2018, Vol. 39
2. 沈阳兴华航空电器有限责任公司, 辽宁 沈阳 110144
2. Shenyang Xinghua Aviation Electric Appliance Co., Ltd., Shenyang 110144, China
电连接器是飞机、导弹、舰艇等系统中用量最多的电子元器件之一, 其可靠性关系到整个武器系统的可靠性, 而接触失效是电连接器的主要失效形式, 约占失效总数的45.1%[1-2], 因此对其接触性能的研究是分析其失效原因的一个重要环节.Amine[3]利用有限元软件对不同结构参数的接触件进行了模拟仿真分析, 并将分析结果与试验结果进行了对比.Duan等[4]利用有限元软件对不同接触应力收缩范围内接触电阻进行了模拟仿真分析, 得出在同一个接触应力收缩范围内, 接触电阻变化很小的结论.Li等[5]对电连接器在不同摩擦系数下的插入力进行了研究和接触可靠性分析, 给出了提高电连接器可靠性的措施; 文献[6-7]利用有限元软件模拟了轴向微动引起的电连接器微动腐蚀条件下的接触性能, 对其进行了实验验证.Song等[8]对电连接器触头进行不同纳米电镀情况下的接触性能分析, 并进行了实验验证.Liao等[9]对激光焊接在电连接器上的应用进行了相关讨论.Li等[10]利用ANSYS参数化设计模块提出了一种接触性能模拟分析的新方法.相关学者从实验角度研究了类似部件的接触性能与疲劳寿命可靠性的关系[11-13].本文针对不同结构参数接触件的接触性能仿真结果, 从理论上得到了插孔端部缩孔的最佳收口尺寸; 运用模糊综合评价方法, 得出了插孔结构尺寸的最优参数, 为电连接器接触件结构和制造工艺的改进提供了理论依据.
1 接触件插拔力的理论计算在插针插入插孔过程中, 插孔簧片的弹性变形产生了接触件间的接触压力.若将插孔简化成悬臂梁结构, 则其接触压力的大小为
|
(1) |
式中:E表示插孔材料的杨氏模量; δ表示插孔端部的挠度; Ix表示插孔截面对于中性轴x的惯性矩; L表示插孔簧片的长度.
接触件接触面之间的摩擦力Ft和法向接触压力Fn之间的关系为Ft=μFn, μ表示摩擦因数.插针插入插孔过程中, 插孔受力情况如图 1所示, 在y轴上插孔受力平衡, 即F+Fncosα=Ftsinα , 由此可得
|
(2) |
|
图 1 插孔受力分析 Fig.1 Force analysis of socket |
令插针端部球体半径为r1, 插孔端部倒角半径为r2.当插针的端部完全插入插孔后, 压力角设为α0, 则
|
(3) |
当插针插入量为s时,
|
(4) |
解得
|
(5) |
由式(3)和式(5)得, 当插入量为s时, 插孔端部产生的挠度为
|
(6) |
则接触件间的摩擦力为
|
(7) |
基于SOLIDWORKS软件, 建立电连接器插针与插孔三维参数化模型如图 2所示, 插孔端部缩孔精确建模局部放大如图 3所示.将接触件三维模型导入ABAQUS软件中, 进行有限元分析.
|
图 2 插针与插孔接触的完整模型 Fig.2 Complete model of pin and socket contact |
|
图 3 插孔端部的放大模型 Fig.3 Enlarged model of the end of the socket |
国军标规定:插孔与直径为0.749 mm的量规之间的插拔力应大于0.4 N; 插孔与直径为0.775 mm的量规之间的插拔力应小于1.4 N.将接触件三维模型导入ABAQUS软件中, 根据电连接器接触件的材料特性, 设置插针与插孔的弹性模量和泊松比等参数.利用ABAQUS计算了端部收口尺寸为0.72, 0.70, 0.68, 0.66, 0.64 mm的插孔与直径为0.749, 0.775 mm的标准量规之间的插拔力见表 1.由表 1可知端部收口量为0.66, 0.64 mm的插孔与标准量规之间的插拔力的大小满足国军标要求.综合考虑插孔簧片根部受力状况, 最终确定插孔端部的收口量为0.66 mm.
|
表 1 不同收口量的插孔与标准量规之间的插拔力 Table 1 Insertion force between different closing amount of socket and the standard pin |
最后, 利用ABAQUS软件完成了直径为0.762 mm的插针插入端部收口量为0.66 mm插孔的虚拟仿真, 计算了插拔力随着插入量的变化, 如图 4所示.
|
图 4 收口量为0.66 mm的插孔与0.762 mm插针的插拔力 Fig.4 Insertion force between the socket of 0.66 mm and pin of 0.762 mm |
电连接器插针端部逐渐插入插孔的过程中, 插孔簧片根部的弯曲应力在逐渐变大, 插针和插孔接触位置的接触应力也在逐渐变大.如图 5所示, 插针端部完全插入插孔时, 最大应力出现在插针和插孔接触的位置, 大小为662.3 MPa, 这也是整个插拔过程中的最大接触应力.
|
图 5 插针端部完全插入插孔时的应力云图 Fig.5 Stress nephogram when the pin head is fully inserted into the socket |
当插针完全插入插孔时, 如图 6所示, 可以看出:插孔的收口量达到最大, 此时插孔簧片的弯曲程度达到最大, 最大弯曲应力出现在插孔簧片的根部, 大小为588.8 MPa.在ABAUQS设置中, 将超过材料屈服极限的部分用白色标出, 如图 7所示, 可以看出:白色部分主要集中在插孔簧片根部边缘的结构突起部分, 因此插孔簧片的根部容易发生塑性变形.
|
图 6 插针完全插入插孔时的应力云图 Fig.6 Stress nephogram when the pin is fully inserted into the socket |
|
图 7 插孔簧片根部应力云图 Fig.7 Stress nephogram of the socket reed root |
为了说明在整个插拔过程中插孔簧片根部的应力变化, 在插孔簧片根部选取应力最大的点, 并输出该点在整个仿真过程中的应力变化, 如图 8所示, 最大应力随着插针插入量而逐渐变大, 并稳定在588.837 MPa.
|
图 8 插针插孔接触位置的接触应力变化 Fig.8 Change of contact stress in the pin and socket contact position |
基于ABAQUS对插孔簧片长度、开槽宽度和端部收口量对接触件性能的影响进行了分析.应用模糊综合评价法, 考虑因素集U={U1, U2, U3}, 其中U1是以插拔力的大小满足国军标条件为准则, U2是以根部应力最小为准则, U3是以接触压强最大为准则，使其可用度最高.确定因素集U中元素的模糊集为
|
(8) |
结合经验和专家的意见, 将AU1, AU2和AU3归一化处理得到每一个影响因素的权重:WU1=0.384 6, WU2=0.307 7, WU3 =0.307 7.
3.1 插孔簧片长度对接触件的影响分析由图 9可知:随着簧片长度的增加, 接触压强、插拔力和簧片根部最大应力均减小.运用综合模糊评价法, 确定簧片长度L1=3 mm; L2=3.6 mm; L3=2.4 mm.最终可得插孔簧片的最佳长度L =3 mm.
|
图 9 插孔簧片长度对接触性能的影响 Fig.9 Effect of the socket reed length on the contact performance |
由图 10可知:随着开槽宽度的增加, 接触压强、插拔力和簧片根部最大应力均在减小.运用综合模糊评价法, 确定开槽宽度为M1=0.44 mm; M2=0.48 mm; M3=0.36 mm.最终可得插孔开槽的最佳宽度M= 0.43 mm.
|
图 10 插孔开槽宽度对接触性能的影响 Fig.10 Effect of the socket slot width on the contact performance |
由图 11可知:随着收口量的增加, 接触压强、插拔力和簧片根部最大应力都在减小.运用综合模糊评价法, 确定端部收口量N1=0.66 mm, N2=0.70 mm, N3=0.64 mm.最终可得插孔端部的最佳收口量N= 0.67 mm.
|
图 11 插孔端部收口量对接触性能的影响 Fig.11 Effect of the socket closing amount on the contact performance |
1) 以航空电连接器单对针孔接触件为研究对象, 建立了接触件间摩擦力与插针插入量之间的理论计算模型, 基于三维软件SOLIDWORKS建立参数化模型, 利用有限元软件ABAQUS仿真分析接触件插拔过程中接触应力、插孔根部弯曲应力和插拔力的变化, 建立了电连接器接触性能的仿真分析模型, 为电连接器多对针孔接触性能分析提供了借鉴和参考.
2) 基于插拔力指标, 仿真分析得到插孔端部最佳收口量为0.66 mm, 为插孔端部工艺参数的确定提供了理论支撑.
3) 以接触应力、根部弯曲应力和插拔力为接触性能的考核指标, 基于模糊综合评价法, 得出了插孔结构尺寸参数为插孔簧片长度3 mm、开槽宽度0.43 mm和插孔端部收口量0.67 mm时, 接触件接触性能最佳.
| [1] |
杨奋为.
军用电连接器的应用及发展[J]. 机电元件, 2007, 27(3): 42–49.
( Yang Fen-wei. The application and development of military electric connector[J]. Mechanical and Electronic Components, 2007, 27(3): 42–49. ) |
| [2] |
潘骏, 刘红杰, 陈文华, 等.
基于步进加速退化实验的航天电连接器接触可靠性评估[J]. 中国机械工程, 2011, 22(10): 1197–1200.
( Pan Jun, Liu Hong-jie, Chen Wen-hua, et al. Contact reliability assessment of aerospace electrical connector based on step-up-stress accelerated degradation testing[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2011, 22(10): 1197–1200. ) |
| [3] |
Amine B.
Numerical and experimental optimization of mechanical stress, contact temperature and electrical contact resistance of power automotive connector[J]. International Journal of Mechanics and Materials in Design, 2010, 4(4): 94–104.
|
| [4] |
Duan K, Zhu F, Li Y, et al. Contact resistance investigation of electrical connector with different shrink range[C] //The 15th International Conference on Electronic Packaging Technology. Chengdu, 2014: 1146-1149.
|
| [5] |
Li Y, Zhu F L, Duan K, et al. Analysis of insertion force of electric connector based on FEM[C] //The 21st International Symposium on Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits. Singapore, 2014: 195-198.
|
| [6] |
Zhang F X, Flowers G T. Fretting corrosion in electric connectors, induced by axial vibration[C] //The 60th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. New Orleans, 2014: 1-8.
|
| [7] |
Yang H Y, Flowers G T.
Fretting in electrical connectors induced by axial vibration[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2015, 5(3): 328–336.
DOI:10.1109/TCPMT.2015.2400394 |
| [8] |
Song J, Koch C, Wang L L. Nanoscale particles modified gold plating for electrical contacts[C] // International Conference on Electrical Contacts. Beijing, 2012: 331-337.
|
| [9] |
Liao C F, Liu S P, Liao K C. Applications of laser welding to electric connectors[C] // International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems. Ghent, 2014: 1-6.
|
| [10] |
Li P Y, Liu Q, Hui Y, et al.
Analysis of contact performance of real machined surface based on finite element method[J]. Tribology Online, 2016, 11(1): 61–68.
DOI:10.2474/trol.11.61 |
| [11] |
陈文华, 李红石, 连文志.
航天电连接器环境综合应力加速寿命试验与统计分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2006, 40(2): 348–351.
( Chen Wen-hua, Li Hong-shi, Lian Wen-zhi. Accelerated life test and statistical analysis of aerospace electrical connectors under multiple environmental stresses[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2006, 40(2): 348–351. ) |
| [12] |
Laurvick T V, Coutu R A. Micro-contact performance and reliability under low frequency, low amplitude, alternating current (AC) test conditions[C]//The 61st IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. San Diego, 2015: 222-226.
|
| [13] |
Fu R J, Chose S Y B, Jackson R L, et al.
Vibration-induced changes in the contact resistance of high power electrical connectors for hybrid vehicles[J]. Packaging and Manufacturing Technology, 2012, 2(6): 185–193.
|