基于CAE技術的端子尾部壓接分析

杜艷平，王彥波，李厚琨

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

汽車工業快速發展，尤其是新能源汽車技術快速發展，汽車電器系統也發展得越來越快。汽車用電器品種不斷涌現，對汽車電器系統提出了更高的要求。各種用電器及導線的連接是整個電器系統能否正常工作的關鍵，因此對汽車連接端子的研究就變得更加重要。在端子的使用過程中，最重要也是最容易出問題的部位就是連接環節。目前為止在車用電線束中大部分的連接是通過端子的尾部壓接實現的，因此尾部壓接分析就顯得至關重要［1］。壓接的品質直接關系到線束總成和汽車行駛的可靠性。傳統的壓接通常采用“試錯逼近”法則，通過不斷調整修正實物來達到產品性能。本文在傳統的試驗室壓接剖面分析的基礎上提出了基于CAE技術的壓接剖面分析方法，使用CAE分析代替實物實驗，降低了研發費用和周期，為產品設計提供了一種有效的方法［2］。

1 動力顯示有限元原理

ABAQUS／Explicit應用中心差分法對運動方程進行顯示的時間積分，由一個增量步的動力學條件計算下一個增量步的動力學條件。在增量步開始時，程序求解動力學平衡方程。

式中：M——節點質量矩陣；u——節點加速度；P——所施加的外力；I——單元內力。

1.1 節點的計算

在當前增量步開始時 （t時刻），計算加速度為

該方程又叫動力學平衡方程。

當前增量步中點的速度為

增量步結束時的位移為

1.2 單元的計算

單元的計算包括確定單元應變和應用材料單元剛度確定單元應力，從而進一步計算出內力［3］。

首先根據應變速率ε，計算單元應變增量dε。

其次根據本構關系計算應力σ：

最后集成節點內力I|（t+Δt）。

2 端子尾部壓接剖面分析

2.1 端子的壓接

壓接指通過外力使電線與端子接觸面強力結合，實際上是端子從自由彎曲到校正彎曲的過程。好的壓接應該滿足3個條件：良好的機械性能，即有足夠大的拉脫力；良好的電性能，有保證端子有低而穩定的電阻抗；具備良好的物理性能，即有良好的壓接剖面。有研究表明，良好的剖面就能保證壓接后端子的機械性能和電器性能［4］。

2.2 剖面分析

為了找出合理的壓接高度，獲得最優的電性能和機械性能，需做剖面檢查，傳統的剖面分析方法是：在每種電線與端子的壓接模具調整后都要做剖面檢查。具體的做法：樣件目測合格后，在專用剖面分析設備上按照順序依次對樣件進行切削、研磨、酸洗等相關操作，最后放在至少20倍以上的顯微鏡下觀察剖面并拍攝照片。這種傳統的剖面分析的方法僅適用于實物，在產品研發沒有實物階段必須用其它方法進行驗證。

2.3 剖面標準

理想的芯線壓接，壓接翼封閉且對稱、所有芯線變形、壓接翼未碰壁或觸底、端子材料無裂痕、毛刺適中［5］。

3 端子尾部壓接的CAE分析

端子尾部的壓接是一個由幾何非線性、材料非線性和接觸非線性構成的高度非線性，其壓接速度約為0.1 m／s，根據壓接過程的特點選擇用ABAQUS／Explicit進行分析。

3.1 CAE分析過程

CAE分析幾何模型如圖1所示，包含四部分：端子小尾部、導線、上下鉗口。其中端子小尾部材料為H65Y，導線材料為Cu，上下鉗口均設為剛體。

本分析對CAE模型進行了一些簡化：①忽略端子主體及連接部分對結果的影響；②采用統一的摩擦系數0.1，而實際上導線和導線之間，導線和尾部之間，以及尾部和壓接模具之間的摩擦系數是不同的。

圖1 CAE分析幾何模型

3.2 CAE分析結果分析

某尾部相同的壓接高度下CAE分析結果剖面如圖2所示，試驗剖面如圖3所示，由圖可知CAE分析壓接剖面和試驗壓接剖面結果一致。

為了驗證CAE分析結果的準確性，對CAE分析拉脫力進行了驗證。仿真壓接高度為1.53 mm的尾部，其拉脫力曲線如圖4所示，其拉脫力值為169.32 N。壓接高度為1.53 mm樣件拉脫力實驗數據見表1，拉脫力范圍為152.8～179.8N。CAE分析結果與試驗基本相符，進一步驗證了CAE分析應用在端子尾部壓接上的正確性。

圖2 CAE分析結果剖面

圖3 試驗剖面

圖4 CAE分析拉脫力曲線

表1 拉脫力實驗數據

綜上基于CAE的尾部壓接分析剖面和拉脫力與試驗室端子尾部壓結剖面和拉脫力結果一致，證明了基于CAE技術的端子尾部壓結分析的正確性，可將該方法推廣至其他尾部，在設計階段驗證端子尾部設計的合理性。

4 CAE分析在新產品上的應用

某車用連接器端子在產品設計階段，設計了一種新尾部，由于沒有實物，其尾部壓接剖面是否滿足要求未可知，于是用上述方法對尾部進行了壓接CAE分析，并對壓接高度進行了推斷。

為了適應不同線徑的導線，設計了3種不同的尾部，其壓接范圍分別為0.3～0.5，1～1.5及2 mm2。為了驗證3種尾部，對5種不同壓接線徑進行了CAE剖面分析，分析結果見表2。

表2 不同線徑CAE剖面分析結果

表2中CAE剖面：壓接卷曲部分相接且對稱，卷曲部分端部距底部的距離不小于單線標稱直徑的1／2，和端面底部兩側的毛刺高未超過端子壓接后的厚度，毛刺寬度未超過端子壓接后的厚度的1／2，滿足USCAR-21的要求。通過CAE分析可初步推斷出壓接線徑分別為0.3、0.5、1、1.5、2時，其對應的壓接高度約為1.17、1.2、1.43、1.45和1.75。

5 結語

本文通過對適用19根導線端子尾部進行CAE分析與試驗，得出CAE分析技術應用在端子尾部壓接上的正確性。通過CAE分析在新產品上的應用得出新產品尾部設計合理并推斷出不同線徑對應的壓接高度。