電連接器接觸體結構參數對插拔特性的影響分析

張曉彤，魯 男，陳宏超，青 春，郝健男

( 沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧沈陽，110144)

1 引言

在航空電連接器中，開瓣式插孔接觸體的地位舉足輕重，插孔接觸體的結構直接影響著插拔力、接觸壓力、插拔壽命等。國軍標對接觸體的最大插入力和最小分離力均有規定，通常希望擁有較大的插拔力，以保證電接觸的穩定，提高接觸體在微動環境下的接觸可靠性。但是，插拔力的增加也伴隨著更大的結構磨損，接觸體每次插拔都會加重磨損甚至造成結構表面損傷，降低接觸可靠性。接觸體在插拔過程中最理想的狀態是：插拔過程平滑流順，結構體無表面損傷，插針、插孔緊密接觸，接觸電阻連續穩定。

國內外眾多學者[1-3]對接觸體幾何形狀與接觸性能的關系進行過研究，并取得了良好的學術成果。Li Y[4]等對接觸體間的插入力進行了分析并提出提高接觸可靠性的措施。聞聰聰[5]應用ABUQUS軟件計算了接觸體單次插拔過程中的力學接觸性能。王濤[6]通過研究給出接觸體接觸壓力與結構尺寸的關系，并運用有限元法對接觸壓力進行仿真。

為深入研究接觸體結構參數對插拔特性(插拔力、接觸壓力)的影響，基于有限元法完整提出了接觸體機械特性有限元分析方法，建立接觸體動力學模型，分析不同結構參數條件下插拔特性的變化情況，確定結構參數對機械性能的影響程度，為實際生產設計提供指導。

2 接觸體插拔特性理論計算

2.1 接觸壓力計算

開瓣接觸體可簡化為圖1所示的懸臂梁結構，由懸臂梁計算公式可得接觸壓力F為：

(1)

式中，E為彈性模量(單位：Pa)，Ih為插孔橫截面的慣性矩(單位：m.kg.s2)，a為簧片彈性變形量，L為插孔簧片長度。

圖1 插孔簧片懸臂梁模型

2.2 插拔力計算

接觸體插合過程受力情況如圖2所示，Ff為接觸處摩擦力，Fn為法向接觸壓力，F為接觸壓力，Fi為插入力，接觸面摩擦系數為μ，接觸處摩擦力Ff=μFn。

圖2 插孔插入過程受力示意圖

插針在摩擦力Ff、法向接觸壓力Fn和插入力Fi的作用下處于平衡狀態。由力的平衡關系可得到下式：

Fi=Fnsinα+Ffcosα

(2)

插孔在接觸壓力F、法向接觸壓力Fn和摩擦力Ff的作用下處于平衡狀態。由力的平衡關系可得到下式：

Fncosα=F+Ffsinα

(3)

結合上式，可得接觸壓力F與插入力Fi之間的關系：

(4)

結合接觸壓力計算公式與上式，可得插入力與簧片彈性變形a的關系為：

(5)

當插針位移為S時，插孔彈片對應的彈性變形為：

Δα=Stanα

(6)

結合上式可得插入力與插入量的關系為：

(7)

對于開兩瓣的接觸體，插入力與插入量的關系為：

(8)

當插針頭部完全插入插孔后，接觸面之間的夾角α=0，則插入力的計算公式為：

(9)

3 接觸體模型

3.1 插針模型及參數

插針模型如圖3所示，模型主要參數見表1。

圖3 插針模型

表1 插針主要參數

3.2 插孔模型及主要參數

插孔模型如圖4所示，模型主要參數見表2。

圖4 插孔模型

表2 插孔主要參數

接觸體縮孔尺寸如圖5所示。

圖5 插孔端部縮孔示意圖

3.3 接觸體有限元模型

根據接觸體尺寸建立接觸體幾何模型，設定材料為理性彈性，彈性模量E=121GPa，泊松比μ=0.33。采用高階三維 8 節點 Solid185 實體單元對模型進行網格劃分。經過網格收斂性驗證后，選定接觸面所在的體單元尺寸為0.07mm，劃分方法為掃掠網格劃分；其余部分網格尺寸逐漸遞增，劃分方法為自動網格劃分方法，有限元模型如圖6所示。

圖6 接觸體有限元模型

接觸類型為有摩擦接觸，摩擦系數為0.16；接觸形式為非對稱接觸；接觸算法選用增強拉格朗日法；法向接觸剛度設定為1。

4 接觸體結構參數對插拔特性的影響

4.1 開瓣寬度對插拔特性的影響

為研究結構參數開瓣寬度對插拔特性的影響，保持其他幾何參數不變，改變開瓣寬度m的大小，分別設置開瓣寬度為0.45mm、0.50mm、0.55mm、0.65mm、0.70mm、0.75mm進行系列計算，分析開瓣寬度對接觸壓力、插拔力的影響。接觸體插拔過程近似對稱，取插合過程進行計算分析。

圖7 接觸壓力在插入過程變化曲線圖

圖8 插合過程插入力變化的曲線圖

從數值計算結果可以看出，不同開瓣寬度條件下，最大接觸壓力和插入力在插合過程中的變化趨勢基本一致。開瓣寬度與最大接觸壓力成正比，與插入力成反比。當開瓣寬度較小時，其對接觸壓力的影響要明顯大于插入力；反之，對插入力的影響要明顯大于接觸壓力。

4.2 簧片長度對插拔特性的影響

為研究接觸體參數簧片長度對插拔特性的影響，保持其他幾何參數不變，改變簧片長度L的大小，分別設置簧片長度為3mm、3.5mm、4.5mm、5mm進行系列計算，分析簧片長度對接觸壓力、插拔力的影響。整個插拔過程，插針的最大插入量為簧片長度的37.5%。

圖9 接觸壓力在插入過程變化的曲線圖

圖10 插合過程插入力變化的曲線圖

從計算結果可知，簧片長度與最大接觸壓力、插拔力均成反比，且不同簧片長度對插入穩定性有明顯影響，總體趨勢上，簧片長度的增加可提高插拔穩定性。

4.3 倒角對插拔特性的影響

為研究觸體參數倒角對插拔特性的影響，保持其他幾何參數不變，改變插孔倒角R的大小，分別設置倒角為0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.30mm、0.35mm進行系列計算，分析插孔倒角對接觸壓力、插拔力的影響。

圖11 接觸壓力在插入過程變化的曲線圖

圖12 插合過程插入力變化的曲線圖

從計算結果可以看出，倒角對插拔特性的影響具有局限性，在倒角較小時，對接觸壓力和插拔力的影響較為明顯，隨著倒角尺寸的增加，影響力呈現下降趨勢。

4.4 收口量對插拔特性的影響

為研究接觸體參數收口量對插拔特性的影響，保持其他幾何參數不變，改變收口量的大小，分別設置收口量為1.44mm、1.46mm、1.48mm、1.50mm、1.54mm、1.56mm進行系列計算，分析收口量對接觸壓力、插拔力的影響。

計算結果表明，收口量與接觸壓力、插拔力均成反比。收口量對插拔特性曲線的影響僅限于數值上的變化，對曲線趨勢基本無影響。

圖13 接觸壓力在插入過程變化的曲線圖

圖14 插合過程插入力變化的曲線圖

4.5 參數靈敏度分析

根據上述計算結果可知，在不同結構參數條件下接觸壓力、插拔力的變化趨勢基本相同。剛開始插合時，隨著插針位移的增加，插拔力、接觸壓力急劇增大，隨著插針位移繼續增加，插拔力趨于穩定。取插拔過程中插拔力峰值和穩定的插拔力值繪制圖15～18所示的插拔力隨結構參數變化的分布曲線。

圖15 插拔力隨開瓣寬度的變化曲線

圖16 插拔力隨簧片長度的變化曲線

圖17 插拔力隨倒角的變化曲線

圖18 插拔力隨收口量的變化曲線

從圖中可以看出，開瓣寬度對插拔特性的影響并不顯著。若在生產設計時，想通過適當降低開瓣寬度提高接觸可靠性，除要考慮其影響程度的限制還應注意較小的開瓣寬度帶來的更高生產要求以及槽與槽之間的后續加工難度。簧片長度與插拔力成反比關系，簧片長度增加后，插拔力有明顯減小，該參數對插拔特性影響較顯著，在接觸體結構設計中，應重點關注。倒角對插拔特性的影響不是單一的線性關系，由于簧片壁厚因素的限制，不能設計過大或過小的倒角，在合理尺寸范圍內，倒角對插拔特性的影響較小。對比其他結構參數的影響，收口量對插拔特性的影響十分顯著，且其可在保證插拔特性變化趨勢的前提下進行數值優化，具有較高的可控性，所以在實際設計時，此參數必須合理，它是影響電連接器可靠性的重要因素，需嚴格控制。

5 結論

以常用的開瓣接觸體為研究對象，采用數值方法進行定量的計算，分析接觸體結構參數對插拔特性的影響，基于仿真結果繪制出插拔特性隨接觸體結構參數變化的分布曲線圖并給出具有普遍適用性的定性結論，為開瓣式接觸體的設計及生產提供指導。