電連接器接觸件斷裂失效分析

邵明坤 湯振 江浪 陳繼利 曹冰毅

摘要：電連接器是電氣傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)元器件之一，接觸件作為連接器的核心零件，其接觸性能的可靠性關(guān)乎整個(gè)設(shè)備、乃至整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)某型號(hào)電連接器接觸件出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象進(jìn)行失效分析，建立了接觸件的理論數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論推導(dǎo)計(jì)算，并利用 Abaqus有限元仿真軟件對(duì)電連接器進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)比接觸件機(jī)械壽命試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)單個(gè)接觸件彈力理論計(jì)算值為5.58 N ，仿真分析結(jié)果為5.547 N ，與5.75～5.85 N 的彈力試驗(yàn)結(jié)果高度一致。此外接觸件最大彎曲應(yīng)力理論計(jì)算值為1083 MPa ，與仿真結(jié)果1116 MPa也較為相近，該彎曲應(yīng)力已十分接近材料的極限應(yīng)力，存在一定的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。因此采用理論計(jì)算、仿真分析等手段對(duì)接觸件力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，降低產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)，將大大提高電連接器的研發(fā)效率，對(duì)電連接器設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：連接器;接觸件;仿真

中圖分類號(hào)：TM503+.5;TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0074-04

The Failure Analysis of Electrical Connector Contacts

Shao Mingkun，Tang Zhen ，Jiang Lang ，Chen Jili，Cao Bingyi

（AVIC Optoelectronics Technology Co.， Ltd.， Luoyang， Henan 471000， China）

Abstract： The electrical connector is one of the basic components of the electrical transmission system. The contact is the core part of the connector， and the reliability of its contact performance is related to the stable operation of the entire equipment and the entire system. The failure analysis of the fracture phenomenon of the contact of a certain type of electrical connector was carried out， the theoretical mathematical model of the contact was established， the theoretical calculation was carried out， and the Abaqus finite element simulation software was used to simulate and analyze the electrical connector. By comparing the results of the mechanical life test of the contact， it is found that the theoretical calculated value of the elastic force of a single contact is 5.58 N， and the result of the simulation analysis is 5.547 N， which is highly consistent with the elastic test results of 5.75～5.85 N. In addition， the oretically calculated value of the maximum bending stress of the contact is 1083 MPa， which is also similar to the simulation result of 1116 MPa. The bending stress is very close to the ultimate stress of the material， and there is a certain risk of fracture. Therefore， the use of theoretical calculations， simulation analysis and other means to quantitatively analyze the mechanical structure of the contacts to reduce the risk of product failure will greatly improve the research and development efficiency of electrical connectors， which has important guiding significance for the design of electrical connectors.

Key words： connector; terminal; simulation

0 引言

電連接是電力、電氣設(shè)備和系統(tǒng)傳輸中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]，電連接的載體——電連接器起到溝通設(shè)備、系統(tǒng)之間紐帶、橋梁作用，特別是電連接器關(guān)鍵零件——接觸件更是電氣傳輸過(guò)程中核心。連接器作為基礎(chǔ)的元器件之一，盡管單一失效率較低，但在整個(gè)電氣系統(tǒng)中，連接器大多數(shù)情況為串聯(lián)形式，數(shù)量較多，頻繁處于連接/斷開轉(zhuǎn)換狀態(tài)，是電氣系統(tǒng)故障頻發(fā)地[2]。在一些尖端科技領(lǐng)域，如航空、航天、核電、深海等領(lǐng)域，工況環(huán)境異常惡劣，電氣性能指標(biāo)要求高，尤其是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，連接器作為其中必不可少的一環(huán)，其電氣性能的可靠性至關(guān)重要。

電連接器一般可分為插頭、插座兩種。接觸件是電連接器的核心零件，一般通過(guò)剛性插針與柔性插孔插拔，實(shí)現(xiàn)電連接通斷。接觸件具有圓筒型、同軸型、胡刷型、無(wú)極性型、簧片式等多種類型[3]。接觸件作為電氣傳輸?shù)膶?dǎo)電部件，一旦失效直接導(dǎo)致電連接器失效，進(jìn)而影響整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

任萬(wàn)濱等[4]基于 Abaqus 仿真軟件對(duì)電連接器線簧式接觸件插拔力與接觸電阻進(jìn)行了有限元仿真分析，完成了摩擦因數(shù)、過(guò)盈量和線簧數(shù)對(duì)插拔特性的影響分析。駱燕燕等[5]利用 ANSYS仿真軟件對(duì)接觸件的插拔過(guò)程進(jìn)行仿真，得到了插拔過(guò)程中插孔簧片變形、應(yīng)力分布以及插拔力和接觸壓力的變化情況，分析了接觸件不同結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)接觸壓力等參量的變化規(guī)律。張義愷、林雪燕[6]對(duì) SIM卡連接器接觸端子進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并利用有限元軟件對(duì)其與 SIM卡的接觸進(jìn)行仿真，給出了接觸端子在不同位移栽荷下受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的塑性變形。林葉芳等[7]結(jié)合 Abaqus 有限元模型的自動(dòng)修改技術(shù)，以零件體積為約束，最小化節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變能密度為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)簧片式接觸件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了具備更小塑性變形值，且結(jié)構(gòu)性能增強(qiáng)的端子件結(jié)構(gòu)，為接觸件結(jié)構(gòu)提供了一種優(yōu)化思路。

本文對(duì)結(jié)合電連接器簧片式接觸件實(shí)際安裝狀態(tài)，對(duì)接觸件斷裂故障進(jìn)行失效分析：（1） 建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到了接觸件受力公式，并對(duì)力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了理論校核;（2）利用 Abaqus有限元仿真軟件對(duì)電連接器進(jìn)行仿真分析，分析了接觸件在整個(gè)接觸導(dǎo)通過(guò)程，直觀顯示了接觸件各個(gè)部位的應(yīng)力、應(yīng)變以及壓力變化情況;（3）對(duì)電連接器接觸件彈力進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。電連接器接觸件斷裂失效分析結(jié)果表明：理論推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型和仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。1電連接器接觸件失效影響因素

接觸件是電連接器電氣傳輸?shù)闹苯虞d體，其可靠性直接影響電連接器的電氣性能穩(wěn)定。通常電連接器機(jī)械壽命在500次以上，這就要求接觸件應(yīng)具有更高的使用壽命[8-9]。

某兩芯電連接器接觸件失效如圖1所示。該連接器的接觸件采用簧片式結(jié)構(gòu)，插頭插座連接器在插合次數(shù)不超過(guò)10次的情況下，插座第2芯接觸件發(fā)生斷裂失效。

接觸件發(fā)生斷裂現(xiàn)象，一般可歸為以下幾方面問(wèn)題：

（1） 材料選用

接觸件作為導(dǎo)電零件，一般選用黃銅、錫青銅、鈹青銅等作為基材，表面進(jìn)行鍍金、鍍銀。而對(duì)于開口孔、簧片等接觸件要求具備良好的彈性性能，應(yīng)優(yōu)選鈹青銅材料。

（2） 加工、裝配誤差

接觸件應(yīng)具有良好的尺寸加工精度和形位誤差，表面粗糙度一般要求在 Ra0.8及以下。接觸件在連接器裝配中應(yīng)保證精準(zhǔn)的位置度和一定的引導(dǎo)長(zhǎng)度。

（3） 使用操作

連接器在實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)避免接觸件過(guò)度受力變形而發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度失效，同時(shí)還應(yīng)避免遠(yuǎn)超機(jī)械壽命的頻繁插拔所導(dǎo)致的疲勞斷裂。

該簧片式接觸件為鈑金成型，一般鈑金成型的零件在彎角處會(huì)殘余一定的應(yīng)力。電連接器在下壓若干次后接觸件發(fā)生斷裂，結(jié)合上述原因分析，初步分析應(yīng)屬于強(qiáng)度失效問(wèn)題，即接觸件在實(shí)際使用過(guò)程中超過(guò)了許用的彎曲應(yīng)力發(fā)生斷裂。

2 理論分析計(jì)算

該電連接器接觸片通過(guò)強(qiáng)裝刺破式裝在絕緣體空腔內(nèi)，二者通過(guò)灌膠方式在絕緣體底部固定，如圖2所示。實(shí)際工作中，接觸片會(huì)受到豎直向下的位移作用，使接觸片彎曲變形，撤去位移外載荷后，接觸片憑借自身彈性性能會(huì)回復(fù)至初始位移高度，以保證與另一接觸片導(dǎo)體可靠的電氣性能。

將接觸片模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后模型如圖3所示。（1） 將實(shí)際三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維連續(xù)變形線性彈性梁模型，相比與彎矩對(duì)接觸件的影響可忽略軸力與剪力作用;（2）將接觸片與絕緣體灌膠區(qū)域視為固定約束，限制接觸片六個(gè)方向上的自由度;（3）將接觸片彎曲變形過(guò)程中，絕緣體對(duì)其的作用簡(jiǎn)化為鉸支約束，僅限制接觸片在%方向上的位移。

至此電連接器接觸件便可簡(jiǎn)化為一次超靜定力力學(xué)模型，求解接觸件工作中所受的內(nèi)應(yīng)力，便是求解一次超靜定問(wèn)題。解除多余支座點(diǎn) C ，得到 O 端固定，A 端自由的基本靜定系，并用多余約束力Xc代替支座C作用。力 F 與Xc單獨(dú)作用于基本靜定系分別如圖4（a）、（b）所示。

接觸片力學(xué)模型中所涉及幾何參數(shù)及材料性能數(shù)據(jù)如表1所示。

ΔC = ΔCF + ΔCX =0

式中：ΔC為接觸件節(jié)點(diǎn)C在x方向上所產(chǎn)生的位移;ΔCF為F單獨(dú)作用于基本靜定系下沿x方向上所產(chǎn)生的位移;ΔCX為Xc單獨(dú)作用于基本靜定系下沿x方向上所產(chǎn)生的位移。

對(duì)于線彈性結(jié)構(gòu)，位移與力成正比，則有：

ΔCX =δCX XC =-ΔCF （2）

式中：δCX 為基本靜定系下單位力在點(diǎn) C 沿x 方向引起的位移。

由線彈性結(jié)構(gòu)的莫爾積分定理，F(xiàn) 單獨(dú)作用于基本靜定系下在點(diǎn) C 沿x 方向上所產(chǎn)生的位移為：

ΔCF = dx3=（ 3）

同理，對(duì)于約束力Xc，單位力作用下，由懸臂梁撓曲方程，則有：

由卡式定理，F(xiàn) 單獨(dú)作用于基本靜定系下沿y 方向上所產(chǎn)生的位移ΔAF 為：

Xc單獨(dú)作用于基本靜定系下沿 y 方向上所產(chǎn)生的位移ΔAX 為：

點(diǎn)A 沿力 F 方向，在y 方向上所產(chǎn)生的位移ΔA 為：

推導(dǎo)出接觸力 F：

將表1接觸件力學(xué)模型參數(shù)代入上式計(jì)算得到 F=5.58 N。

考慮到絕緣體與接觸片接觸處有一 R0.6的倒角，因此接觸片最大彎曲應(yīng)力為

將表1相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)代入式，可得σ=1083 MPa 。可知接觸片彎角處應(yīng)力已超過(guò)鈹青銅材料的屈服應(yīng)力σs，略小于抗拉強(qiáng)度σb ，但二者相差不大，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 仿真分析

對(duì)電連接器模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用有限元仿真軟件進(jìn)行分析[10-11]。在 Assembly 模塊中，定義接觸片與絕緣體的裝配位置關(guān)系，并在接觸片上端設(shè)置一解析剛體（Analytical Rigid）對(duì)接觸片施加位移載荷。在 Mesh模塊中，對(duì)接觸片和絕緣體采用 CPS4R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量分別為2821、9147。解析剛體壓塊無(wú)需劃分網(wǎng)格。在 Property模塊中分別賦予接觸片和絕緣體的材料屬性： QBe2.0彈性模量128000 MPa ，泊松比0.35; PPS 彈性模量3300 MPa ，泊松比0.37。在 Interaction 模塊中，接觸件與絕緣體的灌膠區(qū)域采用綁定（ Tie ）約束，絕緣體底部六自由度全部固定，解析剛體、接觸片和絕緣體三者之間施加相互接觸作用，接觸屬性采用硬接觸，并忽略摩擦力影響。在 Step模塊中設(shè)置分析步，由于接觸問(wèn)題一般不容易收斂，故先施加一個(gè)較小的載荷（ U2=-0.1 mm）使接觸作用平穩(wěn)建立，易于收斂，然后再施加一個(gè)最終載荷（ U2=-0.8 mm）。建立二維仿真模型如圖5所示。

在 Job中提交計(jì)算，依據(jù)形狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論），電連接器接觸片 Von Mises 應(yīng)力云圖[10]，如圖6所示。從圖中可以看出，接觸件下壓0.8 mm時(shí)，在接觸件內(nèi)彎角處存在最大 Mises 等效應(yīng)力，為 1116 MPa，與理論計(jì)算結(jié)果相符。接觸件彎角處應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，將發(fā)生塑性變形。

為進(jìn)一步分析接觸件斷裂位置及斷裂方向，單獨(dú)提取接觸件主應(yīng)力矢量圖[11]，如圖7所示。由圖可知，接觸件最大拉應(yīng)力為917.5 MPa ，在接觸件外彎角偏下側(cè)區(qū)域。最大拉應(yīng)力略小于材料的拉伸強(qiáng)度，無(wú)安全裕量，存在一定的斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)，斷裂將在接觸件外彎角偏下區(qū)域沿y 軸方向發(fā)生。

電連接器支反力云圖如圖8所示，接觸件與壓塊之間存在最大的支反力為5.547 N ，即接觸件在下壓0.8 mm 時(shí)的彈力為5.547 N ，與理論計(jì)算結(jié)果高度一致。

4 接觸件彈力試驗(yàn)

利用壓縮試驗(yàn)機(jī)對(duì)電連接器進(jìn)行反復(fù)壓縮試驗(yàn)，模擬300次機(jī)械壽命試驗(yàn)，以表征接觸片的實(shí)際工作性能。試驗(yàn)方法按照 GJB1217中方法2016規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)[12]，壓縮試驗(yàn)機(jī)觸頭代替插頭壓塊，觸頭下壓位移限定為0.8 mm ，觸頭與插座連接和分開一次為一個(gè)周期，插拔速度每分鐘不大于15次。

10只電連接器經(jīng)過(guò)300次機(jī)械壽命試驗(yàn)后均未發(fā)生斷裂，總彈力在11.5～11.7 N之間。對(duì)于兩個(gè)接觸件，每個(gè)接觸件平均彈力為5.75～5.85 N ，與理論計(jì)算和仿真分析的單個(gè)接觸件彈力相符。試驗(yàn)過(guò)程中接觸件未發(fā)生斷裂一方面可能由于樣本數(shù)偏少，另一方面可能是由于電連接器插頭插座在實(shí)際引導(dǎo)過(guò)程中存在偏擺，致使兩接觸件下壓高度不一致，而試驗(yàn)過(guò)程的夾具經(jīng)過(guò)精密校準(zhǔn)，不存在上述問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從材料、工藝、裝配等方面對(duì)電連接器接觸件斷裂影響進(jìn)行了定性分析，排除了疲勞損傷的可能，基本判定為接觸件力學(xué)強(qiáng)度失效。本文隨后建立了接觸件的超靜定數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論力學(xué)計(jì)算推導(dǎo)，得出單個(gè)接觸件在受到0.8 mm向下的位移載荷作用下，彈性回復(fù)力為5.58 N ，最大彎曲應(yīng)力為1083 MPa ，超過(guò)材料的屈服極限，存在一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)利用 Abaqus有限元仿真軟件對(duì)接觸件2維仿真模型進(jìn)行力學(xué)仿真分析，更加直觀地觀察到接觸件在整個(gè)過(guò)程中內(nèi)部各個(gè)位置受力、應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況。其中接觸件彈力為5.547 N ，內(nèi)彎角處最大 Mises 等效應(yīng)力為1116 MPa ，超出材料的屈服極限，將發(fā)生塑性變形。接觸件最大拉應(yīng)力為917.5 MPa，在接觸件外彎角偏下側(cè)區(qū)域，最大拉應(yīng)力略小于材料的拉伸強(qiáng)度，無(wú)安全裕量，存在一定的斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)，斷裂將在接觸件外彎角偏下區(qū)域沿 y 軸方向發(fā)生。接觸件仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算情況高度一致。最后通過(guò)對(duì)接觸件進(jìn)行機(jī)械壽命試驗(yàn)，電連接器經(jīng)過(guò)300次機(jī)械壽命試驗(yàn)后總彈力在11.5～11.7 N之間，單個(gè)接觸件平均彈力為5.75～5.85 N ，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論與仿真分析結(jié)果的正確性。因此通過(guò)理論分析與有限元仿真對(duì)連接器進(jìn)行定量分析，早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，可大大縮短了研發(fā)周期，對(duì)電連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有積極的指導(dǎo)意義。

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第一作者簡(jiǎn)介：邵明坤（1989-），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楣怆娺B接技術(shù)。

（編輯：刁少華）