠的方式劃分網(wǎng)格，圓環(huán)面的所有圓弧線分成15份，內(nèi)外圓柱面的高度方向分成25份，該模型共有單元18493個(gè)，節(jié)點(diǎn)15886個(gè)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3.2 銅基針眼插拔時(shí)的應(yīng)力分析

分析時(shí)，根據(jù)非線性接觸分析的理論，通過(guò)命令流的形式定義銅基針眼插入?yún)^(qū)、過(guò)渡區(qū)和保持力區(qū)的外壁與PCB板圓孔基座的內(nèi)圓柱面為接觸對(duì)，在PCB板圓孔基座的外圓柱面施加全約束。設(shè)置插入時(shí)間為0.0001s，拔出時(shí)間為0.0001s，插入距離為2.5mm，拔出距離為2.5mm,在銅基針眼結(jié)構(gòu)的上平面施加了y方向的位移，PCB板圓孔基座的外圓柱面為全約束[10]。通過(guò)對(duì)針眼壓裝過(guò)程的動(dòng)態(tài)顯式分析后，得到如圖5所示的最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。插入時(shí)，隨著時(shí)間的變化，應(yīng)力逐步增大，當(dāng)時(shí)間為0.00005s時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為621.003Mpa，如圖6、7所示，之后有所波動(dòng)后逐漸減小，當(dāng)時(shí)間為0.0001s時(shí)，銅基針眼插入到最大位置，插入過(guò)程結(jié)束，此時(shí)仍存在應(yīng)力，最大值為201.941Mpa。拔出過(guò)程中最大應(yīng)力逐漸減，當(dāng)時(shí)間為0.000106s時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為237.098Mpa，如圖8、圖9所示，之后殘余最大應(yīng)力基本在200Mpa上下有微小波動(dòng)，當(dāng)時(shí)間參數(shù)為0.0002s時(shí)，銅基針眼回到初始位置，此時(shí)結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)力最大值為188Mpa。

圖5 銅基針眼插入和拔出時(shí)最大應(yīng)力變化情況

圖6 銅基針眼與PCB板圓孔基座插入時(shí)的最大應(yīng)力云圖

圖7 銅基針眼插入時(shí)的最大應(yīng)力云圖

圖8 銅基針眼與PCB板圓孔基座拔出時(shí)的最大應(yīng)力云圖

圖9 銅基針眼拔出時(shí)的最大應(yīng)力云圖

2.3.3 銅基針眼插拔力分析

為了了解銅基針眼結(jié)構(gòu)插入和拔出PCB板圓孔基座時(shí)所需要的力，文章提取了PCB板圓孔基座在插入和拔出時(shí)最大反力隨時(shí)間變化的曲線，如圖10所示。由圖可見(jiàn)插入時(shí)反力最大值為2.9N，拔出時(shí)反力最大值為0.25N。所以，該銅基針眼結(jié)構(gòu)壓裝過(guò)程中插入力必須大于2.9N，拔出時(shí)拔出力必須大于0.25N。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖10 插拔反力隨時(shí)間變化曲線

本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)針眼孔端子和PCB板圓孔的壓裝力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了插入和拔出時(shí)的應(yīng)力情況以及插拔反力隨時(shí)間變化的變化情況。本文所提出的研究思路擴(kuò)展了同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)手段和方法，提高了新產(chǎn)品的研發(fā)速度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，簡(jiǎn)單實(shí)用，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

[1]范瑞娟.非線性有限元方法在結(jié)構(gòu)接觸分析中的應(yīng)用[M].國(guó)防工業(yè)出版社.2006.

[2]潘駿.電連接器接觸件結(jié)構(gòu)分析與插拔試驗(yàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程.2013(6)：33-35.

[3]高健,吳福迪,王立峰,皂偉濤,趙云峰.插拔裝置密封件的有限元分析[J].宇航材料工藝.2013,43(1)：46-49.

[4]潘鋒.針眼孔形狀順應(yīng)針力學(xué)機(jī)理研究[D].上海交通大學(xué).2009.

[5]尹飛鴻.有限元法基本原理及應(yīng)用[M].高等教育出版社.2010.

[6]張敬佩,李初曄.過(guò)盈配合產(chǎn)生的接觸壓力和拔出力計(jì)算[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011,(1)：7-9.

[7]王振宇.過(guò)盈配合的選擇方法[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2006,35(5)：61-63,65.

[8]陳緯,趙霞.輥道裝配過(guò)盈配合有限元分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011,(2)：93-95.

[9]孫長(zhǎng)青,張洪才,劉勁濤,張陳.功能梯度涂層滾壓強(qiáng)化的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2014(4)：192-194.

[10]劉杰,卿啟湘,文桂林,張青春.大直徑直孔套管起拔力仿真計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2014(4)：202-205.