基于ANSYS的電源連接器保持力分析與研究

，，

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200000)

1 引言

電連接器是電子系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)元件之一。它是器件與組件、組件與組件、子系統(tǒng)之間形成電氣連接的必要元件。電連接器作為一種機(jī)電系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供可分離界面，而不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。電連接器的應(yīng)用始于軍工企業(yè)，而后逐漸擴(kuò)展到民用領(lǐng)域。隨著手機(jī)、電視、電腦等民用消費(fèi)電子產(chǎn)品以及汽車等交通領(lǐng)域的發(fā)展，連接器迅速向這些領(lǐng)域拓展，成為全球電子組件第二大支柱產(chǎn)業(yè)[1]。在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇等武器裝備系統(tǒng)中，軍用電連接器是用量最多的電子元器件之一，而電連接器失效率在軍用電子元器件中最高，約占總數(shù)的40%～50%[2]。隨著通訊技術(shù)、電子設(shè)備技術(shù)高速發(fā)展以及武器裝備更新?lián)Q代，電連接器呈微型化、高密度、模塊化的發(fā)展趨勢[3]。

新的發(fā)展趨勢對電連接器的性能參數(shù)提出了新的要求。連接器的主要技術(shù)指標(biāo)包括機(jī)械特性、電氣特性和環(huán)境特性。其中機(jī)械特性參數(shù)主要包括插拔力、端子保持力、端子正向力、機(jī)械壽命、振動(dòng)、沖擊、碰撞等；電氣特性參數(shù)主要包括接觸電阻、屏蔽性、額定電壓、額定電流；環(huán)境特性參數(shù)主要包括溫度、濕度、壓力、腐蝕等[4]。保持力作為電連接器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，是指將接觸件從塑料基座中退出所需的最大力，決定著接觸件在塑料基座中的可靠連接，保持力過小則達(dá)不到連接要求，如何在有限的空間內(nèi)提升接觸件的保持力，對連接器微型化和高密度具有重要的意義。國內(nèi)對接觸件保持力進(jìn)行的系統(tǒng)研究較少，對保持力的模擬仿真分析是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)者多憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著設(shè)計(jì)周期的縮短和連接器發(fā)展新趨勢的出現(xiàn)，可憑借的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)越來越少，因而對連接器保持力進(jìn)行理論研究是十分有必要的。

2 產(chǎn)品介紹

SJ045-25STH0、SJ045-25PZH0為25芯電源連接器，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。該電源連接器主要由插頭、插座兩部分組成，插頭部分通過壓接的方式與導(dǎo)線連接，插座部分通過魚眼結(jié)構(gòu)與客戶端PCB板連接。如圖3所示，接觸件插入基座，通過其自身體的彈臂結(jié)構(gòu)卡在基座開口中，該結(jié)構(gòu)能夠避免在對接過程中，接觸件從基座中退出。為省略接觸件插入后的灌膠工序，需將接觸件的保持力由6.5～7N提升到不小于15N。

圖1 SJ045-25STH0電源插頭

圖2 SJ045-25PZH0 電源插座

a)剖視圖 b)局部放大圖圖3 SJ045-25STH0接觸件與基座裝配情況

3 理論計(jì)算與仿真分析

3.1 靜力分析[5]

為提升接觸件的保持力，首先對接觸件在基座中的受力情況進(jìn)行分析，建立接觸件的靜力學(xué)模型。接觸件從受力到彈臂破壞是一個(gè)相對靜止的過程，因此只需要進(jìn)行靜力學(xué)分析。如圖4所示為接觸件的受力情況，接觸件在基座中受到一個(gè)已知外力，即是將接觸件從基座中拔出的力；同時(shí)，接觸件底部、彈臂與基座接觸受到與基座的接觸力，該接觸力包括接觸表面摩擦力和基座的支持力；以及這些力產(chǎn)生的力矩M1，M2。接觸件在力和力矩的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)，必須滿足下列條件。

圖4 靜力學(xué)分析

靜止條件，如式(1)～(3)所示。

(1)

即，

(2)

(力的方向：向上為正，向右為正；力矩的方向：逆時(shí)針為正)

假設(shè)Ff1=0，最大靜摩擦力Ffmax=μ Fn2(μ接觸件與基座的摩擦系數(shù)，μ≤1)，即

(3)

接觸件拔出過程分析：

當(dāng)接觸件從基座中拔出時(shí)，F(xiàn)1逐漸增大，即

F1↑，有Fn2↑，F(xiàn)fmax↑；

F1↑，有Mn1↑，F(xiàn)n1↑，F(xiàn)f2↑。

當(dāng)Ff2≥Ffmax，N點(diǎn)沿基座上方滑動(dòng)，更易繞根部折彎。

當(dāng)Ff2≤Ffmax，N點(diǎn)不滑動(dòng)，更易被壓彎。

由公式(3)可得，F(xiàn)fmax=μF1

因此，L1越小，摩擦系數(shù)μ越大，N越不容易滑動(dòng)，彈臂受力情況越好。

3.2 接觸件材料與結(jié)構(gòu)改善[6]

接觸件保持力的提升，主要從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面著手。在材料方面，根據(jù)前面的分析，可以通過改變材料來提升摩擦系數(shù)，同時(shí)，性能優(yōu)良的材料有利于提高接觸件彈臂的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，從而提高接觸件的保持力。本產(chǎn)品分別采用鈹青銅和磷青銅來制造接觸件，二者的性能參數(shù)如表1所示，通過仿真和試驗(yàn)的方法對比二者對保持力提升效果。

表1 接觸件材料特性參數(shù)

在結(jié)構(gòu)方面，不同的彈臂結(jié)構(gòu)與基座的接觸情況、抗彎抗壓能力、彈臂高度不同，造成與基座的保持力不同。本文提出了三種不同的彈臂結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6、圖7所示。圖5 為最初的彈臂結(jié)構(gòu)，其保持在力在6.57N，該彈臂結(jié)構(gòu)頂端有折彎，臂身呈直線型，彈臂傾角較大。圖6為改善后的彈臂，取消彈臂頂端折彎，臂身改為斜線型，增大根部倒角。圖7彈臂在圖6模型的基礎(chǔ)上增加了凸包。3種接觸件分別采用上述2種材料進(jìn)行制造[7]。

圖5 折彎彈臂結(jié)構(gòu)

圖6 直臂無凸包彈臂結(jié)構(gòu)

圖7 直臂凸包彈臂結(jié)構(gòu)

3.3 模擬仿真[8]

采用ANSYS軟件對上述3種彈臂結(jié)構(gòu)、兩種接觸件材料，共6種接觸件分別分析其在基座中的保持力。為減少計(jì)算量，加快分析速度，結(jié)合ANSYS軟件的設(shè)置，在不影響分析結(jié)果的情況下對基座和接觸件進(jìn)行簡化，簡化結(jié)果如圖8所示，簡化后接觸件只保留頭部結(jié)構(gòu)，簡化后基座只取與彈臂接觸的一部分。

圖8 簡化結(jié)構(gòu)模型

3.3.1 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)定如圖9所示，采用約束B固定接觸件尾部，接觸件底面加載支撐約束C，基座后表面加載位移載荷A。在接觸件彈臂和基座表面添加1個(gè)接觸對，在接觸件左、右側(cè)面增加1個(gè)支撐接觸對，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3。

圖9 邊界條件設(shè)定

3.3.2 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格方面，采用高階單元，并加密接觸件彈臂與基座接觸面，如圖10所示。

圖10 網(wǎng)格劃分

3.3.3 仿真結(jié)果分析

磷青銅C5210應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖11所示，屈服強(qiáng)度600MPa，鈹青銅C17200應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖12所示，屈服強(qiáng)度780MPa。

圖11 磷青銅C5210應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖12 鈹青銅C17200應(yīng)力應(yīng)變曲線

1)折彎結(jié)構(gòu)彈臂接觸件

(a)應(yīng)力分布圖 (b)作用力曲線圖13 折彎結(jié)構(gòu)彈臂接觸件(磷青銅C5210)

在折彎結(jié)構(gòu)彈臂接觸件中，采用磷青銅C5210，整體受力情況如圖13(a)所示，可以看出此時(shí)彈臂已完全彎曲，失去支撐能力，折彎處應(yīng)力為600MPa～750MPa，尚未斷裂。作用力曲線如圖13(b)，保持力為9.5N。

(a)應(yīng)力分布圖 (b)作用力曲線圖14 折彎結(jié)構(gòu)彈臂接觸件(鈹青銅C17200)

采用鈹青銅C17200，整體受力情況如圖14(a)所示，可以看出此時(shí)彈臂已完全彎曲，失去支撐能力，同時(shí)折彎處應(yīng)力為700MPa～900MPa，尚未斷裂。作用力曲線如圖14(b)，保持力為11.9N。

3.2 顆粒粒度測定方法 本研究采用BT-9300H型激光粒度分布儀分析系統(tǒng)對顆粒進(jìn)行粒度測定，利用測定激光束穿透顆?；鞈乙旱纳⑸涔烙?jì)出顆粒的平均體積，如假設(shè)顆粒為標(biāo)準(zhǔn)球體，則可計(jì)算出顆粒直徑。和傳統(tǒng)光鏡或電鏡測量方法相比，具有快速，誤差小，精確度高，操作簡便，可定量分析的優(yōu)勢，尤其適用于大樣本的測定。激光粒度分析儀的不足之處在于：忽略了顆粒的形狀，可能會(huì)對顆粒的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

2)直臂無凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件

(a)應(yīng)力分布圖 (b)作用力曲線圖15 直臂無凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件(磷青銅C5210)

(a)應(yīng)力分布圖 (b)作用力曲線圖16 直臂無凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件(鈹青銅C17200)

在直臂無凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件中，采用磷青銅C5210，整體受力情況如圖15(a)所示，可以看出彈臂有沿基座向上滑動(dòng)的趨勢，根部發(fā)生折彎，本身并未彎曲。折彎處應(yīng)力為600MPa～780MPa，失去支撐能力，尚未斷裂。作用力曲線如圖15(b)，作用力曲線不光滑，作用力出現(xiàn)波動(dòng)，保持力為5.2N。

C17200整體受力情況如圖16(a)，可以看出彈臂沿基座向上滑動(dòng)的趨勢不明顯，根部發(fā)生折彎，本身并未彎曲。中部和根部應(yīng)力達(dá)到900+MPa，接近斷裂。作用力曲線如圖16(b)，和磷青銅類似，作用力出現(xiàn)波動(dòng)，保持力為5.4N。

(3)直臂凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件

(a)應(yīng)力分布圖 (b)作用力曲線圖17 直臂凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件(磷青銅C5210)

(a)應(yīng)力分布圖 (b)作用力曲線圖18 直臂凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件(鈹青銅C17200)

在直臂凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件中，采用磷青銅C5210，整體受力情況如圖17(a)，彈臂不滑動(dòng)，沿凸包上邊線折彎，保持力為15.9N，作用力曲線如圖17(b)。

采用鈹青銅C17200接觸件整體受力情況如圖18(a)，變形情況與磷青銅C5210相似，保持力為19.9N。

不同彈臂形式仿真結(jié)果對比如表2所示，其中，折彎結(jié)構(gòu)有利于降低彈臂高度，與基座接觸情況較好，但保持力較??；直臂無凸包結(jié)構(gòu)，與基座的接觸情況較差，彈臂受力后沿基座滑動(dòng)，作用力不穩(wěn)定，保持力??；添加凸包后的直臂結(jié)構(gòu)，與基座的接觸情況得到改善，彈臂不滑動(dòng)，作用力穩(wěn)定，保持力大于15N，該種結(jié)構(gòu)為較優(yōu)方案。在材料方面，鈹青銅C17200明顯優(yōu)于磷青銅C5210，無論那種結(jié)構(gòu)對保持力都有所提升。同時(shí)，仿真結(jié)果與理論分析吻合較好，折彎結(jié)構(gòu)和直部結(jié)構(gòu)由于與基座的接觸情況不同，造成接觸點(diǎn)的摩擦系數(shù)不同，摩察系數(shù)越大越穩(wěn)定，彈臂受力情況越好，保持力越大越穩(wěn)定。

表2 不同彈臂形式仿真結(jié)果對比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)是針對直臂凸包彈臂結(jié)構(gòu)接觸件測量其在PBT塑料基座中的保持力，接觸件材料采用磷青銅C5210。

4.1 接觸件檢測

在投影儀上對接觸件外觀和關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢測，判斷來料是否滿足圖紙要求，表面有無壓痕和裂紋，排除外在因素對試驗(yàn)的影響，圖19為接觸件外觀檢測范例，圖20為關(guān)鍵尺寸測量點(diǎn)。

圖19 接觸件外觀檢測

圖20 關(guān)鍵尺寸測量

4.2 導(dǎo)線壓接

采用如圖21所示的壓接工裝壓接接觸端子，壓接完成的端子如圖22所示。

圖21 端子壓配工裝

圖22 壓接后接觸件

4.3 保持力測量

在保持力測量前，首先要進(jìn)行壓線，保證線纜在接觸件中的保持力大于接觸件在基座中保持力，避免線纜先于接觸件拔出。壓線完成的接觸件穩(wěn)定可靠的裝入基座中，對同一個(gè)插頭測量25個(gè)數(shù)據(jù)，如表3所示。測量設(shè)備為測力計(jì)，如圖23所示，精度為0.1N，采用手動(dòng)測量。

圖23 測力計(jì)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果對比

表3為彈臂高度為1.42mm時(shí)關(guān)鍵尺寸測量，

表4為其保持力測量結(jié)果，保持力最小值為12.7N，最大值為15.5N，平均值為14.33N。

降低彈臂高度，重新制作接觸件，其關(guān)鍵尺寸測量如表5所示，保持力如表6所示，保持力最小值為15N，最大值為20.9N，平均值為16.3N。從保持力測試結(jié)果來看，與彈臂高度為1.42mm的保持力相比有所提高，且與仿真結(jié)果15.9N較為接近。彈臂的破壞形式如圖24所示，大部分彈臂在凸包上邊線附件折彎，與仿真結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，凸包直臂結(jié)構(gòu)和降低彈臂高度有效地提高了接觸件保持力，與理論分析、仿真結(jié)果一致。

表3 關(guān)鍵尺寸測量(彈臂高度為1.42±0.03mm)

表4 接觸件保持力(彈臂高度為1.42±0.03mm)

表5 關(guān)鍵尺寸測量(彈臂高度為1.34±0.03mm)

表6 接觸件保持力(彈臂高度為1.34±0.03mm)

圖24 試驗(yàn)彈臂的破壞形式

5 結(jié)論

本文以電源連接器插頭SJ045-25STH0為研究對象，通過理論分析、有限元仿真以及試驗(yàn)驗(yàn)證，對接觸件保持力進(jìn)行了研究，建立了科學(xué)的分析過程，實(shí)現(xiàn)了接觸件保持力的提升。通過本文的研究，得到如下結(jié)論：接觸件保持力與彈臂和基座的摩擦系數(shù)呈正比關(guān)系、與彈臂的高度呈反比關(guān)系。本文進(jìn)一步研究的方向：在理論方面，建立彈臂受力和破壞形式的關(guān)系；在仿真分析方面，由于保持力分析屬于非線性接觸問題且存在大變形，采用ABAQUS進(jìn)行分析，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確[9,10]。

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