連接器導電片鉚壓工裝仿真與優化

朱 寧，翟國富，房玉環

(1. 哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱，150001；2. 上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

連接器是一種廣泛應用于各種領域的基礎元器件，主要起到電氣連接的作用，使系統中的各個子系統之間可以實現電信號、功率等的傳輸。連接器是系統的信號傳輸紐帶，其可靠性直接決定整個系統能否正常工作[1]。

連接器中主要的導電零件為接觸件，還有一些輔助導電零件如導電片等[3]。本文研究的導電片通過工裝鉚壓在螺母上，導電片有3個引腳，導電片在鉚壓后引腳會發生變形，因為安裝尺寸的需要，引腳變形后的尺寸需要精確設計，這就需要應用有限元軟件對鉚壓過程進行仿真分析[3-4]。原設計工裝下模和導電片接觸面為平面，鉚壓后導電片三個引腳的前后方向變形量基本一致，不能滿足產品的設計尺寸要求，因此提出了兩種改進下模，將原下模和導電片接觸面的平面改成了斜面和階梯面，可以實現導電片鉚壓后三個引腳前后變形量逐漸增加的設計目標，且三個引腳的變形量均可以精確控制，能滿足幾種不同設計目標的要求，并通過試驗驗證保證了仿真的精度。鉚壓過程仿真大大提高了工裝設計的速度和精度，是設計不可或缺的輔助手段。

2 鉚壓模型

鉚壓工裝模型如圖1，分為被鉚壓件、鉚壓下模和壓板，通過下壓壓板和下模將導電片和花齒螺母通過過盈裝配發生塑性變形擠壓在一起從而實現鉚壓。

圖1 鉚壓結構模型

導電片和花齒螺母之間發生了較大塑性變形，這會影響整個導電片各個位置的尺寸。鉚壓后導電片引腳會向內側變形，和下模發生接觸最終定型，因此下模和導電片引腳的接觸面形狀決定了導電片3個引腳的最終變形量，下模的形狀需要根據導電片3個引腳的變形量設計尺寸給出。

3 鉚壓過程仿真

3.1 仿真前處理

(1)模型處理

整個模型為對稱模型，因此取1/2模型進行仿真可有效提高運算速度。將壓板調整到和花齒螺母貼緊的位置，花齒螺母和導電片之間的距離減小到即將接觸，導電片底面和下模支撐面貼緊。

(2)邊界條件設置

應用靜態結構模塊進行仿真，邊界條件如圖2，固定下模底面，圖中A所示，給壓板加一個垂直向下的位移模擬鉚壓過程，圖中B所示，給所有剖面加無摩擦約束模擬對稱邊界，圖中C所示。

圖2 邊界條件設定

(3)相關參數設置

壓板、下模基本不變形，可設置為彈性材料，導電片、花齒螺母有較大變形，因此應設置為彈塑性材料，四個零件的參數設置如表1。

表1 材料設置

整體結構復雜，網格均劃分為十節點四面體單元，其中花齒螺母和導電片會發生較大塑性變形，網格應加密，壓板和下模網格可適當放寬，共計劃分節點85584，單元53275。接觸設置方面壓板和花齒螺母、花齒螺母和導電片、導電片和下模之間均為摩擦接觸，為提高仿真的收斂性，算法選用Augmented Lagrange，接觸剛度為0.1，并將接觸剛度更新選項改為Each Iteration。載荷步最大子步數改為1000[5-6]。

3.2 仿真分析結果

得出鉚壓后導電片的應力分布如圖3，導電片和花齒螺母配合位置應力最大，最大應力為621MPa。

圖3 導電片應力分布圖

得出鉚壓后導電片的前后方向變形量分布如圖4，三個引腳前后位移基本一致，均為0.07mm左右。

圖4 導電片前后位移分布圖

3.3 下模形狀優化仿真

產品要求下模三個引腳變形量為逐步遞增，且變形量有0.07mm、0.11mm、0.15mm和0.06mm、0.07mm和0.16mm兩種組合要求，因此考慮兩種下模優化形狀如圖5。原下模為平面結構，針對第一種變形量尺寸組合將下模改為斜面結構，針對第二種變形量尺寸組合將下模改為階梯結構，傾斜角度和階梯高度根據變形量的仿真結果進行調整得出。分別對兩種優化后的下模進行鉚壓仿真。

圖5 優化前后下模截面圖

得出斜面下模斜度為2°時鉚壓后導電片的應力分布如圖6，導電片和花齒螺母配合位置應力最大，最大應力為612MPa。

圖6 斜面下模導電片應力分布圖

得出斜面下模斜度為2°時鉚壓后導電片的前后方向變形量分布如圖7，三個引腳前后位移呈逐漸增加趨勢，且三個引腳變形量為0.07mm、0.11mm、0.15mm，滿足設計指標要求。

圖7 斜面下模導電片前后位移分布圖

得出階梯下模階梯高度為0.1mm時鉚壓后導電片的應力分布如圖8，導電片和花齒螺母配合位置應力最大，最大應力為618MPa。

圖8 階梯下模導電片應力分布圖

得出階梯下模階梯高度為0.1mm鉚壓后導電片的前后方向變形量分布如圖9，三個引腳前后位移呈逐漸增加趨勢，且三個引腳變形量為0.06mm、0.08mm、0.16mm，基本滿足設計指標要求。

圖9 階梯下模導電片前后位移分布圖

4 試驗結果

分別對改進前后三種情況進行鉚壓試驗并測量導電片三個引腳位置的前后位移量，得出測試結果如表2。可以看出仿真和實測結果很接近，平均誤差在10%以內，且優化后變形量可以滿足兩種設計指標的要求。因此下模可以用這兩種優化結構，一種為2°傾斜狀下模，一種為0.1mm高階梯狀下模。

表2 導電片引腳變形量

5 結論

本文對連接器導電片在工裝作用下鉚壓后的變形量進行了仿真，結果表明用原設計的下模壓鉚后導電片三個引腳前后方向變形量均為0.07mm，不能滿足設計指標，針對變形量0.07mm、0.11mm、0.15mm和0.06mm、0.07mm和0.15mm兩種指標要求分別將下模優化為2°斜角和0.1mm高階梯兩種狀態，再進行仿真得出變形量可以滿足設計指標，最后對三種模具進行壓鉚后變形量測試結果證明了仿真的正確性。

在連接器的設計中很多力學、溫度指標均可以用ANSYS Workbench進行仿真優化，可以在模型階段發現設計不足，大大縮短設計周期，提高設計效率，有限元仿真是設計驗證的有力工具。