開槽接觸件優(yōu)化設(shè)計與軟件實現(xiàn)

許榮星，朱 寧,2

(1. 上海航天科工電器研究院有限公司，上海普陀區(qū)，200331；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150001)

1 引言

電連接器廣泛應(yīng)用于各種電氣線路中，是線路中的連接中樞，起到傳導(dǎo)電信號的作用。電連接器應(yīng)用涵蓋航空、航天、兵器、船舶、汽車等眾多領(lǐng)域[1]，其工作可靠性影響著整個系統(tǒng)的可靠性，因此隨著各個系統(tǒng)的發(fā)展，對電連接器設(shè)計要求也越來越高[2]。

接觸件是電連接器中傳輸信號的關(guān)鍵，對接觸件的優(yōu)化設(shè)計開展研究很有必要。接觸件的形式多樣，有開槽式插孔對剛性針、麻花針對剛性孔、冠簧孔對剛性針、線簧孔對剛性針、刷狀接觸件等，其中開槽式接觸件應(yīng)用最為廣泛，因此選取開槽插孔對剛性針的接觸對進行深入研究[3]。目前，接觸件設(shè)計主要有按經(jīng)驗、依據(jù)有限元仿真結(jié)果等手段，雖然可以設(shè)計出符合分離力指標(biāo)的接觸件，但有限元分析時間較長，進行大規(guī)模計算優(yōu)化慢，很難得到最佳的參數(shù)組合，急需尋找一種快速計算方法對接觸件進行優(yōu)化設(shè)計。

本文首先對各種開槽插孔和剛性針的分離力進行公式推導(dǎo)，為后續(xù)大規(guī)模優(yōu)化計算和軟件實現(xiàn)打下基礎(chǔ)，然后基于田口方法得出接觸件尺寸優(yōu)化算法，最后基于PHP語言對算法進行編程實現(xiàn)，應(yīng)用該接觸件優(yōu)化設(shè)計軟件可以很快得出最優(yōu)的尺寸組合，并可以通過調(diào)整公差來提高接觸件分離力的CPK值，給接觸件設(shè)計提供參考。

2 開槽接觸件分離力推導(dǎo)

首先對兩開槽接觸件的分離力進行推導(dǎo)，兩開槽插孔為懸臂梁模型，這基于以下假設(shè)：插孔臂為彈性變形，即收口過程中沒有壓縮過度，僅壓縮到插孔口部剛好碰上的狀態(tài)，對于過度收口的插孔，懸臂梁模型不適用。

插孔模型如圖1所示，為了方便積分計算，將原來的水平式開槽轉(zhuǎn)化為向心式開槽結(jié)構(gòu)，經(jīng)過和實際對比該簡化導(dǎo)致的誤差小于5%。

圖1 插孔單邊橫截面圖和懸臂梁模型參數(shù)

根據(jù)懸臂梁公式，單個彈臂的正壓力可以表示為公式(1)。

(1)

式中，P為正壓力，E為插孔材料彈性模量，J為插孔臂截面相對于質(zhì)心的慣性矩，fA為插孔臂撓度，L為插孔臂長度。

可以看出，除了慣性矩J其余均為給定值，因此只需要對慣性矩進行進一步推導(dǎo)，截面相對于中心軸x1的慣性矩JX1相對容易推導(dǎo)，這兩個慣性矩之間存在關(guān)系式(2)。

(2)

式中，A是截面的面積，ys是截面質(zhì)心到x1軸的距離。

推導(dǎo)JX1，如圖2，選取一個微元，該微元距離圓心距離為X，對應(yīng)圓心角為dθ，徑向長度為dx。

圖2 截面參數(shù)設(shè)置

截面關(guān)于Y軸對稱，總的慣性矩是右邊部分慣性矩的兩倍。則該截面關(guān)于x1軸的慣性矩為公式(3)～(5)。

(3)

由公式(1)、(2)、(3)可得

(4)

對于兩開槽插孔，分離力F=2μP，所以有

(5)

式中，μ為摩擦系數(shù)。

對于4、6、8開槽，與兩開槽的主要區(qū)別在與圓心角α以及插孔臂數(shù)不同，通過推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)圓心角可以統(tǒng)一為開槽數(shù)N的函數(shù)，最終得到多開槽插孔統(tǒng)一分離力計算式為公式(6)和(7)。

(6)

(7)

式中，w為開槽寬度。

3 田口方法

田口方法是日本田口玄一博士提出的一種低成本、高收益的質(zhì)量工程方法，將提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)注點放在了設(shè)計端。田口方法選取對產(chǎn)品性能影響較大的尺寸、工藝等參數(shù)作為可控因素，通過控制可控因素的水平和配合，使產(chǎn)品性能達到最佳，且產(chǎn)品性能對噪聲因素的敏感程度降到最低，從而提高和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

產(chǎn)品質(zhì)量特性會受到外干擾、內(nèi)干擾和物間干擾而產(chǎn)生波動，對于接觸件來說就是接觸件分離力隨尺寸波動(如公差)、貯存環(huán)境條件、各種外部應(yīng)力作用下會發(fā)生波動，從而導(dǎo)致原本滿足設(shè)計指標(biāo)的分離力發(fā)生偏移而出現(xiàn)失效的情況。因此，在進行接觸件尺寸設(shè)計時不僅要考慮分離力滿足指標(biāo)要求，而且還需要考慮尺寸在公差范圍內(nèi)波動時分離力波動要盡可能的小[4]。由于田口方法計算信噪比和靈敏度方差過程很復(fù)雜，且確定調(diào)整因素數(shù)值有一定主觀性，不利于程序?qū)崿F(xiàn)，因此選擇通過對比各個方案的CPK值來確定最優(yōu)參數(shù)組合。

4 開槽接觸件優(yōu)化設(shè)計

4.1 整體思路

接觸件優(yōu)化設(shè)計思路如圖3。先選擇開槽數(shù)，然后輸入接觸件的尺寸參數(shù)與公差、材料，根據(jù)輸入?yún)?shù)計算出該參數(shù)組合的分離力及CPK。優(yōu)化分析時，在幾個關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計值范圍內(nèi)按等間距取全部排列組合求取其分離力，選取最接近設(shè)計中值的10個參數(shù)組合，然后分析這10個參數(shù)組合對應(yīng)分離力的CPK，選取CPK最高的三個參數(shù)組合，最終輸出這3組最優(yōu)解的分離力分布及CPK。

圖3 接觸件優(yōu)化設(shè)計流程圖

4.2 軟件實現(xiàn)

采用前端jQuery，后端PHP的模式進行軟件開發(fā)。要計算開槽插孔和剛性針的分離力，需要輸入插針直徑、插孔外徑、插孔內(nèi)徑、插孔開槽長度、插孔開槽寬度、插孔收口后上下兩半內(nèi)部間距以及插孔材料，其中各尺寸除了插孔收口后上下兩半內(nèi)部間距其他的都會有公差。除此之外，為計算分離力的CPK值還需要輸入開槽接觸件分離力的范圍。計算CPK時，將各個帶公差的輸入量在其公差帶范圍內(nèi)進行均分，并通過排列組合選取10000個參數(shù)組合，分別求取10000個參數(shù)組合對應(yīng)的分離力，最后根據(jù)分離力的設(shè)計范圍算出CPK。

優(yōu)化分析時，選取幾個關(guān)鍵參數(shù)：插孔開槽長度、插孔開槽寬度、插孔收口后上下兩半內(nèi)部間距最為變量，在這三個變量設(shè)計范圍內(nèi)以0.01mm間距取點，得到所有點的排列組合分布，得到設(shè)計變量范圍內(nèi)的所有參數(shù)組合，求取這些參數(shù)組合的分離力，然后根據(jù)分離力設(shè)計中值選取10個最接近中值的參數(shù)組合，分別計算著10個參數(shù)組合在各個尺寸公差范圍內(nèi)的分離力CPK值，最后選取3個最高CPK值的參數(shù)組合作為最優(yōu)解備選方案呈現(xiàn)出來。

接觸件優(yōu)化設(shè)計軟件截圖如圖4，最上面右邊部分為各個參數(shù)輸入框，用戶可以根據(jù)需要選擇插孔的類型、開槽的數(shù)量等，下面緊挨著的第一個圖為輸入量對應(yīng)的分離力分布及CPK值，可以直觀的看出當(dāng)前設(shè)計尺寸的合理性，下面三個圖為優(yōu)化分析后得出的三組最優(yōu)解的分離力分布及其CPK，供用戶參考和選擇。

圖4 軟件界面截圖

4.3 分離力的計算、仿真及試驗對比

選取某型號四開槽接觸件10對進行分離力試驗測試，并根據(jù)實測的收口量分別應(yīng)用編制的軟件和ANSYS進行計算，得到三者的結(jié)果對比如表1所示。從表1可以看出，計算、仿真、試驗三者的結(jié)果很接近，且計算值相對仿真值基本偏小，而測試值則有大有小，這是因為測試本身存在誤差而導(dǎo)致測試結(jié)果上下波動，而仿真和計算均是基于公式計算，結(jié)果不存在雙向波動，且計算時因為去除掉了一小塊截面，計算結(jié)果會比仿真結(jié)果稍小一些。

表1 計算、仿真與試驗分離力對比

5 結(jié)論

(1)基于懸臂梁對多開槽插孔接觸件的分離力進行了推導(dǎo)，并將2、4、6、8開槽應(yīng)用統(tǒng)一的公式進行了表達。

(2)運用“田口方法”和分離力公式總結(jié)出多開槽接觸件的優(yōu)化計算方法，并應(yīng)用PHP語言進行編程，使該算法得到軟件實現(xiàn)。

(3)對開槽接觸件進行計算、仿真和試驗對比，對比結(jié)果證明了計算公式的正確性。