基于ABAQUS和DOE的冠簧插孔力學(xué)分析

王永安，楊建璽

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

基于ABAQUS和DOE的冠簧插孔力學(xué)分析

王永安1，2，楊建璽1

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

將ABAQUS和DOE有機結(jié)合起來，運用DOE的分組及分析數(shù)據(jù)的強大功能，確定接觸電阻試驗方案；運用ABAQUS得到冠簧的力學(xué)性能。再次使用Minitab的DOE功能，利用各因子及交互因子對冠簧的正壓力和應(yīng)力分別進行分析，得出各自的效應(yīng)圖，得到了置信區(qū)間大于95 %的正壓力和應(yīng)力的回歸方程。

ABAQUS；DOE；冠簧插孔；有限元

ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，可以進行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)分析，如應(yīng)力［1］、變形、振動沖擊、熱傳導(dǎo)、熱電耦合［2］、力電耦合分析等。在設(shè)計階段，使用ABAQUS分析產(chǎn)品可以完善設(shè)計和降低制造成本，從而提高新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，帶來可觀的經(jīng)濟效益［3］。

DOE（Design of Experiment）試驗設(shè)計，一種安排試驗和分析試驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法；試驗設(shè)計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規(guī)模（試驗次數(shù)）、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論［4］。

DOE試驗設(shè)計是一種研究與處理多因素試驗的科學(xué)方法，DOE具有優(yōu)化產(chǎn)品的過程設(shè)計、縮短設(shè)計開發(fā)周期和降低開發(fā)成本的絕對優(yōu)勢［5］。從航天業(yè)到一般生產(chǎn)制造業(yè)，DOE被廣泛應(yīng)用，但是需要做試驗的費用也相當(dāng)高。ABAQUS可以在產(chǎn)品設(shè)計階段進行分析，模擬計算產(chǎn)品的設(shè)計功能，完善產(chǎn)品設(shè)計，降低制造成本。但是，如果產(chǎn)品設(shè)計不合適，ABAQUS卻不能給出指導(dǎo)性的意見，不能使人們更快速地修整設(shè)計方案。把ABAQUS和DOE結(jié)合起來，可以更科學(xué)、快速地向正確的設(shè)計方案靠攏，而不增加試驗成本。本文將在冠簧插孔的力學(xué)分析上介紹怎樣將ABAQUS和DOE結(jié)合起來使用。

1 基于DOE的接觸電阻試驗

1.1 接觸電阻試驗方案

試驗?zāi)康模核O(shè)計的冠簧在生命周期內(nèi)都能滿足承載較大的電流且溫升較低。

由于冠簧插孔每個簧條的正壓力不容易測量得到，本文采用測量接觸電阻的方式，間接評估冠簧插孔正壓力的狀態(tài)。

按照圖1所示的方法測出電阻R1、R2和R3，壓接電阻Ra= R2-R3，接觸電阻Rb=R1-R3。

圖1 接觸電阻測量示意圖

1.2 接觸電阻試驗步驟

首先，準(zhǔn)備壓接導(dǎo)線的樣品10套。其次，按照圖1所示，測量電阻R3、R2和R1，并記錄數(shù)據(jù)。接觸電阻要求如表1所示。

表1 接觸電阻要求

1.3 確定響應(yīng)變量

冠簧需要承載較大的電流且溫升較低，在整個生命周期內(nèi)必須保證冠簧的接觸電阻較小，因此，冠簧必須有足夠的正壓力，確保單個簧條能在冠簧的整個生命周期內(nèi)都有足夠的正壓力。簧條在變形過程中的最大應(yīng)力不應(yīng)使簧條產(chǎn)生永久變形而影響冠簧的可靠性。

本次試驗的響應(yīng)變量：①單個簧條觸點正壓力不小于0.8 N［6］；②簧條上的最大應(yīng)力不應(yīng)超過720 MPa。

1.4 選擇并篩選關(guān)鍵因子

冠簧的材料確定為CuNiSi TM3 δ=0.2 mm，則關(guān)鍵因子為簧條向內(nèi)變形的高度H，單個簧條圓弧最高點到冠簧中心平面的力臂L，簧條壓縮的過贏量D（圖2，其中A點被壓縮的距離定為D），本文確定使用這3個參數(shù)作為關(guān)鍵因子。

現(xiàn)在該試驗確定了3個關(guān)鍵因子，分別為高度H、力臂L、過贏量D；3個因子全部都是數(shù)字型因子，可以為設(shè)定范圍內(nèi)的任意一個數(shù)值。試驗數(shù)據(jù)設(shè)置為兩水平試驗，根據(jù)經(jīng)驗，高度的低水平設(shè)置為0.8 mm，高水平設(shè)置為1.2 mm；力臂的低水平設(shè)置為0.9 mm，高水平設(shè)置為1.3 mm；過贏量的低水平設(shè)置為0.3 mm，高水平設(shè)置為0.5 mm。使用minitab中的DOE創(chuàng)建因子設(shè)計進行全因子的非隨機方式創(chuàng)建試驗方案，試驗順序見表2。

圖2 關(guān)鍵因子圖示

表2 試驗順序表

2 ABAQUS CAE力學(xué)分析

2.1 三維實體建模及應(yīng)力分析

本文使用專業(yè)的三維建模軟件UG來建立實體模型，通過ABAQUS軟件自帶的軟件接口，將三維模型導(dǎo)入到ABAQUS中進行有限元分析。

在對冠簧插孔分析時，在滿足計算精度要求的范圍內(nèi)，為了提高運算速度，對冠簧結(jié)構(gòu)中的元件進行了如下的適當(dāng)簡化處理：①冠簧使用2個簧條為一組進行分析；②簡化了簧條兩端的圓弧凸起；③使用平面壓縮簧條代替插針的插入；④使用平面限制簧條的下平面。經(jīng)過簡化后的三維實體模型如圖3所示。ABAQUS CAE應(yīng)力分析結(jié)果見表3。冠簧的應(yīng)力分布云圖見圖4。

圖3 簡化后的三維實體模型

表3 ABAQUS CAE應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 冠簧的應(yīng)力分布云圖

2.2 正壓力和應(yīng)力模型的建立

根據(jù)DOE功能，找出置信區(qū)間大于95 %的正壓力和應(yīng)力的回歸方程為

式中：F——正壓力；P——應(yīng)力；D——過贏量；H——高度；L——力臂。

2.3 最佳因子設(shè)定值的確定

根據(jù)表3確定的單個簧條觸點的正壓力為0.8 N，試驗中三維模型為2個簧條、4個接觸點，所以所需的正壓力應(yīng)為3.2 N；而材料CuNiSi TM3在150 ℃時的應(yīng)力緩和率為13 %，所以2個簧條所需的正壓力F為3.67 N。高度H和力臂L選擇1.2 mm和0.9 mm，根據(jù)公式（1）可以計算出壓縮距離D約為0.45 mm，根據(jù)公式（2）可以算出此時的應(yīng)力P為672.546 MPa，小于材料CuNiSi TM3的屈服強度720 MPa。所以最佳因子為：D=0.45 mm，H=1.2 mm，L=0.9 mm。

2.4 確認試驗

按照DOE的理論，需要對最佳因子進行再次確認試驗，以驗證是否能滿足需要。此次試驗是CAE分析，而且該最佳因子可以從標(biāo)準(zhǔn)序4的分析過程中看到，符合試驗?zāi)康模晕鹦柙龠M行驗證。

3 冠簧設(shè)計改進及分析

3.1 冠簧設(shè)計改進及再試驗

根據(jù)D O E、C A E分析得到的最佳因子（D=0.45 mm，H=1.2 mm，L=0.9 mm），對冠簧和插孔的方案進行改進，對修改后的產(chǎn)品再次進行接觸電阻試驗，試驗測量的壓接電阻和接觸電阻結(jié)果見表4。

表4 壓接電阻和接觸電阻數(shù)據(jù) mΩ

3.2 數(shù)據(jù)分析

由于冠簧插孔每個簧條的正壓力不容易測量得到，故而采用測量接觸電阻的方式間接評估冠簧插孔正壓力的狀態(tài)。采用數(shù)字微歐計測量冠簧插孔的壓接電阻和接觸電阻，從試驗前的壓接電阻和接觸電阻對比來看，這兩項值都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，從而反映出冠簧插孔正壓力滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

對上述產(chǎn)品又做了溫升試驗，并且在溫升后又驗證了壓接電阻和接觸電阻，都符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而證明了該方法的有效性。

把DOE試驗設(shè)計和ABAQUS CAE相結(jié)合，把DOE的分組及分析數(shù)據(jù)的強大功能應(yīng)用于ABAQUS CAE上，把2種方法的優(yōu)點集中起來，可以更科學(xué)、快速地向正確的設(shè)計方案靠攏，而不增加試驗成本。

［1］丁元淇，康金燦，杜艷平，等.車用連接器端子的結(jié)構(gòu)仿真分析［J］.汽車電器，2016（7）：51-53.

［2］丁元淇，李曉英，李厚琨，等.車用插接器電熱性能仿真分析［J］.汽車電器，2016（7）：39-41.

［3］王永安，張文建，梁晉豫. CAE分析產(chǎn)品的彈性變形［J］.汽車電器，2010（12）：13-14.

［4］馬天飛，崔澤飛，佟靜. 基于Isight和AMESim的液壓減振器關(guān)鍵參數(shù)集成優(yōu)化［J］. 汽車工程，2015， 37 （1）：97-101.

［5］劉曉劍，王玲，萬超. DOE法在無鉛波峰焊工藝優(yōu)化中的應(yīng)用研究［J］.電子工藝技術(shù)，2013，34（1）：10-13.

［6］葛世超. 鍍銀觸點材料動態(tài)電接觸特性研究［D］.北京： 北京郵電大學(xué)， 2013.

（編輯 楊 景）

Mechanical Analysis of Crown Spring-socket Based on ABAQUS and DOE

WANG Yong-an1，2， YANG Jian-xi1
（1. Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China; 2. Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030， China）

In this paper， ABAQUS and DOE are combined organically， using DOE grouping and data analysis function to determine the resistance test strategy， and the mechanical properties of crown spring are obtained by ABAQUS. The positive pressure and stress of Minitab's DOE function are analyzed for each factor and interaction factor to get their respective effect graphs. Finally， the regression equation of positive pressure and stress with confidence interval greater than 95 % is obtained.

ABAQUS； DOE; crown spring-socket; finite element

U467.5

A

1003-8639（2017）06-0054-03

2016-12-16

王永安（1982-），工程師，從事汽車連接器研發(fā)和項目管理工作。