基于CAE技術(shù)的端子尾部壓接分析

杜艷平，王彥波，李厚琨

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

汽車工業(yè)快速發(fā)展，尤其是新能源汽車技術(shù)快速發(fā)展，汽車電器系統(tǒng)也發(fā)展得越來越快。汽車用電器品種不斷涌現(xiàn)，對汽車電器系統(tǒng)提出了更高的要求。各種用電器及導(dǎo)線的連接是整個電器系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵，因此對汽車連接端子的研究就變得更加重要。在端子的使用過程中，最重要也是最容易出問題的部位就是連接環(huán)節(jié)。目前為止在車用電線束中大部分的連接是通過端子的尾部壓接實現(xiàn)的，因此尾部壓接分析就顯得至關(guān)重要［1］。壓接的品質(zhì)直接關(guān)系到線束總成和汽車行駛的可靠性。傳統(tǒng)的壓接通常采用“試錯逼近”法則，通過不斷調(diào)整修正實物來達(dá)到產(chǎn)品性能。本文在傳統(tǒng)的試驗室壓接剖面分析的基礎(chǔ)上提出了基于CAE技術(shù)的壓接剖面分析方法，使用CAE分析代替實物實驗，降低了研發(fā)費用和周期，為產(chǎn)品設(shè)計提供了一種有效的方法［2］。

1 動力顯示有限元原理

ABAQUS／Explicit應(yīng)用中心差分法對運動方程進(jìn)行顯示的時間積分，由一個增量步的動力學(xué)條件計算下一個增量步的動力學(xué)條件。在增量步開始時，程序求解動力學(xué)平衡方程。

式中：M——節(jié)點質(zhì)量矩陣；u——節(jié)點加速度；P——所施加的外力；I——單元內(nèi)力。

1.1 節(jié)點的計算

在當(dāng)前增量步開始時 （t時刻），計算加速度為

該方程又叫動力學(xué)平衡方程。

當(dāng)前增量步中點的速度為

增量步結(jié)束時的位移為

1.2 單元的計算

單元的計算包括確定單元應(yīng)變和應(yīng)用材料單元剛度確定單元應(yīng)力，從而進(jìn)一步計算出內(nèi)力［3］。

首先根據(jù)應(yīng)變速率ε，計算單元應(yīng)變增量dε。

其次根據(jù)本構(gòu)關(guān)系計算應(yīng)力σ：

最后集成節(jié)點內(nèi)力I|（t+Δt）。

2 端子尾部壓接剖面分析

2.1 端子的壓接

壓接指通過外力使電線與端子接觸面強(qiáng)力結(jié)合，實際上是端子從自由彎曲到校正彎曲的過程。好的壓接應(yīng)該滿足3個條件：良好的機(jī)械性能，即有足夠大的拉脫力；良好的電性能，有保證端子有低而穩(wěn)定的電阻抗；具備良好的物理性能，即有良好的壓接剖面。有研究表明，良好的剖面就能保證壓接后端子的機(jī)械性能和電器性能［4］。

2.2 剖面分析

為了找出合理的壓接高度，獲得最優(yōu)的電性能和機(jī)械性能，需做剖面檢查，傳統(tǒng)的剖面分析方法是：在每種電線與端子的壓接模具調(diào)整后都要做剖面檢查。具體的做法：樣件目測合格后，在專用剖面分析設(shè)備上按照順序依次對樣件進(jìn)行切削、研磨、酸洗等相關(guān)操作，最后放在至少20倍以上的顯微鏡下觀察剖面并拍攝照片。這種傳統(tǒng)的剖面分析的方法僅適用于實物，在產(chǎn)品研發(fā)沒有實物階段必須用其它方法進(jìn)行驗證。

2.3 剖面標(biāo)準(zhǔn)

理想的芯線壓接，壓接翼封閉且對稱、所有芯線變形、壓接翼未碰壁或觸底、端子材料無裂痕、毛刺適中［5］。

3 端子尾部壓接的CAE分析

端子尾部的壓接是一個由幾何非線性、材料非線性和接觸非線性構(gòu)成的高度非線性，其壓接速度約為0.1 m／s，根據(jù)壓接過程的特點選擇用ABAQUS／Explicit進(jìn)行分析。

3.1 CAE分析過程

CAE分析幾何模型如圖1所示，包含四部分：端子小尾部、導(dǎo)線、上下鉗口。其中端子小尾部材料為H65Y，導(dǎo)線材料為Cu，上下鉗口均設(shè)為剛體。

本分析對CAE模型進(jìn)行了一些簡化：①忽略端子主體及連接部分對結(jié)果的影響；②采用統(tǒng)一的摩擦系數(shù)0.1，而實際上導(dǎo)線和導(dǎo)線之間，導(dǎo)線和尾部之間，以及尾部和壓接模具之間的摩擦系數(shù)是不同的。

圖1 CAE分析幾何模型

3.2 CAE分析結(jié)果分析

某尾部相同的壓接高度下CAE分析結(jié)果剖面如圖2所示，試驗剖面如圖3所示，由圖可知CAE分析壓接剖面和試驗壓接剖面結(jié)果一致。

為了驗證CAE分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對CAE分析拉脫力進(jìn)行了驗證。仿真壓接高度為1.53 mm的尾部，其拉脫力曲線如圖4所示，其拉脫力值為169.32 N。壓接高度為1.53 mm樣件拉脫力實驗數(shù)據(jù)見表1，拉脫力范圍為152.8～179.8N。CAE分析結(jié)果與試驗基本相符，進(jìn)一步驗證了CAE分析應(yīng)用在端子尾部壓接上的正確性。

圖2 CAE分析結(jié)果剖面

圖3 試驗剖面

圖4 CAE分析拉脫力曲線

表1 拉脫力實驗數(shù)據(jù)

綜上基于CAE的尾部壓接分析剖面和拉脫力與試驗室端子尾部壓結(jié)剖面和拉脫力結(jié)果一致，證明了基于CAE技術(shù)的端子尾部壓結(jié)分析的正確性，可將該方法推廣至其他尾部，在設(shè)計階段驗證端子尾部設(shè)計的合理性。

4 CAE分析在新產(chǎn)品上的應(yīng)用

某車用連接器端子在產(chǎn)品設(shè)計階段，設(shè)計了一種新尾部，由于沒有實物，其尾部壓接剖面是否滿足要求未可知，于是用上述方法對尾部進(jìn)行了壓接CAE分析，并對壓接高度進(jìn)行了推斷。

為了適應(yīng)不同線徑的導(dǎo)線，設(shè)計了3種不同的尾部，其壓接范圍分別為0.3～0.5，1～1.5及2 mm2。為了驗證3種尾部，對5種不同壓接線徑進(jìn)行了CAE剖面分析，分析結(jié)果見表2。

表2 不同線徑CAE剖面分析結(jié)果

表2中CAE剖面：壓接卷曲部分相接且對稱，卷曲部分端部距底部的距離不小于單線標(biāo)稱直徑的1／2，和端面底部兩側(cè)的毛刺高未超過端子壓接后的厚度，毛刺寬度未超過端子壓接后的厚度的1／2，滿足USCAR-21的要求。通過CAE分析可初步推斷出壓接線徑分別為0.3、0.5、1、1.5、2時，其對應(yīng)的壓接高度約為1.17、1.2、1.43、1.45和1.75。

5 結(jié)語

本文通過對適用19根導(dǎo)線端子尾部進(jìn)行CAE分析與試驗，得出CAE分析技術(shù)應(yīng)用在端子尾部壓接上的正確性。通過CAE分析在新產(chǎn)品上的應(yīng)用得出新產(chǎn)品尾部設(shè)計合理并推斷出不同線徑對應(yīng)的壓接高度。