銅基針眼結構與PCB板圓孔壓裝力學行為研究

2014-12-18 08:04:14葉煜松尹飛鴻王晨峰何偉杰

制造業自動化 2014年21期

葉煜松，尹飛鴻,2，王晨峰，何偉杰

（1.常州工學院機電工程學院，常州 213002；2.江蘇省數字電化學加工重點實驗室，常州 213002；3.常州工學院延陵學院，常州 213002）

0 引言

電子系統是由許多互通互聯的連接器構成，通過連接器實現傳輸電流或信號的作用，并能完成電路預定的功能。因其具有快速插拔、易分離、節省空間、高密度安裝、鎖定提示、鎖定安全可靠、低插拔力、可實現機械化自動操作、外殼易清潔等優點，廣泛應用于電子、航空、航天、計算機、船舶、通訊、家電等領域。連接器連接端子的截面幾何拓撲形態不僅決定了其接觸彈性，還決定了正向接觸力和接觸面的大小，最終將影響信號或電力傳輸的穩定性和可靠性。就力學角度看，連接器微小的結構和材料結構的多樣性、動態接觸時的復雜性、接觸形態參數同接觸性能的非線性以及拔插連接的可靠性等特征，決定了連接器設計計算的復雜性。因此，對于連接端子的設計目前還停留在依靠經驗和試驗的研究階段[1～3]。隨著產品設計與更新周期的加快，產品不斷高速化及微型化，經驗型設計已經不能滿足需要。現代CAE設計與優化技術的快速發展，連接器的性能可借助于計算機在設計時加以模擬分析，從而極大地提高了設計效率，減少了設計過程中產生的失誤。因此，開展連接器壓裝力學行為及風險評估研究，找到其諸多設計參數中的主要問題，對提高連接器的連接可靠性、簡化問題的復雜性，具有重要的理論價值和應用價值。

1 銅基針眼結構簡介

銅基針眼相當于簡支梁結構，在插入印刷電路（簡稱為PCB）板的電鍍套孔的過程中，兩側梁結構與電鍍套孔內壁接觸時，會受力并向內側變形，在孔內壁與針眼之間形成足夠的正向壓力，從而保證針眼結構在變形后可以保持可靠的接觸。在結構上，銅基針眼結構可以劃分成預插區、插入區、過渡區、保持力區、端子強度區，其具體劃分如圖1所示。預插區主要用于將針眼端子頭部導入電鍍套孔內。在插入區內針眼形成兩個簡支梁，針眼端子與PCB板圓孔開始產生干涉。過渡區主要起連接插入區與保持力區的作用。在保持力區，內外針眼可形成力學中兩個結構復雜的簡支梁，針眼端子和PCB板圓孔產生干涉，針眼端子壓入完畢，提供保持力。針眼端子強度區主要提供針眼端子根部強度，防止插入時折斷或壓彎[4]。

2 銅基針眼結構與PCB板圓孔基座壓裝工程實例

2.1 工程概況

圖1 銅基針眼結構區域劃分

根據工程要求，依據《最新連接器選型設計制造新工藝、新技術與質量檢驗使用調試標準規范實用手冊》，設計了某工程需求的電連接器，在該連接器中銅基針眼結構材料取導電性能、耐熱性能(2200C)和機械性能均良好的耐腐蝕性的銅-鎳-鋅合金(Cu65%,Ni12%,Zn23%)，銅基針眼結構如圖2所示。銅基針眼結構的連接和支撐載體取PCB板，在PCB板上鉆一系列對應于針眼間距的φ0.41 mm的孔，孔內壁沉積一層薄銅，PCB板厚度0.295 mm。要求分析該結構壓裝時的應力情況及插入和拔出力。

圖2 銅基針眼結構

2.2 實體模型創建

有限元分析的基礎是三維實體模型的創建，為了簡化建模的工作量、減少計算時間，建模時取單個銅基針眼結構與PCB板圓孔局部區域為壓裝過程的研究對象，將PCB板圓孔基座模型上壓裝口倒R=0.02的圓角，在大型有限元分析軟件ANSYS中，運用命令流的形式創建如圖3所示的求解分析實體模型。

圖3 銅基針眼結構與PCB板圓孔基座模型

2.3 銅基針眼結構壓裝有限元分析

2.3.1 有限元模型構建

建模時,假定所有材質均勻且是完全各向同性，其變形是彈塑性的，工件已消除了初始殘余應力,模型中的所有結構全部采用ANSYS軟件中的8節點3維動態顯式結構3DSolid164實體單元模擬。設置銅基針眼結構材料模型為非線性非彈性雙線性隨動硬化模式，密度取7.0×10-9t/mm3，彈性模量取1.0×105Mpa，泊松比取0.3，屈服強度取200Mpa，剪切模量取60Mpa[5～9]。對于PCB板圓孔基座則設置為線性彈性，密度取7.8×10-9t/mm3，彈性模量取2.0×105Mpa，泊松比取0.3。網格劃分時，銅基針眼結構設定網格單元邊長為0.05mm，PCB板圓孔基座以掃掠的方式劃分網格，圓環面的所有圓弧線分成15份，內外圓柱面的高度方向分成25份，該模型共有單元18493個，節點15886個。網格劃分結果如圖4所示。

圖4 網格劃分結果

2.3.2 銅基針眼插拔時的應力分析

分析時，根據非線性接觸分析的理論，通過命令流的形式定義銅基針眼插入區、過渡區和保持力區的外壁與PCB板圓孔基座的內圓柱面為接觸對，在PCB板圓孔基座的外圓柱面施加全約束。設置插入時間為0.0001s，拔出時間為0.0001s，插入距離為2.5mm，拔出距離為2.5mm,在銅基針眼結構的上平面施加了y方向的位移，PCB板圓孔基座的外圓柱面為全約束[10]。通過對針眼壓裝過程的動態顯式分析后，得到如圖5所示的最大應力隨時間的變化情況。插入時，隨著時間的變化，應力逐步增大，當時間為0.00005s時，產生的應力最大值為621.003Mpa，如圖6、7所示，之后有所波動后逐漸減小，當時間為0.0001s時，銅基針眼插入到最大位置，插入過程結束，此時仍存在應力，最大值為201.941Mpa。拔出過程中最大應力逐漸減，當時間為0.000106s時，產生的應力最大值為237.098Mpa，如圖8、圖9所示，之后殘余最大應力基本在200Mpa上下有微小波動，當時間參數為0.0002s時，銅基針眼回到初始位置，此時結構中存在的應力最大值為188Mpa。