連接器振動沖擊動力學仿真研究

吉宜職，王祖進

(南京康尼科技實業有限有限公司，江蘇南京，210046)

1 引言

連接器是用于電路連接的重要機電元件，在航天、航空、通信等各大領域應用廣泛，其連接的可靠性對電子設備的安全運行有著重要影響[1-3]。在連接器工作過程中，經常受到振動沖擊作用，這對連接器的連接性能提出了更高的要求[4-6]，為此開發出一款改進型連接器。

該改進型連接器主要包括接插件、接觸板和殼體，接觸板與殼體之間由復位彈簧連接。在工作過程中，連接器兩兩配合，接觸板上的各類接插件相互連接，實現電信號的傳輸。在連接器受到振動沖擊時，接觸板與殼體之間的彈簧對接觸板產生推動作用，以保證連接器受到振動時接觸板上的接插件始終保持密切配合[7-9]。若在振動過程中彈簧力失效，則易導致連接器接觸不良等問題，甚至引起整個系統的失效。

針對以上情況，本文基于虛擬樣機技術，對連接器沖擊工況進行仿真分析，在連接器外殼添加三個不同方向的載荷模擬沖擊振動作用，觀察在受到沖擊振動過程中，復位彈簧是否會與接觸板脫離。本研究為后續連接器優化設計與型號選擇提供了參考。

2 動力學模型搭建

2.1 模型導入

連接器主要由外殼體、接觸板、接插件組成，如圖1所示。殼體與接觸板之間由彈簧和錐臺連接，受到沖擊振動時，接觸板擠壓錐臺前后移動，與錐臺連接的復位彈簧受到擠壓產生彈簧力推動接觸板恢復原位，以保證接插件的有效連接。

圖1 連接器結構

將連接器模三維模型導入RecurDyn動力學仿真軟件[10-11]，由于本文僅研究振動過程中彈簧的作用情況，對接插件磁性連接情況不做研究，因此在模型中可以將接插件與接觸板采用merge連接固連在一起，根據三維模型對固連后部件的密度等材料屬性進行設置。

2.2 運動關系設置

根據連接器工作要求，在連接器工作過程中，外殼四個點位固定，錐臺可以在軸上移動。在模型中定義各零部件之間的運動關系，如表1所示。

表1 運動關系設置

2.3 接觸關系設置

對模型接觸副進行設置[12-14]，本次計算接觸區域設置主要集中在接觸板、外殼體、彈簧錐臺之間，接觸類型選擇幾何表面接觸(Geo Surface Contact)，其中主要接觸副及其參數設置如表2所示。

表2 主要接觸副及參數設置

2.4 驅動設置

根據GB/T21563-2008中第8條1類B級隨機振動參考要求，在連接器外殼添加三個方向的運動副，設置加速度模擬連接器受到的沖擊作用，三個方向的加速度如表3所示。

表3 振動沖擊條件

如圖2所示為軸向(Y軸)沖擊時，加速度加載曲線圖。

圖2 軸向沖擊加速度加載曲線圖

3 彈簧設置

在動力學模型中添加彈簧力作用。彈簧力選擇Spring模塊，連接器彈簧屬I類載荷彈簧，選用碳素彈簧鋼絲(65Mn)，查機械設計手冊可知彈簧切變模量G=79000MPa，彈性模量 E=206000 MPa，抗拉強度σb=2250 MPa，許用切應力τp=607.5 MPa。根據試驗結果測得彈簧剛度為3.18N/mm，彈簧自由長度28mm，在模型中添加彈簧屬性，如圖3所示。

最終建立的連接器動力學仿真模型如圖4所示。

(a) (b)

4 仿真分析

設置仿真時間為0.15s，對連接器三個方向分別加載，進行沖擊仿真分析，選取其中一個彈簧力為研究對象進行分析。

(1)軸向沖擊

連接器受到軸向沖擊時，彈簧力的變化曲線如圖5所示。由圖可知，初始彈簧力為15.43N，在受到軸向沖擊振動后，彈簧力增大，最大彈簧力為15.68N。之后，彈簧力穩定在15.44N左右，在受到軸向沖擊時，彈簧始終保持作用。

圖5 軸向沖擊彈簧力變化曲線

(2)縱向沖擊

連接器受到縱向沖擊時，彈簧力的變化曲線如圖6所示。由圖可知，初始彈簧力為15.43N，在受到縱向沖擊振動后，彈簧力減小，最小彈簧力為11.94N。之后，彈簧力穩定在15.32N左右，在受到縱向沖擊時，彈簧始終保持作用。

圖6 縱向沖擊彈簧力變化曲線

(3)橫向沖擊

連接器受到橫向沖擊時，彈簧力的變化曲線如圖7所示。由圖可知，初始彈簧力為15.43N，在受到橫向沖擊振動后，彈簧力減小，最小彈簧力為11.38N。之后，彈簧力穩定在15.4N左右，在受到橫向沖擊時，彈簧始終保持作用。

圖7 橫向沖擊彈簧力變化曲線

根據仿真結果可知，復位彈簧安裝后，預加載荷約15.43N，在受到軸向載荷沖擊時，彈簧力先增大后減小，最終穩定在15.44N左右；在受到縱向和橫向沖擊載荷時，彈簧力先減小再增大，最小彈簧力分別為11.94N和11.38N。由此可知，在連接器受到沖擊振動過程中，彈簧力始終保持作用，未出現與接觸板脫離情況。

5 結論

接觸板的良好接觸是連接器穩定傳輸電信號的保障，連接器中的復位彈簧可以推動接觸板在受到沖擊振動時快速復位，若在振動時，彈簧脫離接觸板則易造成連接失效導致電信號中斷。本文基于RecurDyn軟件對連接器的沖擊振動工況進行仿真分析，得到復位彈簧在連接器受到不同方向沖擊時的彈簧力變化曲線。仿真結果表明，在連接器受到沖擊振動過程中，復位彈簧始終保持作用。其中，在受到橫向沖擊時彈簧力相對較小，但彈簧力始終大于0，未發生彈簧脫離情況。本研究為后續連接器優化設計及復位彈簧選型提供了參考經驗。