利用SOLIDWORKS Simulation計算連接器彈力和塑性變形

智誠科技有限公司 楊柳寧

將對于連接器來說，其彈片的彈力和塑性變形非常重要。如果彈片彈力太小可能會導致連接器松動、接觸不良，如果彈力太大則可能會使連接器插拔困難、容易磨損。除此之外，很多連接器在首次使用時會產生塑性變形。而產生塑性變形后是否會影響到后續的使用也是我們必須要關心的問題。SolidWorks Simulation Premium的非線性分析可以輕松仿真以上所提到的問題。本文以一個真實連接器模型為例，在Simulation非線性中計算出彈片彈力和彈片產生塑性變形后的殘余形狀。

一、引言

提到連接器，大家并不陌生，它在我們日常生活中扮演著非常重要的角色。小到插頭，通信設備，手機充電器，大到船舶，大型工業設備，都活躍著連接器的身影。連接器松脫，將導致信號阻斷影響產品正常運行。連接器過于緊實，將導致插拔困難。這些問題都將嚴重影響產品質量，使得顧客對產品的滿意度大打折扣，因此合理的連接器彈片設計對連接器使使用壽命和用體驗至關重要。

彈片的形狀和厚度設計均可以影響其彈力，甚至一些復雜的彈片設計，其彈力會根據變形而隨之改變。傳統的方法需要先把樣機做出然后再進行測試，如果測試結果不合格則需要反復重復這一過程直到結果數據令人滿意為止。Simulation premium中的非線性可模擬彈片在受壓時的變形的反作用力和變形狀況，也可以隨時在軟件中更改設計并重新運算，借助這個工具可以大大提高設計效率減少樣機。

二、問題描述

在生活中，連接器隨處可見，如圖1所示。在本文中我將采用一個處于設計狀態的連接器模型為例，該模型由塑料外殼和金屬銅所做成的彈片組裝而成，如圖2所示。本文將模擬銅片在連接狀態時受壓變形及其反彈力。為了節省計算資源，仿真時我將單獨對銅件進行分析，如圖3所示。

三、分析模型前處理

圖1日常中的連接器

圖2連接器組裝件

圖3連接器彈片SolidWorks設計圖

圖4固定不變形的位置

本例中，圖4紅圈所示位置在受力時不會產生變形，可將其簡化成圖5所示形狀。除此之外，本模型為左右對稱模型，為了進一步節省計算機資源，可以進一步做1/2簡化，圖6所示藍色高亮面為對稱面。

四、Simulation仿真算例設置

圖5簡化不變形后圖檔

圖61/2簡化后圖檔

圖7材料屬性

連接器在進行連接時，彈片由于端子的接入產生受壓變形，成功連接后彈片受壓變形的距離是固定的。在本例中受壓距離為0.48mm。根據以往經驗彈片在這種變形情況下會產生塑性變形，故需采用非線性分析以模擬塑性變形的過程。

五、Simulation模擬設定

1.材料屬性

定義彈片材料為CuSn4，模型類型為：塑性-von Mises。如圖7所示。

2.約束設定

定義對稱約束，選擇藍色高亮面為對稱面，預覽如圖8所示。

圖8對稱設置

彈片底面被固定，對該面應用固定幾何體，如圖9所示。

圖9添加約束

3.外部載荷

彈片沿豎直方向向下壓0.48mm，如圖10所示。

4.網格劃分

設置主體網格大小和在藍色高亮面上設置網格控制，如圖11所示。完成設置后進行網格劃分，得到圖12所示網格圖解。

圖10添加位移載荷

圖11應用網格控制

圖12網格劃分

至此，所有設置均已完成，直接點擊工具條上“運行此算例”即可。

六、結果解讀

從結果中可以看到彈片在受壓時的應力與變形圖解

圖13彈片受壓0.48mm后應力圖解

從圖14可以看出，彈片在受壓時力是不斷變化的，從圖表中可以得到任意變形所對應的反力。當彈片在受壓過程中其應力超過材料屈服應力時彈片會產生塑性變形，此時再把作用力卸除彈片會產生相應的殘余變形。

圖14載荷-位移響應圖解

連接器的總壓緊力為：6×1.12=6.72N

圖15彈片總壓緊力

七、其他軟件分析結果對比

圖16是采用Ansys軟件進行分析后的結果圖解，從圖中可以看到其分析結果與Simulation分析結果幾乎一致（本文所涉案例為優化后的產品，如圖16紫線所示載荷-位移響應圖）。

圖16Ansys軟件分析結果

八、結語

SolidWorks Simulation Premium中的非線性分析可以解決材料非線性，大變形，邊界條件非線性的問題。本例中通過非線性算例模擬了連接器彈片受壓分析的過程，準確得出了彈片反力與變形，對其他連接器的設計與驗證具有參考意義。