圓形電連接器跌落沖擊分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

張　帆，王　勻，趙　燕，許楨英，陳　哲，溫德鵬

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)(2.泰州市航宇電器有限公司，江蘇 泰州　225400)

電連接器作為傳遞信號(hào)和電能的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于航天系統(tǒng)、電子系統(tǒng)中，連接器的失效將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的傳輸可靠性[1]。連接器在運(yùn)輸或使用過程中易跌落地面受到撞擊，從而影響其使用性能。目前，國內(nèi)主要通過撞擊試驗(yàn)來確定電連接器跌落到地板上承受撞擊的能力。這種試驗(yàn)難以控制跌落姿態(tài)，所能測得的物理量較少，試驗(yàn)成本也較高[2]，且試驗(yàn)結(jié)束后只能觀察產(chǎn)品表面特性，無法確定內(nèi)部零件或附件是否破裂。國內(nèi)外電子、家電產(chǎn)品的傳統(tǒng)跌落試驗(yàn)已逐步由有限元仿真來完成[3]，文獻(xiàn)[4]、[5]采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行跌落仿真，其分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了LS-DYNA對于分析跌落沖擊問題的可靠性。

通過模擬各種工況進(jìn)行跌落分析，能夠得到電連接器內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變等各種參數(shù)[6-7]。本文利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析程序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)某型號(hào)圓形連接器進(jìn)行了瞬態(tài)分析，研究了不同跌落高度、不同跌落角度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1　模型建立

1.1　電連接器跌落模型建立

所選電連接器模型由座殼體、插針(4個(gè))、針絕緣體和擋圈組成，材料參數(shù)見表1。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在不影響計(jì)算模型的幾何特性、力學(xué)特性等條件下，對模型做如下簡化：1)將座殼體的過渡圓角、倒角、螺紋特征去除； 2)將插針頂端全圓角和尾端焊杯孔特征去除。圖1中插針與絕緣體組成絕緣體芯組，直接由模具成型。絕緣體芯組裝于殼體中，由擋圈固定。模型采用Solid164單元，插針的材料模型采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，其余零件均為剛性模型。為保證精度、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對插針進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格劃分，而對殼體、絕緣體進(jìn)行粗網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示，共有13 566個(gè)單元、3 895個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中座殼體3 744個(gè)單元，插針5 834個(gè)單元，針絕緣體3 570個(gè)單元，擋圈417個(gè)單元。

圖1　幾何模型爆炸圖

表1　材料參數(shù)

圖2　豎直跌落模型

該裝配模型各零件間均有接觸，本文設(shè)置接觸類型為自動(dòng)單面接觸，靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。為消除計(jì)算過程中的數(shù)值振蕩，系統(tǒng)阻尼設(shè)置為0.1[8]。

1.2　跌落工況設(shè)置

2　跌落結(jié)果及分析

如圖2所示，跌落高度為100mm，豎直方向下跌后該連接器撞擊地面時(shí)重要零件的應(yīng)力分布如圖3、圖4所示。從圖中可看出，座殼體底部雖率先撞擊地面，但等效應(yīng)力不大；而插針軸肩處在碰撞過程中與絕緣體相互作用，產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，有可能造成插針的破壞。

2.1　跌落高度對連接器沖擊特性的影響

接觸件為電連接器的核心元件，電連接器的電流及信號(hào)傳輸就是靠接觸件來完成的，因此對接觸件可靠性的研究尤為重要。由圖4可知，插針軸肩所受沖擊應(yīng)力最大，接觸區(qū)域根部其次。圖5為100mm處跌落后插針軸肩頂部和底部單元的應(yīng)力變化曲線，可見頂部單元131的等效應(yīng)力峰值最大，因而接觸件在跌落過程中軸肩可能會(huì)發(fā)生沖擊變形。根據(jù)以上分析結(jié)果，進(jìn)一步研究了單元131和接觸區(qū)域根部節(jié)點(diǎn)1577在不同高度跌落后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖3　座殼體應(yīng)力圖

圖4　插針應(yīng)力圖

圖6為單元131在不同高度跌落后的應(yīng)力時(shí)間響應(yīng)。從圖中可以看出，撞擊地面的瞬間單元131的等效應(yīng)力并非為最大值，這是因?yàn)閯傋矒舻孛鏁r(shí)，軸肩只受到絕緣體的反作用力，隨后絕緣體碰撞到殼體，殼體給絕緣體的反作用力疊加到插針軸肩，導(dǎo)致撞擊地面過后單元131的等效應(yīng)力才達(dá)到峰值。這與連接器跌落沖擊過程中的最大應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律相符，即跌落沖擊過程中的最大應(yīng)力響應(yīng)發(fā)生在碰撞時(shí)或者碰撞后物體的反彈期間。另外單元131的等效應(yīng)力峰值隨著跌落高度的增加而增大，且跌落高度超過600mm后，其應(yīng)力峰值就超過了屈服極限200MPa，但并未超過其強(qiáng)度極限410MPa，因此插針軸肩發(fā)生永久塑性變形但不會(huì)破裂。

表2為節(jié)點(diǎn)1577在不同高度跌落后各個(gè)方向的加速度峰值。由表可知，節(jié)點(diǎn)1577各個(gè)方向的加速度峰值隨著跌落高度的增加而增大。因此跌落高度越高，沖擊振蕩越激烈。

圖5　軸肩應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

圖6　單元131的應(yīng)力時(shí)間響應(yīng)

表2　不同跌落高度下節(jié)點(diǎn)1577各個(gè)方向的加速度峰值 m·s-2

2.2　跌落角度對加速度沖擊的影響

產(chǎn)品在運(yùn)輸或使用過程中的跌落方向是隨機(jī)的，為研究電連接器的跌落沖擊響應(yīng)隨跌落角度的變化規(guī)律，現(xiàn)從不同跌落角度對模型進(jìn)行跌落沖擊仿真。

表3　不同跌落角度下節(jié)點(diǎn)1577各個(gè)方向的加速度峰值　m·s-2

3　改進(jìn)設(shè)計(jì)

從跌落分析結(jié)果來看，圓形電連接器接觸件的軸肩部位所受沖擊較為集中，易發(fā)生破壞?，F(xiàn)針對當(dāng)前設(shè)計(jì)中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1)對插針內(nèi)側(cè)軸肩根部倒R0.3的圓角，由于絕緣體和插針直接注塑成型，因此絕緣體與插針軸肩根部接觸的部分也倒R0.3的圓角。增加圓角特征后，在100mm處跌落的應(yīng)力云圖如圖7所示。可以看出，插針軸肩頂部應(yīng)力集中程度大幅減小，且應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到了軸肩根部圓角處，其最大應(yīng)力值為121MPa，而無倒角時(shí)插針的最大應(yīng)力為173MPa?？梢妶A角減小了插針的沖擊應(yīng)力，這為圓形電連接器插針的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了一個(gè)依據(jù)。

2)將絕緣體材料由塑料更換為硅膠。圖8為兩種情況下插針的等效應(yīng)力變化曲線圖?？梢钥闯?，絕緣體材料為硅膠時(shí)，其應(yīng)力峰值顯著減小，由173MPa降為46MPa，且撞擊過后，應(yīng)力振蕩較為平緩。圖9、圖10為不同絕緣體材料時(shí)在節(jié)點(diǎn)1577處縱向與橫向加速度的響應(yīng)曲線。為硅膠時(shí)，其縱向與橫向加速度峰值分別為4.38×104m/s2、6.42×104m/s2，而為塑料時(shí)，其加速度峰值分別為6.42×104m/s2、7.40×104m/s2。可見硅膠絕緣體能顯著減小跌落沖擊時(shí)的應(yīng)力和慣性力，從而提高圓形電連接器的抗跌落性能。

圖7　加圓角后插針應(yīng)力圖

圖8　單元131的應(yīng)力時(shí)間響應(yīng)

圖9　節(jié)點(diǎn)1577的縱向加速度

圖10　節(jié)點(diǎn)1577的橫向加速度

4　結(jié)束語

本文利用ANSYS軟件中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析程序討論了圓形電連接器跌落撞擊地面的整個(gè)過程，獲得了不同跌落工況對其應(yīng)力和加速度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，跌落高度越高，所受沖擊越大，連接器越容易失效；且豎直正向跌落對連接器的橫向沖擊影響最大，而反向跌落對其縱向沖擊影響最大。對于核級、航空航天以及軍工用的電連接器，其屈服強(qiáng)度必須滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)所要求的跌落高度，以免造成表面損傷和性能損害。最后根據(jù)分析結(jié)果，提出了在插針內(nèi)側(cè)軸肩根部倒圓角和更換絕緣體材料為硅膠的方法，有效降低了插針的沖擊應(yīng)力和沖擊加速度，提高了連接器的抗跌落性能。

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