某型飛機典型電連接器接插件插拔特性和 接觸電阻仿真研究

王騰，郁大照，王泗環，張彤

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

在電氣系統中，電連接器是用于實現器件、組件和系統之間電信號和相關控制信號傳輸的基礎性元件，使用范圍廣、數量大，是電氣系統不可或缺的一部分[1]。電連接器主要功能是通過插針與插孔間的接觸配合來實現的，低頻電連接器對系統性能的影響主要表現在接觸的可靠性，接觸失效是其主要的失效模式，約占失效總數的45.1%[2-3]，接觸的可靠與否通常通過接觸電阻值的大小來表征。不同應力作用會對接插件產生不同程度的損傷，接觸區域的磨損和接插件材料的氧化等都會對電接觸性能產生影響，尤其插拔對電連接器接觸表面鍍層的磨損破壞最嚴重，這類問題在工作環境相對惡劣的航空電連接器上表現尤為明顯。

電連接器插拔仿真通常采用ABAQUS和ANSYS來進行。在ABAQUS仿真插拔特性方面，任萬濱[4]建立了插針-線簧孔結構的電連接器接插件模型，進行了摩擦系數、過盈量和線簧數對插拔特性的影響分析，并將插拔模型用于接觸電阻仿真。賀占蜀[5]建立了彈舌結構的電連接器接插件模型，對彈舌傾角和彈舌支撐間隙等結構參數改變條件下電連接器接插件性能進行插拔仿真，并將插拔模型用于溫升特性仿真。在ANSYS仿真插拔特性方面，駱燕燕[6]建立了圓柱式開槽結構的電連接器接插件模型，分析了不同結構尺寸的接插件其接觸壓力等參數的變化規律，并與試驗結果進行了比較。范建平[7]建立了圓柱式開槽結構的電連接器接插件模型，仿真了插拔過程中片簧的應力和變形情況，為結構優化提供參考。

雖然對電連接器插拔特性的仿真研究較多，但多數為單一特性研究，將插拔特性的仿真結果與其他仿真結合起來的研究較少。即使有將插拔特性與仿真電阻相結合的研究，受仿真軟件的限制，后續仿真的內容也不夠豐富。為了實現插拔特性與接觸電阻仿真的較好結合，文中以GJB 599A型電連接器為研究對象，基于ANSYS對電連接器進行插拔特性仿真，將仿真結果添加到COMSOL中，根據插拔對接觸壓力、接觸面粗糙程度的影響，研究接觸電阻的變化規律。

1 分析原理

1.1 接插件插拔特性

研究對象為某型軍用飛機安裝的典型電連接器，在日常使用中，若出現接觸不良等現象，按照維護規定需對其進行重新插拔和清洗，周期性的檢查和維護也需要對電連接器進行定期插拔和清洗。因此電連接器在服役環境中會經歷較多次數的插拔，插拔不當、多余物的附著等都會對接插件產生結構損傷，對于其摩擦性能和導電性能產生較大影響。

摩擦力是影響接插件插拔特性的重要因素之一。接插件表面總會存在大于原子尺度的表面粗糙度，實際的表面接觸面積為所有表面凸起的接觸面積之和。原子間作用力使兩個接觸的表面凸起之間產生粘著力（就是微觀的摩擦力），粘著是由物體的物理和化學狀態引起的。兩個摩擦表面之間處于塑性接觸狀態，接觸對的接觸界面發生滑動時，會產生宏觀和微觀層面的形變。導致形變產生的力主要由剪切力和犁溝力組成，即：

式中：T為剪切力；Pe為犁溝力；A為接觸面積；τb為剪切強度，是受滑動速度和潤滑狀態影響的參數；S為犁溝面積；pe為單位面積犁溝力，是與材料性質有關的參數[8]。

接觸力是影響接插件插拔特性的另一個重要因素。圓柱式開槽結構的接插件依靠插孔簧片的彈性變形產生接觸壓力，插孔結構可簡化為懸臂梁模型，接觸力表達式為：

式中：E為插孔材料的彈性模量；δ為撓度；L為簧片長度；Ix為中性軸x的截面慣性矩。由式（2）可知，接觸力主要受材料屬性和接插件結構形狀的影響，通常同一空間位置下的接插件接觸力變化屬于疲勞研究范疇。

1.2 接觸電阻

連接器性能的好壞關鍵在于其接觸電阻是否在應力作用下能保持在相對穩定的較低水平。Holm最早提出電接觸模型[9]，此模型也被稱為長收縮模型，如圖1所示。他認為電流在接觸面上的傳遞是通過接觸區域許多接觸點來實現的，稱之為導電斑點。

后來Williamson提出了修正模型，即兩級收縮模型[10]。根據Williamson的理論，收縮模型里存在大收縮和微收縮，電流在接觸面之間的導電斑點成集群式分布，電流經過導電斑點群時會產生一個大的收縮電阻，在單個導電斑點處產生微小的收縮電阻。早期 的接觸電阻模型只考慮了收縮電阻，實際上接觸電阻中不僅有收縮電阻，還有表面膜電阻。Malucci根據導電觸點的分布特點，提出了三級收縮模型，即電連接器的接觸電阻可表示為：

圖1 電接觸原理 Fig.1 Schematic diagram of electrical contact

式中：R為接觸電阻；Rc為收縮電阻，也稱作集中電阻 ；Rf為膜層電阻，也稱作表面膜電阻。由于膜層電阻難以計算，因此可等效為：

式中：ζ為膜層的隧道電阻率；a為導電斑點平均半C徑O。M SOL軟件在仿真接觸電阻時有CMY模型[11]和Mikic彈性模型。CMY模型根據接觸面溫度分布，得出溫度場函數和邊界條件，求解熱傳導的微分方程，得到單點接觸熱阻的解析解。它將表面粗糙度和赫茲接觸理論結合起來，分析微觀接觸對在外壓力下發生塑性形變后的情況，即：

式中：pa為接觸應力；H為接觸面微硬度；Ar為實際接觸面積；Aa為名義接觸面積。式（5）考慮了接觸應力和材料微硬度，便于對接觸電阻進行計算。COMSOL軟件將CMY模型應用到電接觸分析中，經過對相應變量的替換和簡化，得到了接觸電阻的表達式為：

式中：V1、V2為接觸面兩端電壓；hc為接觸阻抗；為流過接觸面兩側導體的電流密度矢量；為接觸面的單位法向量；σasp為粗糙表面平均高度；masp為粗糙表面平均斜率；p為接觸應力；Hc為表面微硬度。

2 模擬仿真

2.1 插拔特性仿真

與ANSYS自帶的建模模塊相比，Solidworks是一款建模效率高、準確性好、通用性強的三維建模軟件，因此選擇Solidworks作為建模軟件。

根據電連接器生產廠家中航光電科技股份有限公司提供的圖紙數據，通過三維建模軟件Solidworks建立GJB 599A型電連接器模型。實際生產中，通常在插孔簧片上施加收口力，使簧片產生塑形變形，使插針與插孔間的配合成為過盈配合?？紤]到在電連接器的工作過程中，插孔簧片護套對于簧片的受力、導電等幾乎無影響，為便于觀察插孔簧片與插針的接觸狀態，建模時移除了插孔簧片護套的接插件模型，并對模型進行合理處理和簡化，單個接插件模型如圖2所示。插針半徑為1 mm，插孔半徑為1.05 mm，插孔為雙開槽結構，插針與插孔之間的配合為間隙配合。

圖2 接觸模型 Fig.2 Contact model a) pin model; b) jack model

由于不考慮慣性力和阻尼影響，在 ANSYS可進行插拔仿真的各模塊中，靜力學分析模塊可以提高計算速度，節省計算資源，而且能夠滿足插拔分析的仿真需要，將Solidworks建立的三維模型導入ANSYS中進行靜力學分析。GJB 599A型電連接器的接插件基體材料為QSn4-3（含鋅的錫青銅），接插件材料參數見表1。由于鍍層較薄，只是對表面摩擦有影響，并不能對接插件的力學性能產生影響，因此建模時使用鍍層的摩擦系數，結構上建模忽略鍍層。

網格劃分方法為四面體網格法，劃分方式為自適應方式，網格單元尺寸為0.3 mm，接觸區域網格尺寸設置為0.2 mm。為防止網格產生明顯畸變，在插 孔簧片外圓弧面和插針頭部倒角半圓面這些接觸區域的相鄰面進行網格細化，細化程度系數設為1。

表1 接插件基體材料基本性能 Tab.1 Essentialproperties of connector substrate material

插針頭部半圓面和外圓柱面與插孔簧片頭部倒角面和內圓弧面為一對接觸對，插孔內表面為目標面，插針外表面為接觸面，因為要研究插針與插孔之間的摩擦性能，因此設置接觸類型為摩擦接觸（Frictional）。因為接觸面與目標面界限明顯，所以接觸形式設為非對稱接觸，摩擦系數設為0.2。法向接觸剛度是影響接觸精度與收斂速度的重要參數，摩擦接觸通常默認為1。法向接觸剛度越大，接觸穿透量越小，計算結果越精確，但是不容易收斂；法向接觸剛度越小，計算越容易收斂，計算速度越快，但是接觸穿透量越大，誤差越大。根據經驗和實際仿真調試，法向剛度因子為0.1，該模型仿真結果比較精確，收斂容易。

接觸算法為增強拉格朗日算法，在不需要很大法向接觸剛度時，就可以保證較小的穿透，計算結果容易收斂。Pinball設置用來識別面與面之間開始接觸的距離，可以提高計算精度和速度，Pinball Region半徑設為0.01 mm。接觸對的界面處理方式（Interface Treatment）設為接觸面與目標面剛好接觸（Adjust to Touch）。

接插件插拔動作的仿真過程總共分三步：第一步，為插孔簧片施加收口力10 N，使插孔簧片產生要求的屈服變形，將變形結果用Workbench的Beta功能更新到模型中，得到具有實際收口量（0.16 mm）的插孔模型，如圖3所示；第二步，插針勻速插入插孔，至插孔內2.5 mm處停止；第三步為插針勻速拔出插孔的過程，至起始位置處停止。

圖3 插孔收口模型 Fig.3 Necking model of jack

插拔速度為勻速，Large Deflection設置為on。插拔兩個過程，總共設兩個載荷步，關閉自動時間步長，每個載荷步設置50子步，選擇直接求解器。插針與插孔通過安裝在絕緣壓板的定位孔中進行固定，因此將中部凸臺的圓柱面設為固定約束。為插針提供位移載荷，插針的運動方式為往x軸負方向移動3.5 mm，載荷步為4 s。插針插入量為2.5 mm，與工廠提供數據以及對實際使用樣品的觀察數據相一致。

在第一載荷步仿真的是插針插入插孔的過程，載荷步時間為0～2 s，插針從0 s開始向x軸負方向勻速直線運動。在0.68 s時，插針開始與插孔簧片接觸，插針頭部圓形倒角和插孔簧片唇口倒角開始出現應力，插針插入受阻，插入力從0開始快速上升。隨著插入量的增加，插入力逐漸增大。在0.8 s時，插針與插孔的位置處于開始接觸與插針圓形倒角完全進入簧片收口端倒角的中間階段，插入力達到峰值，為2.8 N，插拔力如圖4所示。在0.88 s時，接觸壓力最大，為120.89 MPa，接觸壓力如圖5所示。在0.96 s時，插針圓形倒角完全插入插孔簧片倒角，簧片變形量達到最大，為0.08 mm。此時插針插入插孔0.42 mm，插入力為1.87 N。當插針與插孔穩定配合后，插孔簧片變形量不再增加，簧片變形量如圖6所示。

圖4 插拔力 Fig.4 Insertion and extraction force

圖5 接觸壓力 Fig.5 Contact pressure

圖6 簧片變形 Fig.6 Deformation of spring

第二載荷步仿真插針拔出插孔的過程，載荷步時間為2～4 s，插針從2 s開始向x軸正方向勻速直線運動。第2 s開始拔出，拔出力保持為1.8 N；從3s開始，插針與插孔簧片逐漸分離，接觸區域變小，摩擦力變小，拔出力開始減?。粡?.2 s開始，拔出力出現負值，這是因為拔出過程中，為保證插針勻速運動，需要為插針提供一定推力來抵消簧片收口端對插針的彈力；到3.32 s時，插針與插孔完全分離，插拔力為0 N。

在插針插入的過程中，最大應力位于簧片根部截面內側開槽處，如圖7所示。插針完全插入后，應力數值趨于穩定，應力主要分布在簧片根部，最大值為529 MPa，應力梯度顯著。簧片應力主要集中在截面內側和外側邊緣，中間大部分區域沒有應力作用，這是因為在插針插入的過程中，插孔簧片的內側受到拉伸作用，外側受到擠壓作用。

圖7 插孔內側應力分布 Fig.7 Stress distribution inside the jack

接觸對的界面處理方式（Interface Treatment）設為接觸面與目標面剛好接觸（Adjust to Touch），因此接觸區域無滲透現象。接觸區域的應力分布如圖8所示。接觸開始時，接觸區域位于簧片唇口處，應力 分布近似圓形。隨著插針的插入，接觸區域向簧片唇口內側移動。插針圓形倒角完全進入唇口后，接觸區域位置相對固定，位于簧片唇口內側，應力分布為火焰狀。

圖8 接觸區域應力情況 Fig.8 Stress distribution of contact area

2.2 接觸電阻仿真

將之前通過ANSYS建立的連接器接插件插合狀態模型導入COMSOL仿真軟件，生成有限元分析模型。對電連接器接觸電阻的仿真涉及到電阻熱、固體力學的建模，因此需要選擇焦耳熱多物理場，對應電流、固體傳熱、固體力學物理場接口，需要考慮的多物理場為電磁熱，對模型進行穩態分析。

ANSYS進行受力分析后生成的插針插孔接觸模型為.stl格式網格文件，將網格文件導入COMSOL中，進行模型識別。識別導入的網格文件生成實體，為保證模型的精度，相對簡化容差為0.0005，缺陷清除因子為2，生成的實體對象在物理場所有層中顯示。定義插針、插孔基體材料為錫青銅，材料屬性見表2。

表2 接插件基體材料熱、電屬性 Tab.2 Thermal and electrical properties of connector substrate materials

定義插針與插孔接觸面材料定義為金，金的材料屬性按照系統內置的表達式表示成溫度T的函數。例如，金的電導率用[1,25]、[25,60]、[60,400]、[400,1338]四個分段函數表示。本次仿真的溫度主要在[60,400]范圍內時，電導率σ表示為：

定義插針插孔接觸面為接觸對，插針與插孔形成裝配體。物理場接口為電流、固體傳熱和固體力學三個模塊，多物理場耦合主要為電磁熱。網格類型選擇為自由四面體網格，整體劃分方法為較細化，對接觸區域網格進一步細化，最大單元大小不超過0.0002。

電流物理場中，由于接插件材料為固態金屬，因此材料類型選擇為固體。通常針孔結構的電連接器電流流向為從插針流向插孔，所以設置插孔尾端接線端面為接地面，在插針尾端接線端面施加1 A的終端電流。電子接觸對選擇插針插孔接觸對，與Mikic彈性相關性模型相比，Cooper-Mikic-Yovanovich相關性模型是基于接觸界面塑性變形的假設模型，因而收縮電導選擇Cooper-Mikic-Yovanovich相關性，電導率選擇基于溫度的線性電阻率。

在固體力學物理場中，材料設置為各向同性，楊氏模量、泊松比和密度等材料特性全部來自表1給定值。力學的接觸對同樣選擇插針插孔接觸對，接觸壓力算法采用增強拉格朗日算法。根據ANSYS中仿真的接觸壓力，在接觸壓力初始值中輸入相應值，模型初始溫度設為24.3 ℃。

1）接觸電阻隨接觸壓力的變化。通過ANSYS仿真得到連接器接插件在不同接觸壓力下接觸的接觸模型，導入COMSOL中進行接觸電阻的仿真計算，得到接觸電阻與接觸壓力的關系如圖9所示。由圖9可知，接觸壓力越大，接觸電阻越小。當接觸壓力小于70 MPa時，接觸電阻隨接觸壓力的減小快速增大；當接觸壓力大于70 MPa時，接觸電阻隨接觸壓力的減小緩慢增大。接觸壓力越大，宏觀層面接插件之間總的接觸面積就越大，微觀層面每個接觸區域內接觸的導電斑點變形越大，導電斑點的接觸區域就越多，收縮電阻減小。同時接觸壓力還會破壞膜層電阻，接觸壓力越大，表面膜層破壞越嚴重，膜層越薄，膜層電阻越小。

圖9 接觸電阻與接觸壓力關系圖 Fig.9 Relationship chart of contact resistance and contact pressure

2）接觸電阻隨接觸面狀態的變化。由理論分析可知，接觸電阻的大小與接觸表面狀態具有直接聯系，通過COMSOL分別仿真接觸表面粗糙度和粗糙斜率與接觸電阻的關系，如圖10—12所示。粗糙度越高，粗糙斜率越小時，接觸電阻越大。隨著表面粗糙度的增大，接觸電阻增大的速率顯著加快。表面粗糙度小于1 μm時，接觸電阻不超過20 mΩ。接觸電阻隨表面粗糙斜率的增大而減小，當表面粗糙斜率大于0.1時，隨著表面粗糙斜率的增大，接觸電阻減小的速率變慢；當表面粗糙斜率大于1時，接觸電阻小于5 mΩ。

圖10 粗糙平均高度與接觸電阻關系 Fig.10 Relationship between mean rough height and contact resistance

圖11 粗糙斜率與接觸電阻關系 Fig.11 Relationship between rough slope and contact resistance

圖12 粗糙平均高度與接觸電阻關系圖（聯合體狀態） Fig.12 Relationship chart of mean rough height and contact resistance (combined)

上述仿真結果是因為粗糙度越高，微觀上各凸起接觸的面積就越少，電流就會在更小的接觸面形成更大的收縮電阻。當粗糙斜率減小時，接觸面上的凸起就會呈現“短粗”的特征，導致實際接觸面積減小。當粗糙斜率增大時，接觸面凸起會呈現“陡峭”的特征，產生一些嚙合點，也容易塑形變形產生更大的接觸面積。在實際使用和試驗中表現為接觸面間磨損初期的大磨粒導致接觸電阻增大，當產生細小磨砂狀細紋后，接觸電阻反而會減小。

3 結論

通過對電連接器接插件的插拔和接觸電阻仿真，可以初步得到以下結論：

1）插針與插孔簧片接觸產生應力，插針與插孔的位置處于初始接觸與插針圓形倒角完全進入簧片收口端倒角的中間階段，插入和拔出力出現峰值，接觸壓力出現峰值。插針圓形倒角完全插入插孔簧片倒角后，插拔力基本保持不變。在插拔的過程中，最大應力位于簧片根部截面內側開槽處，簧片應力主要集中在截面內側和外側邊緣，中間大部分區域沒有應力作用。接觸區域位置相對固定，位于簧片唇口內側，應力分布為火焰狀。

2）接觸電阻受接觸壓力和接觸表面狀態影響顯著。接觸壓力越大，接觸電阻越小。當接觸壓力小于70 MPa時，接觸電阻隨接觸壓力的減小快速增大；當接觸壓力大于70 MPa時，接觸電阻隨接觸壓力的減小緩慢增大。隨著表面粗糙高度的增大，接觸電阻增大的速率顯著加快。表面粗糙平均高度小于1 μm時，接觸電阻不超過20 mΩ。接觸電阻隨表面粗糙斜率的增大而減小，當表面粗糙斜率大于0.1時，隨著表面粗糙斜率的增大，接觸電阻減小的速率變慢；當表面粗糙斜率大于1時，接觸電阻小于5 mΩ。

在接插件生產中，建議提高對插孔簧片端口倒角和插針頭部圓角的加工質量，提高插孔簧片根部的強度，保證插拔壽命和接觸的可靠性。插拔過程要柔和，保證插針和插孔的同心度，加強對插針、插孔的清潔，避免插拔過程中外來物和多余物的附著，防止破壞接觸面的粗糙狀態造成接觸電阻超出規定值。