車用連接器端子的結(jié)構(gòu)仿真分析

丁元淇，康金燦，杜艷平，賀占蜀

（1.河南天海電器有限公司，河南鶴壁　458030；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州　450001）

車用連接器端子的結(jié)構(gòu)仿真分析

丁元淇1，康金燦1，杜艷平1，賀占蜀2

（1.河南天海電器有限公司，河南鶴壁458030；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）

利用有限元分析軟件Abaqus，對某種車用連接器端子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出端子插拔力及應(yīng)力和塑性變形等，并得到端子的插拔力分別為8.4276N和4.0185N，與試驗(yàn)結(jié)果相符；其最大應(yīng)力值為520MPa，超過了材料的屈服強(qiáng)度，即在第1次插拔時(shí)產(chǎn)生了塑性變形，因此第1次拔出后喇叭口沒有恢復(fù)到原來的狀態(tài)，而是產(chǎn)生了0.134mm的間隙。研究結(jié)果表明，有限元模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，應(yīng)用有限元軟件對車用連接器進(jìn)行分析能夠?yàn)轭愃飘a(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)，可以有效節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本。

連接器端子；有限元；插拔力；塑性變形

連接器是汽車中的重要部分，單一車型所使用的連接器有數(shù)百個(gè)之多，連接器性能的好壞直接影響整車性能。隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對車用連接器的性能要求也越來越高。連接器插拔力是影響連接器機(jī)械性能和電氣性能的重要參數(shù)。因此對其進(jìn)行研究具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

車用連接器端子的結(jié)構(gòu)和性能是保證連接器工作可靠性的重要因素，因此對連接器端子的性能分析一直是研發(fā)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)周期長、經(jīng)濟(jì)成本高，難以滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代快、開發(fā)周期短的要求，先進(jìn)的有限元方法已成為支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的有效工具［1-4］。本文以有限元分析軟件Abaqus為平臺，對某車用連接器端子進(jìn)行了插拔力、應(yīng)力應(yīng)變、塑性變形等結(jié)構(gòu)方面的仿真分析。

1　連接器端子的有限元分析

1.1確定分析類型

連接器端子的插拔過程從接觸到分離，邊界條件發(fā)生了變化涉及到邊界條件非線性；連接器端子在插拔過程中出現(xiàn)了大的位移和變形涉及到幾何非線性；連接器端子的原材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有彈性階段和塑形階段涉及到材料非線性。因此連接器端子的插拔過程是一個(gè)嚴(yán)重非線性的過程。綜上，本分析可選擇用求解器Abaqus／Standard進(jìn)行分析［5］。

1.2有限元模型的建立及前處理

幾何模型的建立：對連接器端子進(jìn)行插拔力分析主要是對插頭端子（公端）和插座端子（母端）之間的插拔力進(jìn)行分析。圖1為連接器端子幾何模型。進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了節(jié)省計(jì)算量和時(shí)間成本，有必要對模型進(jìn)行簡化：①為了減少不必要的分析運(yùn)算，不考慮對端子插拔力影響很小的尾部；②由于插頭端子在整個(gè)插拔過程中幾乎沒有發(fā)生變形，因此可將其設(shè)為剛體。簡化后幾何模型如圖2所示。

圖1　連接器端子幾何模型

圖2　簡化后幾何模型

材料屬性：該端子材料為錫青銅，其彈性模量為121 715 MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為505.65 MPa，抗拉強(qiáng)度為573.31 MPa。Abaqus中材料的塑形參數(shù)為真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變，因此需將名義的應(yīng)力應(yīng)變由式（1）～（3）進(jìn)行轉(zhuǎn)化。將材料名義應(yīng)力-名義應(yīng)變的塑性階段經(jīng)過式（1）～（3）轉(zhuǎn)化后得出錫青銅的塑性數(shù)據(jù)。

式中：εture——真實(shí)應(yīng)變；εnom——名義應(yīng)變；σture——真實(shí)應(yīng)力；σnom——名義應(yīng)力；——真實(shí)塑性應(yīng)變；E——彈性模量。

網(wǎng)格劃分：該分析為典型的接觸分析，接觸屬性為“硬”接觸，因此插頭端子和插座端子均使用適合接觸分析的八節(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元C3D8R［5］。

接觸的設(shè)置：本文研究的端子插拔力過程非常復(fù)雜，是3種非線性關(guān)系的綜合，屬于大變形問題，因此需將幾何非線性開關(guān)打開，同時(shí)選擇有限滑移。

邊界條件和載荷：邊界條件和載荷需模擬真實(shí)插拔過程，其邊界條件應(yīng)為插座端子尾部端完全固定，插頭端子施加x方向的軸向位移。

2　有限元分析結(jié)果

2.1應(yīng)力分析和塑性變形情況

在插頭端子的頭部完全進(jìn)入插座端子時(shí)，即0.2333s時(shí)，其等效應(yīng)力云圖如圖3所示，此時(shí)應(yīng)力得到最大值，約為520 MPa，該值大于材料的屈服強(qiáng)度505.65MPa，因此在應(yīng)力大于505.65MPa的區(qū)域發(fā)生了輕微的塑性變形，塑性變形云圖如圖4所示，其最大塑性變形量為0.002 044 mm。該處的塑性變形導(dǎo)致原來幾乎接觸的“喇叭口”產(chǎn)生0.134mm的間隙，“喇叭口”變形量如圖5所示。該間隙會導(dǎo)致后續(xù)插入力的減小，對端子多次插拔產(chǎn)生不利影響。但因最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度，所以零件不會產(chǎn)生破壞。插入狀態(tài)在0.2333s之后到拔出狀態(tài)的0.7707s之間最大應(yīng)力和產(chǎn)生的塑性變形均保持不變。

圖30　.2333s時(shí)等效應(yīng)力云圖

圖4　塑性變形云圖

圖5　“喇叭口”變形量

2.2插拔力

取6個(gè)樣件在萬能插拔力試驗(yàn)機(jī)上測試，將試驗(yàn)得出的插拔力與有限元仿真分析得出的插拔力進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示。由表1可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)。

表1　插拔力有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

3　結(jié)論

1）本文利用有限元軟件Abaqus建立車用連接器端子的有限元模型，經(jīng)過仿真分析其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)，為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供有效的參考價(jià)值。

2）從分析結(jié)果看，該種連接器插座端子經(jīng)過插拔產(chǎn)生了少量的塑性變形，從而使一次拔出后的插座端子“喇叭口”產(chǎn)生0.134mm的位移量，該間隙會使后續(xù)插拔力減小。由于汽車電子連接器使用工況中的振動、熱變形以及腐蝕等作用，要求材料在彈性范圍具有較大的連接力和接觸面積，因此，在相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，可以從避免或減小塑形變形的角度進(jìn)行思考。

［1］林葉芳，江丙云，閆金金，等.連接器端子件的結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（9）：215-218.

［2］張義愷，林雪燕.SIM卡連接器結(jié)構(gòu)的仿真分析［J］.機(jī)電元件，2007（4）：8-11.

［3］杜永英，孫志禮，呂春梅，等.基于ANSYS某型電連接器插拔過程的可靠性分析［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2015（6）：545-549.

［4］彭強(qiáng)，方慶文.利用有限元分析軟件指導(dǎo)連接器端子設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電元件，2014（1）：3-7.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

（編輯陳程）

Simulation Analysis of Auto Connector Terminal Structure

DING Yuan-qi1，KANG Jin-can1，DU Yan-ping1，HE Zhan-shu2
（1.Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China；2.School of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

This paper analyzes a certain vehicle connector terminal structure based on the finite element analysis software Abaqus，and obtains data of terminal mating and unmating force，stress and plastic deformation.The terminal mating and unmating force are 8.4276N and 4.0185N which consistent with the test results；the maximum stress value is 520 MPa which exceed the yield strength of the material.That is，plastic deformation occurs during the first plug.So the bell pull is not restored to its original state，and left a 0.134mm gap after the first unmating. The results show that the finite element simulation results are consistent with the experimental results and the application of finite element software to analyze vehicle connector can provide a reference to similar products，which can save the product development cost effectively.

connector terminal；finite element；mating and unmating force；plastic deformation

U463.62

A

1003-8639（2016）07-0051-03

2016-05-13；

2016-05-24

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15A460029）；中國博士后科學(xué)基金（2015M582199）；鄭州大學(xué)青年骨干教師資助計(jì)劃

丁元淇（1965-），男，碩士，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品開發(fā)；康金燦（1979-），男，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品開發(fā)；杜艷平（1988-），女，碩士，主要從事連接器的研發(fā)及有限元分析驗(yàn)證工作；賀占蜀（1985-），男，博士，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品開發(fā)。