車用電線束插接器設計驗證方法

王武軍，牛順利，劉鳳軍

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

車用電線束插接器［1］用于汽車電路各連接點的連接，是汽車上的重要零件，其品質好壞直接影響到電力或信號的傳輸效果。插接器在汽車中占的成本比例很小，但在汽車使用中若出現品質問題，往往產生嚴重的后果，且維修成本大幅增加，因此，插接器的品質越來越得到汽車制造商及零部件供應商的重視。

插接器的設計驗證是指通過設計評審、產品檢驗、試驗等手段來證實設計輸出符合設計輸入的要求。插接器的設計驗證也是控制插接器品質的重要手段。分析插接器的設計驗證方法，對插接器的品質控制、開發周期、開發成本等均具有重要意義。

1 傳統的設計驗證方案

汽車連接器傳統的設計驗證方案包括設計評審驗證、工裝樣件測試驗證、工裝樣件的裝車道路試驗驗證。

1.1 設計評審驗證

設計評審驗證是指插接器開始設計到完成設計期間的各種評審，包括設計輸入評審、設計方案評審、產品圖紙評審、工藝方案評審、模具設計評審等。設計評審一般由項目經理組織項目組成員完成，項目組成員一般包括產品設計工程師、材料工程師、模具設計工程師、產品工藝工程師、品質工程師、模具裝配工程師、模具加工工藝工程師等。不同階段的設計評審，可由不同的相關項目組成員參加。

對于設計方案的評審，一般評審項目包括：材料選擇、彈性結構 （包括端子和護套配合彈性結構、插接器對接自鎖彈性結構、CPA和TPA與護套自鎖彈性結構等）選擇及可靠性、公司標準結構庫標準結構的選擇及合理性分析、端子導電能力、裝配可行性、耐溫性能等級、防水性能等級、防震動等級、阻燃等級等。

對于設計細節的評審，一般是指對主要配合尺寸及影響產品關鍵性能的尺寸的校對和評審。

1.2 工裝樣件測試驗證

工裝樣件測試驗證是指正式模具生產的樣品完成后，對該樣品進行的尺寸檢驗和性能檢驗。

1）尺寸檢驗一般由品質工程師按照產品圖紙對樣品進行檢驗。首次工裝樣品的尺寸檢驗一般會包括產品圖紙要求的全部尺寸，但合格判定則主要是依據影響裝配性能的配合尺寸、影響使用性能的結構尺寸、影響裝配難度的外形尺寸等。

2）性能檢驗一般由試驗工程師按照產品圖紙要求的插接器標準 （包括中國汽車行業標準、歐美標準、日本標準、汽車廠標準等）對樣品進行性能試驗。插接器的性能檢驗主要是驗證產品能承受惡劣的工作環境并保持合適的電性能的能力。檢驗項目主要包括機械性能、電性能、環境性能三大類。

1.3 工裝樣件的裝車道路試驗驗證

由于汽車使用條件的復雜性，所以汽車產品的開發、定型、改進等都需要進行可靠性、耐久性、行駛性能的道路試驗驗證［2］。

汽車連接器的開發和選用一般和汽車的開發保持同步。汽車連接器一般不會進行單獨的道路試驗，汽車進行道路試驗時所開發或選用的連接器同其它汽車零部件一樣同時完成道路試驗。道路試驗完成后由汽車廠出具連接器的路試合格報告。

2 基于ABAQUS軟件的設計驗證

ABAQUS軟件是國內汽車連接器行業普遍采用的對產品設計進行分析的CAE軟件 （計算機輔助分析軟件），基于ABAQUS軟件的設計驗證是指在產品設計完成后，借助ABAQUS軟件，利用有限元分析方法，輸入相應的參數對所設計的產品進行前期分析，初步判斷產品設計的合理性。

2.1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能。ABAQUS為用戶提供了廣泛的功能，且使用起來又非常簡單。大量的復雜問題可以通過選項塊的不同組合很容易地模擬出來［3］。例如，對于復雜多構件問題的模擬，是通過把定義每一構件的幾何尺寸的選項塊與相應的材料性質選項塊結合起來。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數據，像結構的幾何形狀、材料性質、邊界條件及載荷工況。在一個非線性分析中，ABAQUS能自動選擇相應載荷增量和收斂限度。它不僅能夠選擇合適參數，而且能連續調節參數以保證在分析過程中有效地得到精確解。用戶通過準確的定義參數就能很好地控制數值計算結果。

2.2 驗證內容及方法

汽車連接器設計的CAE分析驗證一般包括結構性能分析驗證和電熱性能分析驗證。

2.2.1 結構性能分析驗證

結構性能分析驗證主要是分析和驗證產品的力學性能。包括連接器端子的插拔力、連接器的插拔力、端子插入護套力、端子在護套中的保持力、自鎖裝置強度、帶鉸鏈護套中鉸鏈的抗彎曲能力等。

以端子插拔力分析驗證為例 （連接器其它力學性能的驗證與此類似），分析驗證過程為：將端子三維設計模型保存為IGS格式，導入CAE處理軟件Hypermesh中，劃分接觸表面網格，如圖1所示。根據產品應用的物理環境，在Hypermesh中定義端子有限元模型的類別、設置好有限元模型的接觸關系并保存文件。輸出為IN2格式文件，導入CAE分析軟件ABAQUS中，在ABAQUS軟件里定義端子材料的各項屬性 （密度、彈性模量、泊松比、磨擦因數），然后開始進行分析運算。ABAQUS運算結果為RES格式的文件，將此運算結果導入CAE處理軟件Hypermesh中進行后處理，可得出插拔力－位移曲線 （圖2）。曲線中顯示的最大插拔力和要求的標準進行比較，即可得出原始設計是否能保證插拔力合格的結論。

2.2.2 電熱性能分析驗證

電性能分析驗證主要是分析和驗證產品的電氣性能。包括端子接觸面接觸電阻、相鄰端子絕緣電阻、絕緣介電強度、溫升等。

以連接器溫升分析驗證為例 （連接器其它電熱性能的驗證與此類似），分析驗證過程為：將連接器三維設計模型保存為IGS格式，導入CAE處理軟件Hypermesh中，劃分接觸表面網格。根據產品應用的物理環境，在Hypermesh中定義端子有限元模型的類別、設置好有限元模型的接觸關系并保存文件。輸出為IN2格式文件，導入CAE分析軟件ABAQUS中，在ABAQUS軟件里定義材料和環境的各項屬性，包括材料密度、環境溫度、通電電流、熱導率、潛伏熱、比熱、電導率、焦耳熱、對流系數、輔射率等，定義溫度采集點，然后開始進行分析運算。ABAQUS運算結果為RES格式的文件，將此運算結果導入CAE處理軟件Hypermesh中進行后處理，可得出采集點的時間－溫度曲線。曲線中顯示的最大溫升和要求的標準進行比較，即可得出原始設計是否能滿足標準中關于溫升的要求。

3 基于RP技術的設計驗證

RP技術是RAPID PROTOTYPING技術 （快速成型技術）的簡稱。基于RP技術的設計驗證是指在產品設計完成后，無需任何刀具、模具、工裝卡具，借助快速成型設備快速制造出新產品的樣件，以研發人員根據新產品樣件判斷產品設計的合理性。

3.1 RP 技術介紹

RP技術是在現代CAD／CAM技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的［4］。不同種類的快速成型系統因所用成型材料不同，成型原理和系統特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是 “分層制造，逐層疊加”，類似于數學上的積分過程。形象地講，快速成型系統就像是一臺 “立體打印機”。

RP技術可以在無需準備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產品設計 （CAD）數據，快速制造出新產品的樣件、模具或模型。因此，RP技術的推廣應用，可以大大縮短新產品開發周期、降低開發成本、提高開發品質。

3.2 驗證內容及方法

基于RP技術的汽車連接器設計驗證，一般主要是指在連接器設計完成后根據設計的三維模型打印出連接器樣品，利用打印的樣品對連接器進行形狀設計檢查和裝配驗證。

快速成型機制作樣品的步驟如下。

1）模型三維數據格式轉換。導入用三維設計軟件UG軟件建好的三維模型，利用HRP系統自帶的圖形處理軟件把模型轉成STL格式加工文件，建立拓撲關系，離散成一系列二維層面。

2）系統參數設定及加工。系統讀入分層信息，設定加工參數并生成NC代碼。

3）加工后處理。打印完成的樣品空腔內有廢料填充，為去除廢料，采用水沖法對打印完成的樣品進行處理。

采用RP技術制作的樣品與三維設計模型的一致性精度可達到0.005mm。因此，利用該樣品進行形狀檢查和裝配驗證，可反映原始設計的形狀和裝配正確性。

4 設計驗證方法對比分析

與傳統的設計驗證方法相比，基于ABAQUS的設計驗證能在假定的設計條件下 （材料屬性、環境屬性等），在模具設計和加工前期發現產品設計存在的電性能、力學性能方面的問題；基于RP技術的設計驗證能在模具設計和加工前期發現產品設計存在的外形尺寸、裝配方面的問題。表1列出了各種設計驗證方法的對比分析。

5 結論

插接器的設計驗證方法包括3種：①傳統的設計驗證方法；②基于ABAQUS軟件的設計驗證方法；③基于RP技術的設計驗證方法。傳統的設計驗證方法主要基于工裝樣件完成后的檢驗結果，如果設計存在問題，需要進行工裝的再設計和再加工，將造成成本和周期的浪費。但傳統的設計驗證方法能最準確、最完全地反映設計存在的問題。基于ABAQUS軟件的設計驗證可在工裝加工前發現產品設計存在的電性能和力學性能方面的問題，可節約成本和縮短產品開發周期。基于RP技術的設計驗證可在工裝加工前發現產品設計存在的外形和裝配方面的問題，也可節約成本和縮短產品開發周期。

表1 設計驗證方法對比分析

［1］國家汽車行業標準，QC／T417—2001，車用電線束插接器［S］.

［2］王元山，張小龍.汽車道路試驗檢測技術研究進展［J］.輕型汽車技術，2007（4）：4-9.

［3］嚴智勇.基于CAE技術的連接器端子沖壓分析與設計優化［J］.模具制造， 2010 （7）： 1-5.

［4］李延平，朱東波，盧秉恒.基于RP&RT集成環境的快速模具制造技術［J］.電加工與模具，2004 （1）：23-27.