基于Ansys Workbench 的高速連接器端子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖 文，霍柱東，孫 望

（深圳市得潤(rùn)電子股份有限公司，廣東深圳 518107）

0 引言

隨著中國(guó)5G 事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)通信相關(guān)制造業(yè)的需求日益增加［1］。高速連接器作為5G通信設(shè)備的基礎(chǔ)元器件，起到傳輸信號(hào)和電流的作用，其可靠性與整個(gè)系統(tǒng)的可靠性息息相關(guān)。接觸件作為高速連接器傳遞信號(hào)和電流的核心零件，對(duì)高速連接器的性能有決定性作用，絕大多數(shù)的連接器功能失效，是由接觸件的接觸功能失效導(dǎo)致的［2-3］。

接觸對(duì)的失效與正向力密切相關(guān)，合適的正向力是連接系統(tǒng)接觸良好的前提，但并非正向力越大越好。當(dāng)正向力達(dá)到一定區(qū)間后，系統(tǒng)的接觸電阻趨于穩(wěn)定，不再減小，過(guò)大的正向力反而會(huì)導(dǎo)致接觸面的磨損，減小連接器的耐久性；而連接器的插拔力又與正向力、摩擦因數(shù)緊密相關(guān)［4-5］，故合適的插入力對(duì)連接器的良好接觸不可或缺。

國(guó)內(nèi)關(guān)于高速連接器的插入力仿真有限元模型分析較少，本文在研究某典型56 GB高速連接器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了單對(duì)端子的有限元接觸模型，得出了插合時(shí)的最大插入力和最大當(dāng)量應(yīng)力，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置了3 個(gè)設(shè)計(jì)變量、2 個(gè)目標(biāo)函數(shù)，建立了端子的多目標(biāo)響應(yīng)面參數(shù)化模型［6］。

1 有限元接觸模型

1.1 端子設(shè)計(jì)模型

此款連接器接觸端子包括公座端子和母座端子。公座端子為下料型端子，公座母座對(duì)插時(shí)，公座端子全部固定，依靠母座的彈臂彈性變形產(chǎn)生正向力而產(chǎn)生彈性接觸。由于公座端子的變形幾乎為0，為加快非線性分析的收斂速度，故將公座端子設(shè)置為剛體，母座端子設(shè)置為彈性體［7］。接觸件有限元分析模型如圖1所示。

圖1 接觸件有限元分析模型

根據(jù)接觸面和目標(biāo)面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將公端端子的接觸表面設(shè)置為目標(biāo)面，母端彈臂的接觸表面設(shè)置為接觸面。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文所研究的端子的滑移距離為1.27 mm；公座母座端子均采用C7025，其材料屬性如表1所示。

表1 接觸件材料及屬性

1.2 有限元模型建立與分析結(jié)果

為了模擬端子的工作情形，本文創(chuàng)建的是分離狀態(tài)下的模型。在插入行程中，在插入方向上給公端端子2 mm 的位移，此時(shí)端子滑移距離正好為1.27 mm。在母座端子的背部和錫盤表面施加固定約束，根據(jù)實(shí)際接觸情況，接觸類型選擇摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2［8］。

通過(guò)計(jì)算分析，其當(dāng)量應(yīng)力云圖如圖2所示；插入力曲線如圖3所示。由圖2可知，母端端子受力較大處集中在彈臂末端處，符合實(shí)際工作情況，最大工作應(yīng)力為1 177.5 MPa，大于C7025屈服強(qiáng)度，有疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。由圖3 可知，公端端子的最大插入力為0.72 N，不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值0.6 N，因此需要利用參數(shù)化建模仿真，對(duì)該款端子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［9］。

圖2 母座端子應(yīng)力云圖

圖3 插入力變化曲線圖

圖4 母端端子結(jié)構(gòu)示意圖

2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中同時(shí)要求兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值的問(wèn)題，稱為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于本文中端子的PIN距及Housing的配合尺寸無(wú)變化，為了配合安裝，母端端子（圖4）的配合尺寸不變，只改變彈臂的基本尺寸。本文選取影響插入力的3 個(gè)主要尺寸，即整體高度P1、導(dǎo)向角P2、彈臂高度P3。

根據(jù)有限元模型，可求解出端子的插入力P4和最大當(dāng)量應(yīng)力P5，端子能夠滿足工作要求時(shí)，插入力P4≤0.6 N為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)將最大當(dāng)量應(yīng)力P5最小化，得到端子的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

2.2 參數(shù)靈敏度及響應(yīng)面分析

通過(guò)Design Exploration優(yōu)化模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型建立設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面優(yōu)化模型，進(jìn)行擬合和計(jì)算，得到了各優(yōu)化目標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量變化的敏感程度柱狀圖，如圖5 所示。最大插入力P4與整體高度P1、彈臂高度P3的變化總趨勢(shì)為反向，與導(dǎo)向角P2的變化總趨勢(shì)為正向；最大當(dāng)量應(yīng)力P5與整體高度P1、導(dǎo)向角P2、彈臂高度P3變化總趨勢(shì)為反向。其中導(dǎo)向角和彈臂高度對(duì)最大插入力和最大應(yīng)力影響最大。

圖5 靈敏度柱狀圖

因此取導(dǎo)向角、彈臂高度兩個(gè)設(shè)計(jì)變量作為輸入?yún)?shù)的x軸、y軸，分別得出最大當(dāng)量應(yīng)力和插入力的響應(yīng)面模型如圖6所示。最大插入力P4隨著彈臂高度P3的增大而減小，隨著導(dǎo)向角P2先增大再減?。蛔畲螽?dāng)量應(yīng)力P5隨著導(dǎo)向角和彈臂高度的增大而減?。?0-12］。響應(yīng)面模型與靈敏度柱狀圖分析結(jié)果相同，故綜合兩者可以得出哪些設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響最大，此方法可用于最終優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)的挑選。

圖6 響應(yīng)面模型

2.3 結(jié)果分析

由圖5 ～6可知，整體高度對(duì)最大插入力的影響很小，可以忽略，所以在優(yōu)化分析時(shí)，只考慮導(dǎo)向角和彈臂高度的影響。通過(guò)Design Exploration 優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，樣本數(shù)量輸入1 000，計(jì)算求解出3個(gè)最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)如表2所示。3個(gè)最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大插入力均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.6 N，最大應(yīng)力超過(guò)屈服極限。綜合結(jié)構(gòu)因素選擇導(dǎo)向角較大的設(shè)計(jì)點(diǎn)，以使端子自由狀態(tài)下殼體能夠有效保護(hù)彈臂，由此本文中這種選取設(shè)計(jì)點(diǎn)3 為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)解。由設(shè)計(jì)候選點(diǎn)3 重新整合得出P1＝2.8 mm；P2＝34°；P3＝2.35 mm。

對(duì)重新取值后的接觸件進(jìn)行靜力分析，得到優(yōu)化后的當(dāng)量應(yīng)力云圖如7所示；插入力變化曲線如圖8 所示。改進(jìn)后的接觸件最大應(yīng)力為1 045 MPa，相比改進(jìn)前減小了11%；母端端子在彈臂根部有輕微屈服，處于使用可接受范圍，相比改進(jìn)前，安全系數(shù)得到進(jìn)一步提高。由插入力變化曲線可知，插入力為0.55 N，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)候選點(diǎn)

圖7 母座端子應(yīng)力云圖

圖8 插入力變化曲線圖

比較優(yōu)化前后結(jié)果可得，優(yōu)化后的端子最大當(dāng)量應(yīng)力相比改進(jìn)前減小11%，強(qiáng)度得到提高；端子插入力相比改進(jìn)前插入力減小24%。綜合分析可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的端子安全系數(shù)和可靠性得到提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有高速連接器彈片端子的基礎(chǔ)上，對(duì)其出現(xiàn)插入力過(guò)大，易磨損及插拔次數(shù)不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，提出了一種響應(yīng)曲面優(yōu)化分析方法，并對(duì)該款端子進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出結(jié)論如下。

（1）在現(xiàn)有端子的基礎(chǔ)上，建立了端子的接觸有限元模型，通過(guò)接觸分析，該款端子的最大當(dāng)量應(yīng)力為1 177.5 MPa，插入力為0.72 N，超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，易導(dǎo)致接觸失效風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)該接觸端子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（2）通過(guò)對(duì)彈片端子進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出各目標(biāo)函數(shù)隨設(shè)計(jì)變量變化的靈敏度柱狀圖和響應(yīng)面模型。靈敏度柱狀圖表明參數(shù)導(dǎo)向角P2、彈臂高度P3對(duì)插入力P4的影響更大，所以在端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如出現(xiàn)插入力過(guò)大情況，可以優(yōu)先調(diào)整彈臂高度和導(dǎo)向角的取值，最后分析得出了最佳候選設(shè)計(jì)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果表明，端子的最大當(dāng)量應(yīng)力相比改進(jìn)前減小11%，端子插入力相比改進(jìn)前減小24%，安全系數(shù)和可靠性得到進(jìn)一步提高。該研究成果為后續(xù)連接器端子柔性設(shè)計(jì)技術(shù)提供了理論依據(jù)。