基于有限元技術的網絡連接器接觸特性研究

王孟

關鍵詞：RJ45網絡連接器;正向力;非線性分析;接觸區域

0引言

在當今網絡信息時代，網絡信息給學習、辦公、生活、娛樂等諸多方面帶來了極大便利。網絡的構成由服務器端通過網絡傳輸介質光纖及網絡雙絞線等經過一個或多個網絡設備最終傳輸至個人網絡設備PC端。而在這個傳輸過程中，網絡接口成為了信號輸入輸出的主要門戶，使用最為廣泛的網絡接口網口即RJ45母座，屬于網絡連接器，在連接器行業稱之為RJ45連接器。RJ45連接器的基本性能可分為機械性能、電氣性能和環境性能3大類。而機械性能就銜接功能而言，接觸區域的大小、接觸區域鍍層的厚度、鍍層的材料等對其機械性能有很大影響，進一步影響了其信號或電力傳輸的穩定性和可靠性。RJ45連接器結構和材料的多樣性、動態接觸時的復雜性、接觸性能的非線性以及拔插連接的可靠性等，決定了連接器設計計算的復雜性。目前，主要依靠經驗及實驗對此類連接器進行設計。隨著產品更新換代的速度越來越快及產品多元化及微型化，僅靠經驗及實驗已經很難滿足設計需要。

目前各種CAE技術的快速發展，為產品的設計開發提供了便利，可提高產品設計效率及減少產品設計過程中的失誤。目前在實際設計過程中，對連接器插拔過程中的接觸區域及正向力的研究缺乏理論的支撐，僅憑經驗設計可能會出現接觸區域位置不對或接觸區域偏小影響電氣性能、接觸區域偏大影響制造成本、插入正向力過大等問題。鑒于此，本文采用Solidworks Simulation有限元仿真技術和實驗研究相結合，對某類RJ45連接的接觸特性進行分析研究，使用Solidworks Simulation模塊來模擬RJ45水晶頭的插拔過程，分析連接器在此過程中的正向力以及端子的接觸區域。本文介紹的方法，對新產品的設計有較高的參考價值和指導意義，對提高連接器的性能具有重要的理論價值和應用價值。

1RJ45網絡連接器

RJ45連接器是通過機械方法產生的電性連接產品，主要由屏蔽殼、主體膠殼、端子、端子鍍層4部分組成，如圖1所示。主體是由塑膠組成，對RJ45連接器端子起隔離、保護及固定的作用，一般使用的材料有PBT、PA66、PA46、LCP等防火料;端子在整個線路中起導通連接作用，并產生和維持與水晶頭接觸面之間的壓力，一般使用磷青銅作為端子的主要材料;端子鍍層防止端子表面氧化，并可以起到加強端子接觸面導通左右，一般接觸面鍍金，焊接面鍍錫;屏蔽殼對產品起保護及美化的作用，多使用黃銅鍍鎳作為RJ45連接器屏蔽殼。設計時需對圖1中端子上表面增加金屬鍍層（通常為鍍金），尤其是接觸區域鍍層厚度相比于其他端子表面更厚。因此對接觸區域的精確分析，有利于降低生產成本。

2某RJ45網絡連接器接觸特性模擬研究

2.1背景概況

根據工程要求，依據相關國際標準、公司質量規范及客戶需求規格書，設計了某客戶需求的RJ45網絡連接器，在該連接器中端子結構材料取導電性能、耐熱性能和機械性能均良好的耐腐蝕性的銅合金（牌號C5218），端子結構如圖2所示。與端子配合接觸的是標準水晶頭，如圖3所示。需對該結構的接觸區域和正向力進行模擬分析。

2.2實體模型創建

在實際插拔過程中，水晶頭與連接器端子的接觸，實為水晶頭銅片與端子彈針的接觸過程。探索該插拔過程的接觸區域，即為分析銅片與彈針的接觸區域。為了節約工作量及模型簡單化，根據產品對稱性的特點，利用Solidwork對水晶頭銅片及端子彈針實體模型進行簡化，如圖4所示。

2.3水晶頭與端子插拔過程有限元分析

2.3.1有限元模型構建

本文主要分析插入過程中彈針的接觸區域和所受正向力。有限元建模時，假設水晶頭銅片為剛體，端子彈針是材質均勻且是完全各向同性，其變形是彈塑性變形。彈性模量取1.6×10N/m2，泊松比取0.37，屈服強度取105MPa，密度取3 180 kg/m。網格劃分時，端子彈針設定網格單元邊長為0.06mm，銅片網格單元邊長為0.1mm，均以掃掠的方式劃分網格。網格劃分結果如圖5所示。

2.3.2接觸區域與正向力模擬分析

該型號連接器水晶頭銅片插入時在主體膠殼內垂直方向位置尺寸為0.237in（6.02mm），最大插入位移為0.166in（4.22mm），如圖6所示。

分析時，采用非線性分析，將銅片圓弧面與彈針上表面設為接觸對，將銅片其他面設為固定約束，彈針端面設為固定約束。

根據實際應用情況，設置插入時間為1s，拔出時間為1s，插入距離為0.166in，進行2次插拔過程，總計算時長4s。通過對插拔過程的模擬后，得到第1次和第2次插入時最大正向力均為0.155kgf（1 kgf～9.8N），如圖7所示。

模擬得出其彈針接觸區域，如圖8所示。最近接觸點距彈針最右頂端4.93mm;最遠接觸點距彈針最右頂端3.27mm;則其接觸區域為最近接觸點與最遠接觸點位置之間的區域，則接觸區域長度為4.93mm-3.27mm=1.66mm。

3某RJ45網絡連接器接觸特性實驗研究

3.1接觸區域實驗分析

把實驗樣品的端子涂上顏色，再用水晶頭插入5～10次，使水晶頭與端子接觸區域的涂色完全被擦掉，找出水晶插頭與金手指的連接點，拆下單個彈針，測量兩連接點的距離即為接觸區域的長度，如圖9所示。接觸區域長度與位置測量如表1所示。將表中端子接觸區域測試結果與有限元模擬結果相比較可知，測試結果與模擬結果一致。在原設計中，根據經驗設計將其接觸區域（鍍金區域）長度設計為3mm，根據分析結果可將接觸區域縮短到2mm，減少厚鍍金區長度，進而降低制造成本。

3.2連接器正向力測試

本文采用專用的測試設備及夾具對連接器樣品進行連接器插入過程中的正向力測試，如圖10所示。測試得出的正向力數值如表2所示。由表可知，正向力實驗測試結果與有限元模擬結果相符，證明有限元分析方法的可行性。由此可在新產品設計階段應用此方法獲得其正向力，驗證是否滿足客戶規格書要求，減少了設計風險。

4結束語

本文采用Solidworks Simulation有限元仿真技術和實驗研究相結合，對某RJ45連接的接觸特性進行分析研究，得出了連接器插拔過程中的正向力和端子的接觸區域，其實驗結果與有限元模擬分析結果高度相符。由此可知本文介紹的有限元分析方法的可行性，對于新產品設計階段有很重要的指導意義，有利于提高新產品的開發速度，縮短研發周期，具有一定的工程應用價值。