基于ANSYS的電源連接器保持力分析與研究

，，

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200000)

1 引言

電連接器是電子系統中重要的基礎元件之一。它是器件與組件、組件與組件、子系統之間形成電氣連接的必要元件。電連接器作為一種機電系統，為整個系統提供可分離界面，而不影響整個系統的正常運行[1]。電連接器的應用始于軍工企業，而后逐漸擴展到民用領域。隨著手機、電視、電腦等民用消費電子產品以及汽車等交通領域的發展，連接器迅速向這些領域拓展，成為全球電子組件第二大支柱產業[1]。在飛機、導彈、艦艇等武器裝備系統中，軍用電連接器是用量最多的電子元器件之一，而電連接器失效率在軍用電子元器件中最高，約占總數的40%～50%[2]。隨著通訊技術、電子設備技術高速發展以及武器裝備更新換代，電連接器呈微型化、高密度、模塊化的發展趨勢[3]。

新的發展趨勢對電連接器的性能參數提出了新的要求。連接器的主要技術指標包括機械特性、電氣特性和環境特性。其中機械特性參數主要包括插拔力、端子保持力、端子正向力、機械壽命、振動、沖擊、碰撞等；電氣特性參數主要包括接觸電阻、屏蔽性、額定電壓、額定電流；環境特性參數主要包括溫度、濕度、壓力、腐蝕等[4]。保持力作為電連接器的一個重要性能指標，是指將接觸件從塑料基座中退出所需的最大力，決定著接觸件在塑料基座中的可靠連接，保持力過小則達不到連接要求，如何在有限的空間內提升接觸件的保持力，對連接器微型化和高密度具有重要的意義。國內對接觸件保持力進行的系統研究較少，對保持力的模擬仿真分析是一個薄弱環節，設計者多憑借經驗進行設計，隨著設計周期的縮短和連接器發展新趨勢的出現，可憑借的設計經驗越來越少，因而對連接器保持力進行理論研究是十分有必要的。

2 產品介紹

SJ045-25STH0、SJ045-25PZH0為25芯電源連接器，結構如圖1、圖2所示。該電源連接器主要由插頭、插座兩部分組成，插頭部分通過壓接的方式與導線連接，插座部分通過魚眼結構與客戶端PCB板連接。如圖3所示，接觸件插入基座，通過其自身體的彈臂結構卡在基座開口中，該結構能夠避免在對接過程中，接觸件從基座中退出。為省略接觸件插入后的灌膠工序，需將接觸件的保持力由6.5～7N提升到不小于15N。

圖1 SJ045-25STH0電源插頭

圖2 SJ045-25PZH0 電源插座

a)剖視圖 b)局部放大圖圖3 SJ045-25STH0接觸件與基座裝配情況

3 理論計算與仿真分析

3.1 靜力分析[5]

為提升接觸件的保持力，首先對接觸件在基座中的受力情況進行分析，建立接觸件的靜力學模型。接觸件從受力到彈臂破壞是一個相對靜止的過程，因此只需要進行靜力學分析。如圖4所示為接觸件的受力情況，接觸件在基座中受到一個已知外力，即是將接觸件從基座中拔出的力；同時，接觸件底部、彈臂與基座接觸受到與基座的接觸力，該接觸力包括接觸表面摩擦力和基座的支持力；以及這些力產生的力矩M1，M2。接觸件在力和力矩的作用下處于靜止狀態，必須滿足下列條件。

圖4 靜力學分析

靜止條件，如式(1)～(3)所示。

(1)

即，

(2)

(力的方向：向上為正，向右為正；力矩的方向：逆時針為正)

假設Ff1=0，最大靜摩擦力Ffmax=μ Fn2(μ接觸件與基座的摩擦系數，μ≤1)，即

(3)

接觸件拔出過程分析：

當接觸件從基座中拔出時，F1逐漸增大，即

F1↑，有Fn2↑，Ffmax↑；

F1↑，有Mn1↑，Fn1↑，Ff2↑。

當Ff2≥Ffmax，N點沿基座上方滑動，更易繞根部折彎。

當Ff2≤Ffmax，N點不滑動，更易被壓彎。

由公式(3)可得，Ffmax=μF1

因此，L1越小，摩擦系數μ越大，N越不容易滑動，彈臂受力情況越好。

3.2 接觸件材料與結構改善[6]

接觸件保持力的提升，主要從材料和結構兩個方面著手。在材料方面，根據前面的分析，可以通過改變材料來提升摩擦系數，同時，性能優良的材料有利于提高接觸件彈臂的抗彎強度、抗壓強度，從而提高接觸件的保持力。本產品分別采用鈹青銅和磷青銅來制造接觸件，二者的性能參數如表1所示，通過仿真和試驗的方法對比二者對保持力提升效果。

表1 接觸件材料特性參數

在結構方面，不同的彈臂結構與基座的接觸情況、抗彎抗壓能力、彈臂高度不同，造成與基座的保持力不同。本文提出了三種不同的彈臂結構，如圖5、圖6、圖7所示。圖5 為最初的彈臂結構，其保持在力在6.57N，該彈臂結構頂端有折彎，臂身呈直線型，彈臂傾角較大。圖6為改善后的彈臂，取消彈臂頂端折彎，臂身改為斜線型，增大根部倒角。圖7彈臂在圖6模型的基礎上增加了凸包。3種接觸件分別采用上述2種材料進行制造[7]。

圖5 折彎彈臂結構

圖6 直臂無凸包彈臂結構

圖7 直臂凸包彈臂結構

3.3 模擬仿真[8]

采用ANSYS軟件對上述3種彈臂結構、兩種接觸件材料，共6種接觸件分別分析其在基座中的保持力。為減少計算量，加快分析速度，結合ANSYS軟件的設置，在不影響分析結果的情況下對基座和接觸件進行簡化，簡化結果如圖8所示，簡化后接觸件只保留頭部結構，簡化后基座只取與彈臂接觸的一部分。

圖8 簡化結構模型

3.3.1 邊界條件設置

邊界條件設定如圖9所示，采用約束B固定接觸件尾部，接觸件底面加載支撐約束C，基座后表面加載位移載荷A。在接觸件彈臂和基座表面添加1個接觸對，在接觸件左、右側面增加1個支撐接觸對，摩擦系數設定為0.3。

圖9 邊界條件設定

3.3.2 網格劃分

在網格方面，采用高階單元，并加密接觸件彈臂與基座接觸面，如圖10所示。

圖10 網格劃分

3.3.3 仿真結果分析

磷青銅C5210應力應變曲線如圖11所示，屈服強度600MPa，鈹青銅C17200應力應變曲線如圖12所示，屈服強度780MPa。

圖11 磷青銅C5210應力應變曲線

圖12 鈹青銅C17200應力應變曲線

1)折彎結構彈臂接觸件

(a)應力分布圖 (b)作用力曲線圖13 折彎結構彈臂接觸件(磷青銅C5210)

在折彎結構彈臂接觸件中，采用磷青銅C5210，整體受力情況如圖13(a)所示，可以看出此時彈臂已完全彎曲，失去支撐能力，折彎處應力為600MPa～750MPa，尚未斷裂。作用力曲線如圖13(b)，保持力為9.5N。

(a)應力分布圖 (b)作用力曲線圖14 折彎結構彈臂接觸件(鈹青銅C17200)

采用鈹青銅C17200，整體受力情況如圖14(a)所示，可以看出此時彈臂已完全彎曲，失去支撐能力，同時折彎處應力為700MPa～900MPa，尚未斷裂。作用力曲線如圖14(b)，保持力為11.9N。

3.2 顆粒粒度測定方法 本研究采用BT-9300H型激光粒度分布儀分析系統對顆粒進行粒度測定，利用測定激光束穿透顆粒混懸液的散射估計出顆粒的平均體積，如假設顆粒為標準球體，則可計算出顆粒直徑。和傳統光鏡或電鏡測量方法相比，具有快速，誤差小，精確度高，操作簡便，可定量分析的優勢，尤其適用于大樣本的測定。激光粒度分析儀的不足之處在于：忽略了顆粒的形狀，可能會對顆粒的計算結果產生一定的影響。

2)直臂無凸包彈臂結構接觸件

(a)應力分布圖 (b)作用力曲線圖15 直臂無凸包彈臂結構接觸件(磷青銅C5210)

(a)應力分布圖 (b)作用力曲線圖16 直臂無凸包彈臂結構接觸件(鈹青銅C17200)

在直臂無凸包彈臂結構接觸件中，采用磷青銅C5210，整體受力情況如圖15(a)所示，可以看出彈臂有沿基座向上滑動的趨勢，根部發生折彎，本身并未彎曲。折彎處應力為600MPa～780MPa，失去支撐能力，尚未斷裂。作用力曲線如圖15(b)，作用力曲線不光滑，作用力出現波動，保持力為5.2N。

C17200整體受力情況如圖16(a)，可以看出彈臂沿基座向上滑動的趨勢不明顯，根部發生折彎，本身并未彎曲。中部和根部應力達到900+MPa，接近斷裂。作用力曲線如圖16(b)，和磷青銅類似，作用力出現波動，保持力為5.4N。

(3)直臂凸包彈臂結構接觸件

(a)應力分布圖 (b)作用力曲線圖17 直臂凸包彈臂結構接觸件(磷青銅C5210)

(a)應力分布圖 (b)作用力曲線圖18 直臂凸包彈臂結構接觸件(鈹青銅C17200)

在直臂凸包彈臂結構接觸件中，采用磷青銅C5210，整體受力情況如圖17(a)，彈臂不滑動，沿凸包上邊線折彎，保持力為15.9N，作用力曲線如圖17(b)。

采用鈹青銅C17200接觸件整體受力情況如圖18(a)，變形情況與磷青銅C5210相似，保持力為19.9N。

不同彈臂形式仿真結果對比如表2所示，其中，折彎結構有利于降低彈臂高度，與基座接觸情況較好，但保持力較小；直臂無凸包結構，與基座的接觸情況較差，彈臂受力后沿基座滑動，作用力不穩定，保持力小；添加凸包后的直臂結構，與基座的接觸情況得到改善，彈臂不滑動，作用力穩定，保持力大于15N，該種結構為較優方案。在材料方面，鈹青銅C17200明顯優于磷青銅C5210，無論那種結構對保持力都有所提升。同時，仿真結果與理論分析吻合較好，折彎結構和直部結構由于與基座的接觸情況不同，造成接觸點的摩擦系數不同，摩察系數越大越穩定，彈臂受力情況越好，保持力越大越穩定。

表2 不同彈臂形式仿真結果對比

4 試驗驗證

本試驗是針對直臂凸包彈臂結構接觸件測量其在PBT塑料基座中的保持力，接觸件材料采用磷青銅C5210。

4.1 接觸件檢測

在投影儀上對接觸件外觀和關鍵尺寸進行檢測，判斷來料是否滿足圖紙要求，表面有無壓痕和裂紋，排除外在因素對試驗的影響，圖19為接觸件外觀檢測范例，圖20為關鍵尺寸測量點。

圖19 接觸件外觀檢測

圖20 關鍵尺寸測量

4.2 導線壓接

采用如圖21所示的壓接工裝壓接接觸端子，壓接完成的端子如圖22所示。

圖21 端子壓配工裝

圖22 壓接后接觸件

4.3 保持力測量

在保持力測量前，首先要進行壓線，保證線纜在接觸件中的保持力大于接觸件在基座中保持力，避免線纜先于接觸件拔出。壓線完成的接觸件穩定可靠的裝入基座中，對同一個插頭測量25個數據，如表3所示。測量設備為測力計，如圖23所示，精度為0.1N，采用手動測量。

圖23 測力計

4.4 試驗結果對比

表3為彈臂高度為1.42mm時關鍵尺寸測量，

表4為其保持力測量結果，保持力最小值為12.7N，最大值為15.5N，平均值為14.33N。

降低彈臂高度，重新制作接觸件，其關鍵尺寸測量如表5所示，保持力如表6所示，保持力最小值為15N，最大值為20.9N，平均值為16.3N。從保持力測試結果來看，與彈臂高度為1.42mm的保持力相比有所提高，且與仿真結果15.9N較為接近。彈臂的破壞形式如圖24所示，大部分彈臂在凸包上邊線附件折彎，與仿真結果一致。試驗結果表明，凸包直臂結構和降低彈臂高度有效地提高了接觸件保持力，與理論分析、仿真結果一致。

表3 關鍵尺寸測量(彈臂高度為1.42±0.03mm)

表4 接觸件保持力(彈臂高度為1.42±0.03mm)

表5 關鍵尺寸測量(彈臂高度為1.34±0.03mm)

表6 接觸件保持力(彈臂高度為1.34±0.03mm)

圖24 試驗彈臂的破壞形式

5 結論

本文以電源連接器插頭SJ045-25STH0為研究對象，通過理論分析、有限元仿真以及試驗驗證，對接觸件保持力進行了研究，建立了科學的分析過程，實現了接觸件保持力的提升。通過本文的研究，得到如下結論：接觸件保持力與彈臂和基座的摩擦系數呈正比關系、與彈臂的高度呈反比關系。本文進一步研究的方向：在理論方面，建立彈臂受力和破壞形式的關系；在仿真分析方面，由于保持力分析屬于非線性接觸問題且存在大變形，采用ABAQUS進行分析，結果會更加準確[9,10]。

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