電連接器接觸件應力場的數(shù)值分析與試驗驗證

駱燕燕， 楊靜宇， 劉昕偉， 李曉寧

(1. 河北工業(yè)大學 電氣工程學院，電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130;2. 北京交通大學海濱學院 機械與電氣工程學院， 河北 黃驊 061199;3. 中鐵電氣工業(yè)有限公司， 河北 保定 071051)

電連接器接觸件應力場的數(shù)值分析與試驗驗證

駱燕燕1， 楊靜宇1， 劉昕偉2， 李曉寧3

(1. 河北工業(yè)大學 電氣工程學院，電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130;2. 北京交通大學海濱學院 機械與電氣工程學院， 河北 黃驊 061199;3. 中鐵電氣工業(yè)有限公司， 河北 保定 071051)

利用ANSYS對某型號電連接器接觸件應力場進行分析，以尋找應力變化規(guī)律.對接觸件應力場分布特點、插孔形變、接觸壓力隨溫度升高的變化規(guī)律進行了仿真研究，并進行數(shù)據(jù)分析與接觸壓力的試驗驗證.結果表明：隨著溫度升高，插孔最大形變量增加，最大接觸壓力和接觸壓力區(qū)域都有所減少；尺寸較小的接觸件插孔槽縫底部最大等效應力隨溫度升高增幅較大，交變載荷作用時易出現(xiàn)疲勞、破裂等，屬產品失效薄弱點.通過分析得知最大等效應力值隨溫度上升而變化的趨勢取決于溫度軟化效應和熱應力增強作用的綜合結果；仿真結果能較好地反映電連接器的工作應力狀態(tài)，接觸壓力試驗驗證了有限元仿真方法的可行性.

電連接器; 接觸件; 應力場; 形變; 接觸壓力; 有限元分析

電連接器是重要的機電元件之一，用于電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設備之間的電連接.電連接器廣泛應用于電子通訊、航空航天、艦船兵器等領域，其工作可靠性會對電子與電氣設備的性能產生直接影響[1].

電連接器的可靠接觸是依靠接觸件(插針與插孔)插合時，插孔簧片結構發(fā)生彈性形變而產生穩(wěn)定的接觸壓力來實現(xiàn)的.插孔為彈性元件，因受外在約束或各部分之間的相互約束，溫度改變時其膨脹或收縮受阻而不能自由發(fā)生，從而產生內部應力，即溫度應力.當溫度改變足夠大時，溫度應力引發(fā)的收縮不一致可能會導致結構疲勞或開裂，危及結構的安全；或者產生應力松弛現(xiàn)象而造成接觸壓力減小、接觸電阻增大、電接觸可靠性降低.因此，接觸件應力場分析對產品工作性能蛻變規(guī)律研究以及產品可靠性設計均有重要的意義[2-4].

目前，關于產品應力場的分析以仿真研究為主，應力測試僅局限于產品元件的材料.如：朱永慶等對繼電器接觸簧片材料進行了加速應力松弛試驗，為繼電器的可靠性設計提供必要的依據(jù)[5]；樊薇薇等通過仿真研究了航天電磁繼電器各簧片靜態(tài)結構應力分布，分析了接觸力作用點、簧片尺寸、倒角大小對應力值的影響規(guī)律并提出相應優(yōu)化建議[6]；李東遠建立了繼電器復合觸頭的熱應力場模型，研究了不同銀金屬氧化物層的厚度以及不同負載條件下，復合觸頭在電壽命試驗中的溫度場、熱應力場的變化規(guī)律[7]；Beloufa和Santosh等通過有限元仿真與試驗相結合的方法，研究了溫度、機械應力以及接觸表面粗糙度對連接器接觸電阻的影響[8-9]；潘駿、任萬濱和Horn等研究了插拔過程中電連接器接觸件的接觸壓力、插拔力、應力分布以及插拔力與接觸電阻的關系[10-12]；雒悅豪等對連接器在升溫過程中的熱-結構耦合效應進行了分析[13].

本文主要研究電連接器接觸件工作狀態(tài)下的形變、接觸壓力及應力場的分布特點，探尋引發(fā)產品接觸失效的薄弱點.

1 接觸件應力場有限元分析

1.1 有限元模型的生成

1.1.1 建立實體模型

電連接器接觸件由插針與插孔組成，如圖1所示.本文選用的某型號電連接器產品的插孔為四開槽結構，并有多種型譜，其接觸件尺寸如表1所示.

圖1 電連接器的插針和插孔Fig.1 Pins and jacks of electrical connector

Table 1 Main technical parameters of a certain type of electrical connector

芯數(shù)額定電流與電壓接觸阻抗/mΩ接觸件孔徑?/mm2P,3P,4P15A,250V103.455P,6P12A,250V102.957P10A,250V102.458P7A,150V102.00

1.1.2 定義材料力學性能參數(shù)

模型中設置的材料屬性參數(shù)如表2所示.

表2 電連接器接觸件的材料屬性

Table 2 Material properties of electrical connector contacts

部件名稱插針插孔材料成分黃銅錫青銅電阻率R/(Ω·m)7.1×10-88×10-8熱導率K/(W/(m2·℃))108.983.7彈性模量/GPa97103泊松比0.3240.3線膨脹系數(shù)α/(10-6/℃)16.817.9

本文對模型進行穩(wěn)態(tài)分析時，未考慮熱分析單元的比熱容和密度.此外，對流、熱流率、輻射作為面載荷施加在單元的表面上.

1.1.3 網格劃分

鑒于電連接器接觸件長期承受熱與力的雙重作用，需作熱-結構分析，同時涉及接觸和大變形問題，因此，選用SOLID98(四面體耦合場實體單元)作為研究單元.對仿真研究而言，有限元網格劃分越密，計算精度越高，對計算機內存要求也越高，為解決計算精度與計算速度的矛盾，選用自由網格劃分方式生成插針和插孔的網格，并利用智能劃分工具中手動設置功能控制網格的大小和疏密.此外，插孔網格比插針網格要細密些，插孔端部及槽根部網格比其他部位要細密.接觸件有限元網格劃分如圖2所示.

圖2 接觸件有限元網格模型Fig.2 Finite element mesh model of contacts

1.2 分析求解

電連接器的接觸是一種高度非線性行為，通過利用ANSYS接觸分析模塊，選定面-面接觸方式，并定義插針的內表面為目標面，插孔的外表面為接觸面.求解過程用加強拉格朗日算法，其中法向剛度因子(FKN)設置為0.1，以避免因迭代次數(shù)過多造成計算結果不收斂等問題.

對電連接器插針和插孔施加z軸方向固定約束，限制插針和插孔的軸向移動.求解時，指定分析類型為靜力分析，分析選項定義為大形變(large displacement static)[14].

2 仿真結果分析

電連接器因接觸件數(shù)目的不同而有多種孔位排列形式.不同孔位排列的電連接器按接觸件的尺寸及額定電流(如表1所示)可分為4種類型：Ⅰ類,包括2～4針(2P,3P,4P)連接器；Ⅱ類,包括5～6針(5P,6P)連接器；Ⅲ類,為7針(7P)連接器；Ⅳ類,為8針(8P)連接器.本文分別分析了不同環(huán)境溫度條件下，不同孔位分布的電連接器接觸件的應力場.

2.1 非工作狀態(tài)電連接器接觸件應力場仿真分析

接觸件尺寸不同，其設計的特性參數(shù)也不同，圖3所示為常溫(20 ℃)非通電狀態(tài)下3針電連接器接觸件的形變、接觸壓力以及應力分布云圖.

圖3 常溫(20 ℃)非通電狀態(tài)下的3針電連接器接觸件仿真分析云圖Fig.3 Simulation cloud chart of 3-pin electrical connector contacts under non-energized state at 20 ℃

由圖3可知，在常溫(20 ℃)未通電狀態(tài)下，接觸件插合時會迫使插孔變形，造成插孔簧片沿徑向擴張.插孔簧片的最大位移產生在插孔端部，為0.096 736 mm，且形變量沿軸向逐漸減小，直到距插孔簧片底部約1 mm處減小為0.由插孔形變產生的接觸件間的接觸壓力的分布較為集中，分別為4個插孔簧片端部與插針間“過盈”接觸區(qū)域，且實際接觸面積較小，最大接觸壓力為3.25 N.電連接器接觸件應力分布特點如下：1)插孔的等效應力高，最高值可達到381.478 MPa，插針的等效應力極低，近似為0；2)插孔的應力分布呈軸對稱分布，且分布區(qū)域呈“雙芯火焰”狀；3)從插孔外側看，每個接觸簧片上的應力分布以其中線為對稱軸，在插孔槽縫底部應力值最高，這是由于簧片根部受約束而導致應力集中，之后應力沿軸向向插孔端部擴展并呈逐漸減小的趨勢，在距端部約3 mm處變?yōu)?；4)插孔內側應力分布以插孔槽縫為對稱軸，在槽縫底部處應力分布較為集中，應力沿槽縫向插孔端部擴展，逐漸減小至0；5)插孔槽縫底部靠近內側接觸面處的應力最大，這是因為簧片的瓦片狀結構使槽縫處更容易出現(xiàn)變形，同時原本應分布在槽縫部位的應力被迫分布到槽縫周圍，從而使得越靠近槽縫的部位，分得的應力就越多，造成了應力集中.

在常溫非通電狀態(tài)下，不同孔位分布的電連接器接觸件的應力場分布規(guī)律類同，相應的對比分析結果見表3.

表3 常溫(20 ℃)非通電狀態(tài)下不同孔位分布電連接器接觸件的仿真結果對比

Table 3 Comparison of simulation results of electrical connector contacts in different hole array positions under non-energized state at 20 ℃

孔位分布類型插孔最大變形量/mm最大接觸壓力/N最大等效應力/MPaⅠ類(2P,3P,4P)0.0967363.25381.478Ⅱ類(5P,6P)0.0870562.766295.842Ⅲ類(7P)0.0870802.614154.132Ⅳ類(8P)0.0462392.413181.853

由表1和表3可知，Ⅰ類到Ⅳ類接觸件，其直徑依次略有減小，而電連接器單個接觸件的插孔形變以及非通電狀態(tài)下初始接觸壓力也相應減小.由此可見，接觸件初始接觸壓力值與其結構參數(shù)密切相關.

2.2 不同環(huán)境溫度工作狀態(tài)下3針電連接器接觸件應力場分布特點

電連接器的工作環(huán)境溫度范圍一般為-40～100 ℃.為了分析高溫環(huán)境對電連接器接觸件應力場的影響，根據(jù)電連接器使用標準，分別選取55，70，85，105，125 ℃進行仿真[15]，圖4所示為環(huán)境溫度為55 ℃時工作狀態(tài)下3針電連接器接觸件形變與接觸壓力及應力分布云圖.

圖4 環(huán)境溫度為55 ℃時工作狀態(tài)下的3針電連接器接觸件的仿真分析云圖Fig.4 Simulation cloud chart of 3-pin electrical connector contacts under energized state at 55 ℃

由圖4可知，當電連接器通電工作，環(huán)境溫度升高后，插孔最大形變增加，最大接觸壓力值和最大接觸壓力區(qū)域都有所減小，應力分布范圍增大，不僅每個接觸簧片上的應力區(qū)域略有擴展，槽縫以下插孔根部也出現(xiàn)了應力，這是由于電連接器通電發(fā)熱以及環(huán)境溫度的綜合作用產生了熱應力[16-17].此外，插孔最大等效應力的發(fā)生位置由插孔槽縫底部內側角向外側轉移，這說明應力分布范圍及應力集中現(xiàn)象在孔壁方向上亦有擴展傾向.由此可見，工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)相比，接觸件應力場的分布規(guī)律雖大致相同，但對連接器接觸特性參數(shù)的影響卻較為明顯.

不同環(huán)境溫度下，3針電連接器接觸件工作應力場分析結果如表4所示.

表4 不同環(huán)境溫度下3針電連接器接觸件工作應力場仿真結果

Table 4 Stress field of 3-pin electrical connector contacts at different ambient temperature

環(huán)境溫度/℃插孔最大形變/mm最大接觸壓力/N最大等效應力/MPa550.0973172.81367.646700.0974762.707447.174850.0977322.582548.4751050.0981812.445687.4751250.0986812.296834.092

由表4可見：1)高溫環(huán)境條件下，熱膨脹效應令插孔簧片擴張，但因插孔簧片根部受約束，接觸件插孔的形變量均由端部向根部呈帶狀遞減趨勢；2)隨著環(huán)境溫度升高，接觸件插孔端部最大形變量逐漸增大，插針插孔間的接觸壓力逐漸減小，接觸壓力是保證電連接器可靠接觸的重要參數(shù)，接觸壓力的減小勢必導致接觸電阻增大，長期處于工作狀態(tài)下，應力松弛和蠕變還會導致接觸壓力進一步減小，從而引起接觸性能的退化.當接觸電阻超過一定限度時，即會造成電連接器接觸失效[8，18-19]；3)隨著環(huán)境溫度升高，插孔簧片上各處的等效應力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，這是因為隨著溫度不斷上升，插孔熱膨脹加劇，而簧片根部受約束，導致熱應力的影響加劇，應力集中現(xiàn)象越發(fā)嚴重.

2.3 不同孔位分布的電連接器接觸件工作應力場分布情況

表5所示為環(huán)境溫度為55 ℃時的工作狀態(tài)下，不同孔位分布的電連接器接觸件應力場仿真分析對比.其中I類電連接器額定電壓/電流相同，接觸體孔徑也相同，但孔位分布不同，4針連接器的接觸件比其他兩種(2針、3針)更加靠近外殼，散熱相對較多，從而產生溫度比其他兩種略低的現(xiàn)象，所以Ⅰ類(2～4針)連接器的插孔形變、接觸壓力及等效應力略有不同；Ⅱ類中6針連接器的接觸件分為中心接觸件和外圍接觸件，中心接觸件散熱相對不利，所以其溫度稍高于外圍接觸件，因此中心接觸件插孔變形稍大，接觸壓力較小，等效應力較大.

由此可見，即使是同一類連接器，接觸件尺寸相同，孔位分布不同，溫度場分布也不同，不同位置的接觸件的工作狀態(tài)亦不盡相同.

與常溫(20 ℃)非工作狀態(tài)相比，環(huán)境溫度為55 ℃時工作狀態(tài)下不同孔位分布的電連接器接觸件形變、接觸壓力等參數(shù)的變化如圖5所示.

表5 環(huán)境溫度為55 ℃時工作狀態(tài)下電連接器接觸件工作應力場仿真結果

Table 5 Stress field of electrical connector contacts under energized state at 55 ℃

孔位分布類型接觸件位置插孔形變/mm接觸壓力/N等效應力/MPaⅠ類2P0.0973642.776393.4483P0.0973172.810367.6464P0.0972482.868326.258Ⅱ類5P0.0875662.233325.1306P中心0.0875542.336319.594外圍0.0875492.356317.255Ⅲ類7P中心0.0883072.334369.822外圍0.0870142.354368.495Ⅳ類8P中心0.0468122.086336.978外圍0.0468022.106328.281

圖5 環(huán)境溫度為55 ℃時工作狀態(tài)下不同孔位分布接觸件部分參數(shù)的絕對變化量Fig.5 The absolute variation of parameters for contacts in different hole array positions under energized state at 55 ℃

由圖5可知，與常溫(20 ℃)非工作狀態(tài)相比，環(huán)境溫度為55 ℃時工作狀態(tài)下，3針連接器等效應力為367.646 MPa，比常溫時略低，其主要原因是由常溫非通電狀態(tài)變?yōu)?5 ℃工作狀態(tài)時，溫度對材料的軟化效應占據(jù)主導，彈性模量隨溫度的上升而降低，使其等效應力值減小[20-21]；之后環(huán)境溫度繼續(xù)上升時等效應力呈增大趨勢(見表4)，這說明熱應力效應變?yōu)橹鲗?因此，簧片根部產生的等效應力是溫度軟化效應與熱應力增強作用的綜合表現(xiàn).

此外，值得關注的是Ⅲ類、Ⅳ類(接觸件尺寸較小)的最大等效應力增幅非常明顯，而依據(jù)理論力學可知，交變應力下構件的強度遠小于靜載荷作用時，因此相同工況條件下，Ⅲ類、Ⅳ類連接器更容易出現(xiàn)故障，是產品失效的薄弱點.

3 仿真結果的驗證與分析

3.1 接觸壓力的驗證試驗

利用自行設計的超聲波電連接器接觸壓力測試電路進行驗證測試，測試電路的原理框圖如圖6所示[22].

圖6 超聲波電連接器接觸壓力測試電路原理圖Fig.6 Schematic of contact pressure testing of electrical connector by using ultrasonic

在測試過程中，單片機控制尖脈沖驅動電路輸出驅動信號，激發(fā)超聲波信號發(fā)生器產生超聲波信號，超聲波信號經電連接器接觸件返回后由接收器接收并轉換為便于處理的電信號，最后通過示波器顯示測試結果.

依據(jù)聲彈性理論，由插針插孔插合前后測得的超聲波縱波傳播時間差可計算出接觸應力值，為

(1)

式中：t0為插針未插入時超聲波縱波的傳播時間，s；Δt為插針插入插孔前后檢測得到的超聲波縱波傳播時間差值，s；k為電連接器彈性常數(shù)；σ為接觸應力，MPa.

插孔單個接觸片可簡化為直接受力的懸臂梁結構，接觸應力與接觸壓力間的關系為

(2)

式中：L為插孔簧片長度，mm；H為插孔壁厚，mm；W為插孔簧片寬度，mm.

表6為接觸壓力仿真結果與測試數(shù)據(jù)的對比.

表6 接觸壓力仿真結果與試驗數(shù)據(jù)比較

Table 6 Comparison between simulation results and experimental datas of contact force

孔位分布類型接觸壓力仿真值/N接觸壓力試驗值/N誤差/%Ⅰ類(2P,3P,4P)3.2503.1503.17Ⅱ類(5P,6P)2.7662.6305.17Ⅲ類(7P)2.6142.6200.23Ⅳ類(8P)2.4132.3602.25

由表6可知，仿真結果與實測數(shù)據(jù)間最大誤差為5.17%，最小誤差為0.23% .在仿真和試驗過程中通常都會存在誤差，例如:在定義給接觸件實體模型賦材料屬性時，假定彈性模量、泊松比和熱傳導系數(shù)等都是恒定的,而實際上彈性模量、泊松比和熱傳導系數(shù)等都是物質的固有屬性，它們會隨著溫度變化而改變[21];試驗驗證時周圍環(huán)境條件差異也會導致測量誤差的產生，但兩者數(shù)據(jù)相近，說明仿真結果可較好地反映電連接器的工作應力狀態(tài).

3.2 理論分析

電連接器接觸件插合后，插孔的單個接觸片可簡化為直接受力的懸臂梁結構，其簡易模型如圖7所示.

圖7 連接器插孔簧片的簡易懸臂梁模型Fig.7 A cantilever beam simple model of connector jack reed

插孔與插針間的接觸壓力與插孔端部的形變量間的關系為

(3)

式中：F為插孔發(fā)生變形后對插針產生的接觸壓力，N；E為插孔材料的彈性模量，MPa；δ為撓度即插孔端部形變量，mm；Ix為插孔截面關于中層軸x的慣性矩，mm4；L為插孔接觸簧片長度，mm.

由公式(3)可知，接觸壓力F與插孔材料的彈性模量E、撓度δ、插孔接觸片長度L、插孔截面關于中層軸x的慣性矩Ix等參數(shù)有關.當溫度升高時，原子間熱振動加劇，引起晶格和勢能曲線曲率的變化，彈性模量和接觸壓力將減小.插孔為彈性體，溫度升高時，插孔首先會發(fā)生彈性變形，在長期作用下，插孔的變形會逐漸由彈性變形轉化為塑性變形，最終導致插孔端部縮口尺寸增大.電連接器的插孔接觸件采用開槽結構，其端部縮口尺寸增大直接導致接觸簧片撓度δ減小，從而使接觸壓力值降低、接觸電阻增大、接觸性能退化.與應力集中相比，這種性能退化是一種緩慢的過程，但一經發(fā)生也是極為嚴重且無可扭轉的.

4 結 論

利用有限元分析的方法對某型號圓形電連接器的接觸件進行應力場分析發(fā)現(xiàn)：

1)電連接器接觸件插合時插孔簧片會產生形變，并產生接觸壓力和應力，電連接器接觸件在不同環(huán)境溫度下以及不同孔位分布時應力分布情況基本相同，插孔簧片等效應力大致分為3個區(qū)域：應力集中區(qū)、應力梯度區(qū)和零應力區(qū).

2)隨著環(huán)境溫度的升高，插孔形變增加，最大接觸壓力值和最大接觸壓力區(qū)域都有所減??；最大應力值升高，應力分布范圍也增大，最大等效應力的發(fā)生位置由插孔槽縫底內側角向外側轉移，應力集中現(xiàn)象更加嚴重.

3)隨溫度升高，尺寸較小的接觸件插孔槽縫底部最大等效應力增幅較大，交變載荷作用時易出現(xiàn)疲勞、破裂等問題，屬產品失效薄弱點.如何從設計角度如改變槽縫幾何形狀等來減弱應力集中的危害，仍有待進一步深入研究.

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Numerical analysis and experimental verification on stress field of electrical connector contact

LUO Yan-yan1， YANG Jing-yu1， LIU Xin-wei2， LI Xiao-ning3

(1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability， School of Electrical Engineer，Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;2. Mechanical and Electrical Engineering College， Beijing Jiaotong University Haibin College， Huanghua 061199， China;3. China Railway Electric Industries Co.，Ltd.， Baoding 071051， China)

The stress analysis of contact stress field for a certain type of electrical connectors was carried out to find the law of stress change by using ANSYS. The numerical analysis was performed, which mainly included the stress field distribution，deformation of jacks and the change of contact force between pins and jacks with the temperature increase. Finally the experimental verification and the data analysis were done. The results showed that as the temperature increased，the maximum deformation increased，the maximum contact force and the contact areas were reduced. For small size jacks，the maximum equivalent stress at the slot bottom increased considerably with temperature rising，thus the phenomenon of fatigue or rupture was likely to occur under the alternating load conditions. Through the analysis， it is known that the change of the maximum equivalent stress is determined by the combined results of temperature softening effect and thermal stress enhancement. The feasibility of the proposed method is verified by contact pressure test， and it is a better method to study the working stress of electrical connectors．

electrical connector; contact; stress field; deformation; contact force; finite element analysis

2016-05-03.

本刊網址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

國家自然科學基金資助項目(51107028， 51171056)；河北省高等學校創(chuàng)新團隊領軍人才培育計劃項目(LJRC003).

駱燕燕(1971—)，女，天津人，教授，博士生導師，博士，從事電器可靠性研究，E-mail:luoyy@hebut.edu.cn. http://orcid.org//0000-0002-0847-2139

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.06.007

TB 114.3; TM 503.5; TP 391.9

A

1006-754X(2016)06-0564-07