車用連接器端子的結構仿真分析

丁元淇，康金燦，杜艷平，賀占蜀

（1.河南天海電器有限公司，河南鶴壁　458030；2.鄭州大學機械工程學院，河南鄭州　450001）

車用連接器端子的結構仿真分析

丁元淇1，康金燦1，杜艷平1，賀占蜀2

（1.河南天海電器有限公司，河南鶴壁458030；2.鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001）

利用有限元分析軟件Abaqus，對某種車用連接器端子結構進行分析，得出端子插拔力及應力和塑性變形等，并得到端子的插拔力分別為8.4276N和4.0185N，與試驗結果相符；其最大應力值為520MPa，超過了材料的屈服強度，即在第1次插拔時產生了塑性變形，因此第1次拔出后喇叭口沒有恢復到原來的狀態，而是產生了0.134mm的間隙。研究結果表明，有限元模擬仿真結果與試驗結果相符，應用有限元軟件對車用連接器進行分析能夠為類似產品的設計研究提供依據，可以有效節省產品開發成本。

連接器端子；有限元；插拔力；塑性變形

連接器是汽車中的重要部分，單一車型所使用的連接器有數百個之多，連接器性能的好壞直接影響整車性能。隨著我國汽車工業的迅猛發展，對車用連接器的性能要求也越來越高。連接器插拔力是影響連接器機械性能和電氣性能的重要參數。因此對其進行研究具有重要理論價值和現實意義。

車用連接器端子的結構和性能是保證連接器工作可靠性的重要因素，因此對連接器端子的性能分析一直是研發設計人員關注的熱點。傳統的設計方法，設計周期長、經濟成本高，難以滿足產品更新換代快、開發周期短的要求，先進的有限元方法已成為支持產品設計開發的有效工具［1-4］。本文以有限元分析軟件Abaqus為平臺，對某車用連接器端子進行了插拔力、應力應變、塑性變形等結構方面的仿真分析。

1　連接器端子的有限元分析

1.1確定分析類型

連接器端子的插拔過程從接觸到分離，邊界條件發生了變化涉及到邊界條件非線性；連接器端子在插拔過程中出現了大的位移和變形涉及到幾何非線性；連接器端子的原材料的應力-應變關系曲線有彈性階段和塑形階段涉及到材料非線性。因此連接器端子的插拔過程是一個嚴重非線性的過程。綜上，本分析可選擇用求解器Abaqus／Standard進行分析［5］。

1.2有限元模型的建立及前處理

幾何模型的建立：對連接器端子進行插拔力分析主要是對插頭端子（公端）和插座端子（母端）之間的插拔力進行分析。圖1為連接器端子幾何模型。進行有限元分析時，為了節省計算量和時間成本，有必要對模型進行簡化：①為了減少不必要的分析運算，不考慮對端子插拔力影響很小的尾部；②由于插頭端子在整個插拔過程中幾乎沒有發生變形，因此可將其設為剛體。簡化后幾何模型如圖2所示。

圖1　連接器端子幾何模型

圖2　簡化后幾何模型

材料屬性：該端子材料為錫青銅，其彈性模量為121 715 MPa，泊松比為0.3，屈服強度為505.65 MPa，抗拉強度為573.31 MPa。Abaqus中材料的塑形參數為真實應力和應變，因此需將名義的應力應變由式（1）～（3）進行轉化。將材料名義應力-名義應變的塑性階段經過式（1）～（3）轉化后得出錫青銅的塑性數據。

式中：εture——真實應變；εnom——名義應變；σture——真實應力；σnom——名義應力；——真實塑性應變；E——彈性模量。

網格劃分：該分析為典型的接觸分析，接觸屬性為“硬”接觸，因此插頭端子和插座端子均使用適合接觸分析的八節點線性六面體減縮積分單元C3D8R［5］。

接觸的設置：本文研究的端子插拔力過程非常復雜，是3種非線性關系的綜合，屬于大變形問題，因此需將幾何非線性開關打開，同時選擇有限滑移。

邊界條件和載荷：邊界條件和載荷需模擬真實插拔過程，其邊界條件應為插座端子尾部端完全固定，插頭端子施加x方向的軸向位移。

2　有限元分析結果

2.1應力分析和塑性變形情況

在插頭端子的頭部完全進入插座端子時，即0.2333s時，其等效應力云圖如圖3所示，此時應力得到最大值，約為520 MPa，該值大于材料的屈服強度505.65MPa，因此在應力大于505.65MPa的區域發生了輕微的塑性變形，塑性變形云圖如圖4所示，其最大塑性變形量為0.002 044 mm。該處的塑性變形導致原來幾乎接觸的“喇叭口”產生0.134mm的間隙，“喇叭口”變形量如圖5所示。該間隙會導致后續插入力的減小，對端子多次插拔產生不利影響。但因最大應力遠遠小于材料的抗拉強度，所以零件不會產生破壞。插入狀態在0.2333s之后到拔出狀態的0.7707s之間最大應力和產生的塑性變形均保持不變。

圖30　.2333s時等效應力云圖

圖4　塑性變形云圖

圖5　“喇叭口”變形量

2.2插拔力

取6個樣件在萬能插拔力試驗機上測試，將試驗得出的插拔力與有限元仿真分析得出的插拔力進行對比，對比結果如表1所示。由表1可以看出仿真結果與試驗結果相對應。

表1　插拔力有限元結果與試驗結果的對比

3　結論

1）本文利用有限元軟件Abaqus建立車用連接器端子的有限元模型，經過仿真分析其結果與試驗結果相對應，為類似產品的設計提供有效的參考價值。

2）從分析結果看，該種連接器插座端子經過插拔產生了少量的塑性變形，從而使一次拔出后的插座端子“喇叭口”產生0.134mm的位移量，該間隙會使后續插拔力減小。由于汽車電子連接器使用工況中的振動、熱變形以及腐蝕等作用，要求材料在彈性范圍具有較大的連接力和接觸面積，因此，在相似產品的設計和結構改進上，可以從避免或減小塑形變形的角度進行思考。

［1］林葉芳，江丙云，閆金金，等.連接器端子件的結構分析及其優化研究［J］.機械設計與制造，2015（9）：215-218.

［2］張義愷，林雪燕.SIM卡連接器結構的仿真分析［J］.機電元件，2007（4）：8-11.

［3］杜永英，孫志禮，呂春梅，等.基于ANSYS某型電連接器插拔過程的可靠性分析［J］.中國工程機械學報，2015（6）：545-549.

［4］彭強，方慶文.利用有限元分析軟件指導連接器端子設計［J］.機電元件，2014（1）：3-7.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業出版社，2006.

（編輯陳程）

Simulation Analysis of Auto Connector Terminal Structure

DING Yuan-qi1，KANG Jin-can1，DU Yan-ping1，HE Zhan-shu2
（1.Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China；2.School of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

This paper analyzes a certain vehicle connector terminal structure based on the finite element analysis software Abaqus，and obtains data of terminal mating and unmating force，stress and plastic deformation.The terminal mating and unmating force are 8.4276N and 4.0185N which consistent with the test results；the maximum stress value is 520 MPa which exceed the yield strength of the material.That is，plastic deformation occurs during the first plug.So the bell pull is not restored to its original state，and left a 0.134mm gap after the first unmating. The results show that the finite element simulation results are consistent with the experimental results and the application of finite element software to analyze vehicle connector can provide a reference to similar products，which can save the product development cost effectively.

connector terminal；finite element；mating and unmating force；plastic deformation

U463.62

A

1003-8639（2016）07-0051-03

2016-05-13；

2016-05-24

河南省高等學校重點科研項目（15A460029）；中國博士后科學基金（2015M582199）；鄭州大學青年骨干教師資助計劃

丁元淇（1965-），男，碩士，主要研究方向為汽車電器產品開發；康金燦（1979-），男，主要研究方向為汽車電器產品開發；杜艷平（1988-），女，碩士，主要從事連接器的研發及有限元分析驗證工作；賀占蜀（1985-），男，博士，主要研究方向為汽車電器產品開發。