基于Ansys Workbench 的高速連接器端子結構優化設計

肖 文，霍柱東，孫 望

（深圳市得潤電子股份有限公司，廣東深圳 518107）

0 引言

隨著中國5G 事業的蓬勃發展，對通信相關制造業的需求日益增加［1］。高速連接器作為5G通信設備的基礎元器件，起到傳輸信號和電流的作用，其可靠性與整個系統的可靠性息息相關。接觸件作為高速連接器傳遞信號和電流的核心零件，對高速連接器的性能有決定性作用，絕大多數的連接器功能失效，是由接觸件的接觸功能失效導致的［2-3］。

接觸對的失效與正向力密切相關，合適的正向力是連接系統接觸良好的前提，但并非正向力越大越好。當正向力達到一定區間后，系統的接觸電阻趨于穩定，不再減小，過大的正向力反而會導致接觸面的磨損，減小連接器的耐久性；而連接器的插拔力又與正向力、摩擦因數緊密相關［4-5］，故合適的插入力對連接器的良好接觸不可或缺。

國內關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高速連接器設計的基礎上，建立了單對端子的有限元接觸模型，得出了插合時的最大插入力和最大當量應力，并在此基礎上設置了3 個設計變量、2 個目標函數，建立了端子的多目標響應面參數化模型［6］。

1 有限元接觸模型

1.1 端子設計模型

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，公座母座對插時，公座端子全部固定，依靠母座的彈臂彈性變形產生正向力而產生彈性接觸。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，故將公座端子設置為剛體，母座端子設置為彈性體［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

根據接觸面和目標面的設計標準，將公端端子的接觸表面設置為目標面，母端彈臂的接觸表面設置為接觸面。根據行業標準，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果

為了模擬端子的工作情形，本文創建的是分離狀態下的模型。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，根據實際接觸情況，接觸類型選擇摩擦接觸，摩擦因數設置為0.2［8］。

通過計算分析，其當量應力云圖如圖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，符合實際工作情況，最大工作應力為1 177.5 MPa，大于C7025屈服強度，有疲勞失效的風險。由圖3 可知，公端端子的最大插入力為0.72 N，不滿足相關標準規定的最大值0.6 N，因此需要利用參數化建模仿真，對該款端子進行優化設計［9］。

圖2 母座端子應力云圖

圖3 插入力變化曲線圖

圖4 母端端子結構示意圖

2 多目標優化設計分析

2.1 數學模型

在優化設計中同時要求兩項或兩項以上設計指標達到最優值的問題，稱為多目標優化設計問題。由于本文中端子的PIN距及Housing的配合尺寸無變化，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 個主要尺寸，即整體高度P1、導向角P2、彈臂高度P3。

根據有限元模型，可求解出端子的插入力P4和最大當量應力P5，端子能夠滿足工作要求時，插入力P4≤0.6 N為優化目標，同時將最大當量應力P5最小化，得到端子的優化數學模型如下：

2.2 參數靈敏度及響應面分析

通過Design Exploration優化模塊對數學模型建立設計變量和目標函數的響應面優化模型，進行擬合和計算，得到了各優化目標隨設計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的變化總趨勢為反向，與導向角P2的變化總趨勢為正向；最大當量應力P5與整體高度P1、導向角P2、彈臂高度P3變化總趨勢為反向。其中導向角和彈臂高度對最大插入力和最大應力影響最大。

圖5 靈敏度柱狀圖

因此取導向角、彈臂高度兩個設計變量作為輸入參數的x軸、y軸，分別得出最大當量應力和插入力的響應面模型如圖6所示。最大插入力P4隨著彈臂高度P3的增大而減小，隨著導向角P2先增大再減小；最大當量應力P5隨著導向角和彈臂高度的增大而減小［10-12］。響應面模型與靈敏度柱狀圖分析結果相同，故綜合兩者可以得出哪些設計變量對目標函數的影響最大，此方法可用于最終優化設計點的挑選。

圖6 響應面模型

2.3 結果分析

由圖5 ～6可知，整體高度對最大插入力的影響很小，可以忽略，所以在優化分析時，只考慮導向角和彈臂高度的影響。通過Design Exploration 優化模塊進行優化計算，樣本數量輸入1 000，計算求解出3個最佳設計點。響應優化參數如表2所示。3個最佳設計點對應的最大插入力均小于行業標準0.6 N，最大應力超過屈服極限。綜合結構因素選擇導向角較大的設計點，以使端子自由狀態下殼體能夠有效保護彈臂，由此本文中這種選取設計點3 為多目標優化設計的最優解。由設計候選點3 重新整合得出P1＝2.8 mm；P2＝34°；P3＝2.35 mm。

對重新取值后的接觸件進行靜力分析，得到優化后的當量應力云圖如7所示；插入力變化曲線如圖8 所示。改進后的接觸件最大應力為1 045 MPa，相比改進前減小了11%；母端端子在彈臂根部有輕微屈服，處于使用可接受范圍，相比改進前，安全系數得到進一步提高。由插入力變化曲線可知，插入力為0.55 N，滿足行業標準。

表2 優化設計候選點

圖7 母座端子應力云圖

圖8 插入力變化曲線圖

比較優化前后結果可得，優化后的端子最大當量應力相比改進前減小11%，強度得到提高；端子插入力相比改進前插入力減小24%。綜合分析可知，優化設計后的端子安全系數和可靠性得到提高。

3 結束語

本文在現有高速連接器彈片端子的基礎上，對其出現插入力過大，易磨損及插拔次數不達標等問題，提出了一種響應曲面優化分析方法，并對該款端子進行了多目標優化設計，得出結論如下。

（1）在現有端子的基礎上，建立了端子的接觸有限元模型，通過接觸分析，該款端子的最大當量應力為1 177.5 MPa，插入力為0.72 N，超出相關標準，易導致接觸失效風險，因此對該接觸端子進行結構優化。

（2）通過對彈片端子進行多目標優化設計，得出各目標函數隨設計變量變化的靈敏度柱狀圖和響應面模型。靈敏度柱狀圖表明參數導向角P2、彈臂高度P3對插入力P4的影響更大，所以在端子結構設計中如出現插入力過大情況，可以優先調整彈臂高度和導向角的取值，最后分析得出了最佳候選設計點。通過對比優化前后的有限元分析結果表明，端子的最大當量應力相比改進前減小11%，端子插入力相比改進前減小24%，安全系數和可靠性得到進一步提高。該研究成果為后續連接器端子柔性設計技術提供了理論依據。