基于有限元法的汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

李厚琨，邵麗娜，王榮喜，王國堂，杜艷平

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

基于有限元法的汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

李厚琨，邵麗娜，王榮喜，王國堂，杜艷平

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

汽車連接器是連接汽車各用電單元的重要零部件，而汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)是汽車連接器實現(xiàn)良好連接的重要組成結(jié)構(gòu)。本文基于有限元法，運用Abaqus分析軟件，對一種汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析。通過仿真分析，確定掛鼻按壓過程中最大應力區(qū)域，分析其使用可靠性。通過改進設(shè)計，實現(xiàn)該設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠運用。

連接器；有限元分析；Abaqus

汽車連接器在整車電路中起到連接各電路子系統(tǒng)的作用。汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)是汽車連接器實現(xiàn)良好連接的重要組成結(jié)構(gòu)。掛鼻結(jié)構(gòu)能否滿足設(shè)計要求是連接器設(shè)計的關(guān)鍵點。有限元分析方法能夠在設(shè)計前期對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行驗證，避免設(shè)計失效。本文運用Abaqus求解計算，分析掛鼻結(jié)構(gòu)在按壓過程中的應力變化情況，找出應力最大值及其出現(xiàn)區(qū)域，通過更改設(shè)計實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的可靠運用。

1 有限元分析方法及彈塑性理論模型

1.1 有限元分析方法

有限元分析是基于離散數(shù)學的一種數(shù)值分析方法，通過插值迭代等數(shù)學計算方法，將復雜的工程問題求解。有限元法廣泛應用在當今技術(shù)科學發(fā)展和工程分析。由于通用性和有效性，受到工程制造領(lǐng)域的廣泛重視，并伴隨著計算機科學和技術(shù)的進步，已成為計算機輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分。

1.2 彈塑性理論模型

連接器掛鼻結(jié)構(gòu)在按壓過程中既產(chǎn)生彈性變形又產(chǎn)生塑性變形，彈性模量即楊氏模量和泊松比可很好地描述彈性階段的變化。

塑性變形的應力應變關(guān)系是非線性的，應力應變非單值對應關(guān)系，這種非單值性是一種路徑相關(guān)性，因此，在分析應力應變關(guān)系需要考慮加載歷史。有限元法將模型劃分為網(wǎng)格，將本構(gòu)模型集成在網(wǎng)格單元中，能夠有效地分析加載歷史對應力應變關(guān)系的影響。

根據(jù)發(fā)生的彈塑性變化情況，選擇Ramberg-Osgood模型描述應力應變關(guān)系。Ramberg-Osgood方程用以描述應力和應變之間復雜的非線性關(guān)系具有顯著的優(yōu)勢，在表達塑性變形過程中的應變硬化尤為有效，能夠顯示出平滑的彈塑性過渡階段。

運用關(guān)于線性的胡克定律、關(guān)于非線性的von Mises準則和相關(guān)的流動定律，將一維的Ramberg–Osgood方程推廣到多維方程，可得

進行彈塑性有限元分析時，通過試驗獲得的應力應變曲線為工程應力應變曲線，但在Abaqus中定義材料時應采用真實應力應變曲線。利用式（5）、式（6）對試驗所得數(shù)據(jù)進行處理，得出真實應力應變曲線。

2 有限元仿真及結(jié)果分析

根據(jù)前文理論分析，在Abaqus中輸入材料參數(shù)，應將試驗所得名義應力應變參數(shù)通過計算轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸崙儏?shù)。根據(jù)設(shè)計需求，該連接器選用一種PA66增強材料，通過計算，其彈性模量為9 300 MPa，泊松比為0.3，真實塑性應力應變參數(shù)見表1，真實抗拉強度為246.2 MPa。

表1 PA66增強材料真實塑性應力應變參數(shù)表

該連接器形狀設(shè)計如圖1所示，剖視圖如圖2所示。該設(shè)計掛鼻結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與對插護套有效連接，保證護套相對位置的結(jié)構(gòu)。在護套對插過程中，需要按壓掛鼻結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，在按壓過程中掛鼻結(jié)構(gòu)的根部承受較大的應力集中，是失效危險點。

圖1 連接器結(jié)構(gòu)圖 圖2 連接器結(jié)構(gòu)剖視圖

運用Abaqus對該連接器進行有限元分析，預測應力集中點及應力最大值。圖3所示為掛鼻按壓過程中護套的Mises應力云圖。圖4為掛鼻按壓過程中護套簡化為掛鼻結(jié)構(gòu)的Mises應力云圖。對比兩圖最大應力相差不大可以忽略，且其掛鼻結(jié)構(gòu)應力分布一致。為了簡化模型，節(jié)省計算資源，只分析掛鼻結(jié)構(gòu)在按壓過程中的應力分布。

圖3 護套Mises應力分布云圖

圖4 簡化結(jié)構(gòu)Mises應力分布云圖

原始設(shè)計提供4種設(shè)計方案見表2。4種掛鼻設(shè)計方案Mises應力云圖如圖5所示。

表2 4種設(shè)計方案

方案1最大Mises應力239.1 MPa，方案2最大Mises應力228.4 MPa，方案3最大Mises應力245.4 MPa，方案4最大Mises應力213.1 MPa。結(jié)合Mises等效應力和材料力學第四強度理論即最大形狀改變比能理論，取安全系數(shù)1.4，抗拉強度為246.2 MPa，則最大Mises應力不大于175.9 MPa，才能保證設(shè)計的安全性。校核4種設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)4種方案均不能滿足設(shè)計需求。

圖5 4種掛鼻設(shè)計方案Mises應力云圖

對4種設(shè)計結(jié)構(gòu)和應力分布情況進行分析，結(jié)果如下。

1）掛鼻結(jié)構(gòu)按壓過程中最大應力均出現(xiàn)在掛鼻結(jié)構(gòu)根部。

2）4種方案中最大應力值較小的設(shè)計，其掛鼻桿上的應力值較大且分布區(qū)域較廣，這是由于在總變形量基本一致時，掛鼻桿分擔了掛鼻根部的應力，減緩了應力集中趨勢。

3）圓角尺寸不易過大，若圓角過大，有可能改變根部尺寸。

基于上述分析，若要改善最大應力，則在保證總變形量的前提下，使整個掛鼻結(jié)構(gòu)有更多的區(qū)域分擔變形，減弱應力集中現(xiàn)象。因此，提出設(shè)計方案5，調(diào)整掛鼻桿厚度為1.8 mm，掛鼻根部厚度為1.5 mm，采用較小的圓角。分析結(jié)果如圖6所示，最大Mises應力為157.7 MPa，小于175.9 MPa，則該設(shè)計滿足校核條件。

圖6 方案5掛鼻Mises應力云圖

3 結(jié)論

在Abaqus中建立有限元分析模型，有效地預測了掛鼻結(jié)構(gòu)的應力集中和最大應力，整理分析前文中工作，得出如下結(jié)論。

1）在總變形量不變的情況下，可以通過更改結(jié)構(gòu)，使變形更廣泛地分布在整個結(jié)構(gòu)上，避免應力集中。

2）在連接器掛鼻設(shè)計時，應避免掛鼻根部和掛鼻桿在寬度尺寸上有太大差異。

3）考慮到模具加工、注塑工藝等的限制，在該數(shù)量級下，改變掛鼻根部與上下方結(jié)合的圓角尺寸設(shè)計，在實際產(chǎn)品上體現(xiàn)不明顯。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，在該數(shù)量級下更改圓角尺寸，對產(chǎn)品的應力集中和最大應力值改善影響并不明顯。

［1］ Katsuhiko Ogata．現(xiàn)代控制工程（第3版）［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［2］ 石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析實例講解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006．

［3］ 彭強，方慶文.利用有限元分析軟件指導連接器端子設(shè)計［J］.機電元件，2014（1）：3-7．

［4］ 江丙云，孔祥宏，羅元元．ABAQUS工程實例詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2014．

［5］ 林葉芳.江丙云.閆金金，等.連接器端子件的結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化研究［J］.機械設(shè)計與制造，2015（9）：215-218.

（編輯楊 景）

Design and Analysis of Hanging Structure of Automobile Connector Based on FEA

LI Hou-kun， SHAO Li-na， WANG Rong-xi， WANG Guo-tang， DU Yan-ping
（Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030， China）

The connector is an important part to connect the electrical units of the automobile，while the hanging structure of connector plays a key role in achieving good connection. In this paper，a hanging structure is designed and analyzed with Abaqus based on FEA. Through the simulation，the maximum stress area to pressing the hanging structure is determined， and its reliability is analyzed. By improving the design，a reliable structure is achieved.

connector; FEA; Abaqus

U463.62

A

1003-8639（2017）08-0056-03

2017-05-02