基于有限元技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接器接觸特性研究

王孟

關(guān)鍵詞：RJ45網(wǎng)絡(luò)連接器;正向力;非線性分析;接觸區(qū)域

0引言

在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)信息時代，網(wǎng)絡(luò)信息給學(xué)習(xí)、辦公、生活、娛樂等諸多方面帶來了極大便利。網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成由服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)光纖及網(wǎng)絡(luò)雙絞線等經(jīng)過一個或多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最終傳輸至個人網(wǎng)絡(luò)設(shè)備PC端。而在這個傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)接口成為了信號輸入輸出的主要門戶，使用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)口即RJ45母座，屬于網(wǎng)絡(luò)連接器，在連接器行業(yè)稱之為RJ45連接器。RJ45連接器的基本性能可分為機械性能、電氣性能和環(huán)境性能3大類。而機械性能就銜接功能而言，接觸區(qū)域的大小、接觸區(qū)域鍍層的厚度、鍍層的材料等對其機械性能有很大影響，進(jìn)一步影響了其信號或電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。RJ45連接器結(jié)構(gòu)和材料的多樣性、動態(tài)接觸時的復(fù)雜性、接觸性能的非線性以及拔插連接的可靠性等，決定了連接器設(shè)計計算的復(fù)雜性。目前，主要依靠經(jīng)驗及實驗對此類連接器進(jìn)行設(shè)計。隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快及產(chǎn)品多元化及微型化，僅靠經(jīng)驗及實驗已經(jīng)很難滿足設(shè)計需要。

目前各種CAE技術(shù)的快速發(fā)展，為產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供了便利，可提高產(chǎn)品設(shè)計效率及減少產(chǎn)品設(shè)計過程中的失誤。目前在實際設(shè)計過程中，對連接器插拔過程中的接觸區(qū)域及正向力的研究缺乏理論的支撐，僅憑經(jīng)驗設(shè)計可能會出現(xiàn)接觸區(qū)域位置不對或接觸區(qū)域偏小影響電氣性能、接觸區(qū)域偏大影響制造成本、插入正向力過大等問題。鑒于此，本文采用Solidworks Simulation有限元仿真技術(shù)和實驗研究相結(jié)合，對某類RJ45連接的接觸特性進(jìn)行分析研究，使用Solidworks Simulation模塊來模擬RJ45水晶頭的插拔過程，分析連接器在此過程中的正向力以及端子的接觸區(qū)域。本文介紹的方法，對新產(chǎn)品的設(shè)計有較高的參考價值和指導(dǎo)意義，對提高連接器的性能具有重要的理論價值和應(yīng)用價值。

1RJ45網(wǎng)絡(luò)連接器

RJ45連接器是通過機械方法產(chǎn)生的電性連接產(chǎn)品，主要由屏蔽殼、主體膠殼、端子、端子鍍層4部分組成，如圖1所示。主體是由塑膠組成，對RJ45連接器端子起隔離、保護(hù)及固定的作用，一般使用的材料有PBT、PA66、PA46、LCP等防火料;端子在整個線路中起導(dǎo)通連接作用，并產(chǎn)生和維持與水晶頭接觸面之間的壓力，一般使用磷青銅作為端子的主要材料;端子鍍層防止端子表面氧化，并可以起到加強端子接觸面導(dǎo)通左右，一般接觸面鍍金，焊接面鍍錫;屏蔽殼對產(chǎn)品起保護(hù)及美化的作用，多使用黃銅鍍鎳作為RJ45連接器屏蔽殼。設(shè)計時需對圖1中端子上表面增加金屬鍍層（通常為鍍金），尤其是接觸區(qū)域鍍層厚度相比于其他端子表面更厚。因此對接觸區(qū)域的精確分析，有利于降低生產(chǎn)成本。

2某RJ45網(wǎng)絡(luò)連接器接觸特性模擬研究

2.1背景概況

根據(jù)工程要求，依據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、公司質(zhì)量規(guī)范及客戶需求規(guī)格書，設(shè)計了某客戶需求的RJ45網(wǎng)絡(luò)連接器，在該連接器中端子結(jié)構(gòu)材料取導(dǎo)電性能、耐熱性能和機械性能均良好的耐腐蝕性的銅合金（牌號C5218），端子結(jié)構(gòu)如圖2所示。與端子配合接觸的是標(biāo)準(zhǔn)水晶頭，如圖3所示。需對該結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)域和正向力進(jìn)行模擬分析。

2.2實體模型創(chuàng)建

在實際插拔過程中，水晶頭與連接器端子的接觸，實為水晶頭銅片與端子彈針的接觸過程。探索該插拔過程的接觸區(qū)域，即為分析銅片與彈針的接觸區(qū)域。為了節(jié)約工作量及模型簡單化，根據(jù)產(chǎn)品對稱性的特點，利用Solidwork對水晶頭銅片及端子彈針實體模型進(jìn)行簡化，如圖4所示。

2.3水晶頭與端子插拔過程有限元分析

2.3.1有限元模型構(gòu)建

本文主要分析插入過程中彈針的接觸區(qū)域和所受正向力。有限元建模時，假設(shè)水晶頭銅片為剛體，端子彈針是材質(zhì)均勻且是完全各向同性，其變形是彈塑性變形。彈性模量取1.6×10N/m2，泊松比取0.37，屈服強度取105MPa，密度取3 180 kg/m。網(wǎng)格劃分時，端子彈針設(shè)定網(wǎng)格單元邊長為0.06mm，銅片網(wǎng)格單元邊長為0.1mm，均以掃掠的方式劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

2.3.2接觸區(qū)域與正向力模擬分析

該型號連接器水晶頭銅片插入時在主體膠殼內(nèi)垂直方向位置尺寸為0.237in（6.02mm），最大插入位移為0.166in（4.22mm），如圖6所示。

分析時，采用非線性分析，將銅片圓弧面與彈針上表面設(shè)為接觸對，將銅片其他面設(shè)為固定約束，彈針端面設(shè)為固定約束。

根據(jù)實際應(yīng)用情況，設(shè)置插入時間為1s，拔出時間為1s，插入距離為0.166in，進(jìn)行2次插拔過程，總計算時長4s。通過對插拔過程的模擬后，得到第1次和第2次插入時最大正向力均為0.155kgf（1 kgf～9.8N），如圖7所示。

模擬得出其彈針接觸區(qū)域，如圖8所示。最近接觸點距彈針最右頂端4.93mm;最遠(yuǎn)接觸點距彈針最右頂端3.27mm;則其接觸區(qū)域為最近接觸點與最遠(yuǎn)接觸點位置之間的區(qū)域，則接觸區(qū)域長度為4.93mm-3.27mm=1.66mm。

3某RJ45網(wǎng)絡(luò)連接器接觸特性實驗研究

3.1接觸區(qū)域?qū)嶒灧治?/p>

把實驗樣品的端子涂上顏色，再用水晶頭插入5～10次，使水晶頭與端子接觸區(qū)域的涂色完全被擦掉，找出水晶插頭與金手指的連接點，拆下單個彈針，測量兩連接點的距離即為接觸區(qū)域的長度，如圖9所示。接觸區(qū)域長度與位置測量如表1所示。將表中端子接觸區(qū)域測試結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比較可知，測試結(jié)果與模擬結(jié)果一致。在原設(shè)計中，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計將其接觸區(qū)域（鍍金區(qū)域）長度設(shè)計為3mm，根據(jù)分析結(jié)果可將接觸區(qū)域縮短到2mm，減少厚鍍金區(qū)長度，進(jìn)而降低制造成本。

3.2連接器正向力測試

本文采用專用的測試設(shè)備及夾具對連接器樣品進(jìn)行連接器插入過程中的正向力測試，如圖10所示。測試得出的正向力數(shù)值如表2所示。由表可知，正向力實驗測試結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相符，證明有限元分析方法的可行性。由此可在新產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)用此方法獲得其正向力，驗證是否滿足客戶規(guī)格書要求，減少了設(shè)計風(fēng)險。

4結(jié)束語

本文采用Solidworks Simulation有限元仿真技術(shù)和實驗研究相結(jié)合，對某RJ45連接的接觸特性進(jìn)行分析研究，得出了連接器插拔過程中的正向力和端子的接觸區(qū)域，其實驗結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果高度相符。由此可知本文介紹的有限元分析方法的可行性，對于新產(chǎn)品設(shè)計階段有很重要的指導(dǎo)意義，有利于提高新產(chǎn)品的開發(fā)速度，縮短研發(fā)周期，具有一定的工程應(yīng)用價值。