連接器服務(wù)器折彎設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬

連接器服務(wù)器折彎設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬

1cae技術(shù)的應(yīng)用早期，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造對(duì)工程師的工作經(jīng)驗(yàn)有很大的依賴。采用“貼近試驗(yàn)錯(cuò)誤”原則，不斷調(diào)整和修改實(shí)物，提高產(chǎn)品性能。這需要長(zhǎng)期的改進(jìn)，并且積累了緩慢的經(jīng)驗(yàn)。隨著電腦輔助工程CAE(ComputeAidedEngineering)逐步發(fā)展成熟,連接器行業(yè)引入CAE仿真技術(shù)軟件可以有效縮短研發(fā)周期。近幾年計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高,大幅提升了CAE軟件的計(jì)算效率和可靠性。目前CAE技術(shù)在連接器領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入,受到工程人員的廣泛重視。產(chǎn)品研發(fā)前期導(dǎo)入CAE技術(shù),可以對(duì)產(chǎn)品CAD模型進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)模擬分析(包括應(yīng)力、應(yīng)變、溫升、熱電耦合、疲勞壽命、動(dòng)態(tài)等)和材料模流分析(包括沖填、保壓、冷卻、翹曲等),預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能,優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高連接器的設(shè)計(jì)可靠性;CAE軟件引入虛擬樣機(jī)概念替代實(shí)物實(shí)驗(yàn),降低研發(fā)費(fèi)用與周期。在連接器生產(chǎn)制造階段,CAE模擬分析制程,協(xié)助工程師找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因,提供解決問(wèn)題的理論依據(jù)。2接觸應(yīng)力分析連接器互配時(shí),金屬端子彈性變形,連接器接觸可靠性與正向力成正比,提高正向力可以改善連接器震動(dòng)時(shí)電訊號(hào)瞬斷問(wèn)題。但正向力過(guò)大引起端子變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力對(duì)其疲勞壽命存在不利影響,同時(shí)端子內(nèi)應(yīng)力通過(guò)裝配面?zhèn)鬟f給塑膠本體,影響塑膠的強(qiáng)度和連接器本身的穩(wěn)定性與耐久性。有限元分析FEA(FiniteElementAnalysis)是CAE工程分析中應(yīng)用最廣的數(shù)值計(jì)算方法,電子連接器產(chǎn)品研發(fā)階段主要用于接觸應(yīng)力分析,特別是彈性端子的正向力分析求解。連接器產(chǎn)品的多項(xiàng)性能參數(shù)與彈性端子的正向力大小密切相關(guān),提高端子正向力會(huì)對(duì)連接器性能產(chǎn)生積極或消極影響,因此產(chǎn)品研發(fā)階段端子彈性變形與正向力模擬仿真非常重要。2.1連接器相互插拔理論連接器互配時(shí),插拔力主要與摩擦力的大小、方向有關(guān),摩擦力大小與端子正向力成正比,與插拔方向相反。根據(jù)Rabinowitz提出的接觸面摩擦理論,連接器插拔時(shí):μ——摩擦系數(shù)F——端子承受的正向載荷τs——端子接觸面間的剪切應(yīng)力H——端子材料硬度k——計(jì)算系數(shù),數(shù)值大小與接觸面的粗糙度值、潤(rùn)滑狀態(tài)、接觸面形狀、彈性變形、表面鍍層等有關(guān)根據(jù)公式(3)結(jié)論:連接器相互插拔主要是克服接觸面的摩擦阻力、大小與端子的正向載荷成正比,與端子接觸面的硬度成反比。2.2接觸面阻抗的影響連接器阻抗不穩(wěn)定影響其電性能及信號(hào)傳遞穩(wěn)定性。包括金屬端子材料本身固有電阻、與PCB板固定焊接電阻、接觸面導(dǎo)通阻抗3部分組成。材料電阻為固定值,焊接電阻可以通過(guò)制程工藝控制。接觸阻抗可變,可通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改變接觸面阻抗值并確保其穩(wěn)定、可控。式中Rc——接觸面阻抗F——端子承受的正向載荷從式(4)可以看出,材料電阻率、硬度跟材料特性有關(guān),參數(shù)固定不變。正向力數(shù)值可變,由端子形狀結(jié)構(gòu)決定。端子接觸阻抗與正向力成反比,正向載荷F越大,則阻抗Rc越小、越穩(wěn)定,連接器的電氣導(dǎo)通性能越優(yōu)異。2.3失效前電纜插拔性能的估算連接器每次插拔都會(huì)磨損端子接觸表面,每行程的磨損可以量化,通過(guò)量化算出端子在失效前能夠插拔的次數(shù),估算出端子的壽命。k——磨損系數(shù)F——端子法向載荷根據(jù)式(5),端子材料、插拔行程確定的條件下,端子承受的法向載荷越大,表面磨損程度越嚴(yán)重,耐插拔次數(shù)會(huì)降低,多次插拔后導(dǎo)通可靠性會(huì)變差乃至失效。2.4內(nèi)應(yīng)力的影響如圖所示,假定端子為一理想懸臂梁,在正向載荷F的作用下,發(fā)生彈性變形,偏轉(zhuǎn)位移為d,正向力計(jì)算公式:式中F——正向力w——端子材料寬度產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),端子的t、E跟材料有關(guān)、固定不變,位移量d根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用要求不能改變,只能通過(guò)改變端子寬度w與懸臂長(zhǎng)度l來(lái)調(diào)整正向力F的大小。端子在正向力的作用下發(fā)生彈性變形,會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和剪切應(yīng)力。彈性端子能否正常工作取決于內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度。內(nèi)應(yīng)力計(jì)算公式:式中σmax——端子最大內(nèi)應(yīng)力若端子所受內(nèi)應(yīng)力超過(guò)其材料許用應(yīng)力,端子將發(fā)生降服,應(yīng)力集中處發(fā)生塑性變形,端子永久變形導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。在d一定的條件下,通過(guò)改變懸臂長(zhǎng)度l降低端子內(nèi)應(yīng)力σ。綜上所述,端子正向力對(duì)連接器的多項(xiàng)性能產(chǎn)生影響,利弊參半,而端子結(jié)構(gòu)形狀決定正向力、內(nèi)應(yīng)力大小,因此設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考慮產(chǎn)品性能,模擬分析正向力值,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。3電纜監(jiān)控系統(tǒng)及電纜模擬模型的建立某款連接器三維模型如圖2所示。產(chǎn)品用于電池連接,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由一個(gè)塑膠本體和4根彈性端子組成。連接電池時(shí)端子頭部受壓縮,應(yīng)變—載荷關(guān)系要求苛刻。如圖3所示,裝上電池后,端子頭部最大壓縮量為1.37mm,施加的正向力不得超過(guò)140g(為了與FEA模擬軟件及測(cè)試儀器單位統(tǒng)一,本文中力的單位全部采用克)。為了監(jiān)控端子彈性變形,保證連接器各項(xiàng)機(jī)械、電器性能可靠,且產(chǎn)品能經(jīng)受住5,000次循環(huán)插拔不失效,施加的載荷與端子變形關(guān)系需滿足表1的要求。因此產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期需導(dǎo)入CAE對(duì)端子模型進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析,作為端子設(shè)計(jì)的理論依據(jù),并可以減少后期實(shí)物試配造成時(shí)間浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。端子材料為鈹銅,牌號(hào)C17200TM06,料厚0.15mm,機(jī)械性能如表2所示。端子與電池的接觸區(qū)表面均鍍致密性金屬金,鍍金面的摩擦系數(shù)與端子材料、底層鍍材、鍍層厚度、正向力大小等有關(guān),約為0.15~0.30,取中值摩擦系數(shù)0.23對(duì)此端子進(jìn)行CAE分析更接近實(shí)際情況。3.1電池有限元模型建立將端子三維設(shè)計(jì)模型保存為iges格式,導(dǎo)入CAE前處理軟件HyperMesh中,劃分接觸表面網(wǎng)格,如圖4所示。為了提高數(shù)值分析計(jì)算的精確性,并平衡計(jì)算工作量,選用四邊形網(wǎng)格,元素大小定義為0.08。根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的真實(shí)物理環(huán)境,在HyperMesh中分別定義端子、電池有限元模型的類別以及約束力、載荷力、卸載力的方向及端子頭部彈性變形位移距離,設(shè)置好有限元模型的接觸關(guān)系并保存文件。輸出為in2格式文件,導(dǎo)入CAE分析軟件ABAQUS中,在ABAQUS軟件里定義好端子材料的各項(xiàng)屬性,然后開(kāi)始進(jìn)行分析運(yùn)算。將ABAQUS運(yùn)算返回的結(jié)果res格式文件導(dǎo)入HyperMesh軟件進(jìn)行后處理。圖5為端子彈性變形與正向力的關(guān)系曲線圖,端子在三處指定變形位置所承受的正向載荷如表3所示,滿足初始設(shè)計(jì)要求。圖6為端子被壓縮1.37mm時(shí)的應(yīng)力云圖,最大內(nèi)應(yīng)力值為954MPa,位于懸臂梁的180°折彎根部,距離端子頭部受力點(diǎn)最遠(yuǎn),且沒(méi)有超過(guò)端子材料的屈服強(qiáng)度,依據(jù)同類產(chǎn)品測(cè)試經(jīng)驗(yàn),端子可以經(jīng)受10,000次以內(nèi)的插拔。若要精確的插拔次數(shù),還需進(jìn)行疲勞分析計(jì)算。因此,根據(jù)CAE的模擬分析結(jié)果,端子設(shè)計(jì)滿足連接器性能需求,可以依此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)沖壓模具,符合產(chǎn)品應(yīng)用要求。3.2模擬結(jié)果分析連接器實(shí)物樣機(jī)制造完畢,需測(cè)試驗(yàn)證各項(xiàng)性能是否滿足初始設(shè)計(jì)要求。圖7所示為端子實(shí)測(cè)彈性變形與施加的載荷曲線圖,根據(jù)實(shí)測(cè)曲線,端子頭部偏移到指定位置時(shí)施加的載荷如表4所示,實(shí)測(cè)值均大于設(shè)計(jì)值,超出產(chǎn)品要求范圍。疲勞測(cè)試時(shí)端子插拔500次即發(fā)生降服、塑性變形,卸載后端子頭部無(wú)法回復(fù)原位,圖8中A點(diǎn)折彎插拔800次左右發(fā)生斷裂,遠(yuǎn)低于5,000次壽命需求。根據(jù)式(6),若其他參數(shù)不變,若端子懸臂l變短會(huì)引起載荷值F增大。實(shí)測(cè)端子正向力偏大,應(yīng)是懸臂梁變短,分析圖8端子結(jié)構(gòu),初步斷定為懸臂梁固定端從B點(diǎn)前移到A點(diǎn)導(dǎo)致長(zhǎng)度變短。根據(jù)式7,端子懸臂l變短,內(nèi)應(yīng)力增大,疲勞測(cè)試時(shí)A處折彎發(fā)生斷裂證明此處端子內(nèi)應(yīng)力最大。根據(jù)端子結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì),建立力學(xué)模型,應(yīng)是端子懸臂A點(diǎn)比B點(diǎn)位置高,導(dǎo)致懸臂梁固定端點(diǎn)從B移到A。重新檢查沖壓端子零件,經(jīng)量測(cè),A點(diǎn)比B點(diǎn)高0.12mm,如圖8所示。端子懸臂上翹導(dǎo)致壓縮過(guò)程中,A處彎曲變形優(yōu)先于B處,懸臂梁的理論固定端點(diǎn)從B點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A點(diǎn),懸臂長(zhǎng)度縮短,導(dǎo)致端子正向力實(shí)測(cè)值超于理論值。根據(jù)端子實(shí)際形狀,建立3D模型,進(jìn)行CAE模擬分析。應(yīng)變—載荷曲線如圖9所示,接近實(shí)測(cè)值。圖10為模擬端子實(shí)物壓縮后的應(yīng)力云圖,最大值969MPa,位于端子A處折彎。觀察端子在Hypermesh軟件里運(yùn)動(dòng)過(guò)程的應(yīng)力與變形,A處內(nèi)應(yīng)力一直最大,端子頭部到A處之間的懸臂變形最劇烈,因此懸臂梁的固定端可以假定在A處。懸臂長(zhǎng)度l縮短且應(yīng)力變大,因此端子多次插拔容易在A處降服,CAE分析與實(shí)測(cè)互相得到驗(yàn)證。3.3懸臂梁兩端孔口的cae分析經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,端子失效與懸臂梁的形狀有關(guān),左端點(diǎn)A不能高于右端點(diǎn)B,確保B處優(yōu)先彈性變形。據(jù)此重新修理調(diào)試端子連續(xù)沖壓模具。B處折彎結(jié)束,增加一調(diào)整工位,調(diào)整B處折彎角度>180°,確保A點(diǎn)比B點(diǎn)低0.10mm,如圖11所示。建立力學(xué)分析模型,電池插入端子頭部受壓縮,懸臂梁端點(diǎn)B處內(nèi)應(yīng)力最大,B處圓弧產(chǎn)生彈性變形,端子頭部與A、B段懸臂梁繞圓弧B的圓心旋轉(zhuǎn),彈性變形范圍廣。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的端子形狀,重新建立FEA模型進(jìn)行CAE分析。圖12為Abaqus軟件分析的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)HyperMesh處理得到的變形—載荷關(guān)系曲線。端子在三處指定變形位置載荷如表5所示,均在規(guī)格內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。圖13為端子應(yīng)力云圖,內(nèi)應(yīng)力最大值962MPa,位于懸臂梁端點(diǎn)B,距離端子頭部受力點(diǎn)最遠(yuǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后,端子彈性變形主要在B點(diǎn)處,應(yīng)力區(qū)域集中;而初始設(shè)計(jì)懸臂端點(diǎn)A、B等高,頭部受壓時(shí)端子變形區(qū)域大,內(nèi)應(yīng)力分散。雖然優(yōu)化后端子內(nèi)應(yīng)力最大值略高于初始設(shè)計(jì),但優(yōu)化后端子沖壓易于模具調(diào)試,端子測(cè)試彈性變形趨勢(shì)更強(qiáng)?；贑AE的分析結(jié)果,端子優(yōu)化后滿足設(shè)計(jì)要求。重新測(cè)試優(yōu)化后的連接器產(chǎn)品,端子正向力、疲勞壽命測(cè)試均吻合CAE模擬分析結(jié)果,滿足連接器產(chǎn)品性能要求。4設(shè)計(jì)優(yōu)化、模具調(diào)試方向,降低制造費(fèi)用以連接器的端子為研究對(duì)象,對(duì)其應(yīng)變—正向力進(jìn)行數(shù)值