基于ABAQUS的某型號耳機(jī)座插拔力研究

東莞市廣業(yè)電子有限公司研發(fā)中心實(shí)驗(yàn)室 武繼輝

耳機(jī)作為電子消費(fèi)品家族中的重要一員，對市場的需求更是有增不減。同時(shí)，耳機(jī)作為一款電子連接器，跟其他的連接器一樣屬于一種機(jī)械電子系統(tǒng)，用于不同設(shè)備或者系統(tǒng)之間的連接。利用強(qiáng)大的有限元分析軟件——ABAQUS，對耳機(jī)插拔力大小進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)際測試結(jié)果作對比，得出某型號耳機(jī)插拔力大小及精度的模擬方法，對相關(guān)連接器生產(chǎn)廠商，有借鑒、指導(dǎo)意義。

1 介紹

1.1 插拔力介紹

電子連接器公端與母端對插和分離時(shí)所用的力的大小，對于不同類型的連接器，行業(yè)也規(guī)定了相應(yīng)的插拔力大小標(biāo)準(zhǔn)。測量插拔力大小的原因是為了防止用戶在插入或者拔出時(shí)，不會因?yàn)榱^大或過小導(dǎo)致連接器損壞或不能插入等狀況的出現(xiàn)。

1.2 關(guān)于摩擦理論

摩擦定義：兩個(gè)接觸物體表面在外力作用下相互接觸并產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)，在接觸的表面之間產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)阻力，該阻力大小與運(yùn)動(dòng)方向或運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反。

摩擦力理論公式：

f——摩擦力；μ——摩擦系數(shù)，由兩接觸表面的材料屬性決定；G——物體本身重量或施加在其上的載荷。

圖1 經(jīng)典摩擦力示意圖

插拔力的產(chǎn)生就是基于摩擦理論，公母端在對插時(shí)產(chǎn)生接觸界面，從微觀層面上來看，公母端子之間并非是通過表面接觸，而是通過表面一個(gè)個(gè)凸起的點(diǎn)（A-port）進(jìn)行連接的，但是由于正向力的存在，來破壞這種點(diǎn)對點(diǎn)連接，形成穩(wěn)定的連接，同事也能提供所要求的插拔力。在電子連接器的設(shè)計(jì)中，塑膠之間的摩擦很小，大部分是可以忽略不計(jì)的，因此插拔力的大小主要取決于公母端子間的摩擦力。針對本次仿真實(shí)驗(yàn)，采用的是簡化模型，即忽略鍍層金屬影響且假定接觸方式為端子基材之間的面面接觸，因此也遵循經(jīng)典摩擦力理論計(jì)算。

通過查閱《機(jī)械工程師手冊》，得知不同摩擦副間的摩擦系數(shù)見表1。

在進(jìn)行接觸摩擦參數(shù)設(shè)置的時(shí)候，由于忽略了鍍層金屬之間的影響（忽略了邊界摩擦），因此所選用的摩擦系數(shù)會比實(shí)際測量時(shí)的偏大。

表1 不同摩擦副之間的摩擦系數(shù)（部分）

2 仿真分析

2.1 分析模型以及網(wǎng)格劃分

某型號音頻接口座由7部分組成，分別是外殼，塑膠底座，左動(dòng)端子，左靜端子，右動(dòng)端子，右靜端子，下端子（如圖2所示）。由于公頭和母座塑膠口采用的是過盈配合，摩擦力可以忽略不計(jì)，因此此次研究的插拔力只是公頭與端子之間的摩擦所提供，對需要研究的部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元（C3D8R），本次共劃分成85512個(gè)單元，107988個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖2 某型號音頻接口座組成

圖3 端子網(wǎng)格劃分

2.2 材料選取

電子連接器的端子和金屬外殼一般采用銅合金和不銹鋼材料，常用的端子材料為磷青銅或者磷銅，相關(guān)材料參數(shù)如表2所示。本文研究所采用的端子材料是磷青銅——C5191。

表2 常用端子材料參數(shù)

2.3 載荷與邊界條件設(shè)置

按照裝配情況，固定端子腳以及與塑膠底座配合的部分。由于公端相對于母端端子變形很小，為了便于計(jì)算，采用剛體模擬公端，設(shè)置接觸表面以及公端位移大小與方向，裝配位置如圖4來進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 裝配位置

2.4 結(jié)果與后處理

公端到達(dá)工作位置時(shí)，各端子的應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖5所示，此時(shí)所有動(dòng)端子達(dá)到最大形變，根據(jù)應(yīng)力變化指示表可知，最大應(yīng)力，超出該材料的屈服極限，會產(chǎn)生微小的永久塑性變形，此后的插入力會變小，但是該應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度。從圖6操作力-位移曲線上可以得知，插入力最高點(diǎn)為14.35N，拔出力最高點(diǎn)為6.31N。

圖5 端子應(yīng)力應(yīng)變云圖

圖6 操作力-位移曲線

3 機(jī)械測試

按照電子工業(yè)協(xié)會電子產(chǎn)品插拔力測試標(biāo)準(zhǔn)（EIA-364-13E）進(jìn)行測試，測試前先進(jìn)行一次插拔，使用設(shè)備是順瑩全自動(dòng)插拔力試驗(yàn)機(jī)（型號：1220S）并設(shè)置好設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，速度要求25.4mm/min。

本次測試共有5件樣品，分別按照測試標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行測試。測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表3、圖7所示。

表3 機(jī)械測試數(shù)據(jù)

圖7 機(jī)械測試插拔力曲線

4 總結(jié)和展望

4.1 總結(jié)

通過軟件仿真和機(jī)械測試，得出結(jié)果如表4所示：

表4 測試結(jié)果

分析誤差結(jié)果顯示，軟件仿真與機(jī)械測試的分析誤差值均小于5%，屬于高精度有限元分析方法。

通過對比仿真曲線與機(jī)械測試曲線可知：拔出力的最大值貢獻(xiàn)最大的是下端子，欲提高此連接器的拔出力，可對下端子的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

4.2 展望

通過有限元的方法可以精準(zhǔn)快速的獲得連接器產(chǎn)品的插拔力，過程需要對接觸面的理解與定義、摩擦系數(shù)的選取、邊界條件的設(shè)置等有充分的了解與認(rèn)識。該仿真方法可以極大的縮短連接器產(chǎn)品開發(fā)前期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)間，對于產(chǎn)品開發(fā)周期有很大的幫助。

針對不同類型的產(chǎn)品，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證，找出一般參數(shù)選取規(guī)則，現(xiàn)在只是對插拔力進(jìn)行了仿真分析，接下來，通過分析軟件，對連接器在使用時(shí)的溫度變化以及在熱循環(huán)過程中形狀變化等問題進(jìn)行驗(yàn)證評估。