车用电线束插接器设计验证方法

2014-12-02王武军牛顺利刘凤军

汽车电器 2014年10期

王武军，牛顺利，刘凤军

（河南天海电器有限公司，河南鹤壁 458030）

车用电线束插接器［1］用于汽车电路各连接点的连接，是汽车上的重要零件，其品质好坏直接影响到电力或信号的传输效果。插接器在汽车中占的成本比例很小，但在汽车使用中若出现品质问题，往往产生严重的后果，且维修成本大幅增加，因此，插接器的品质越来越得到汽车制造商及零部件供应商的重视。

插接器的设计验证是指通过设计评审、产品检验、试验等手段来证实设计输出符合设计输入的要求。插接器的设计验证也是控制插接器品质的重要手段。分析插接器的设计验证方法，对插接器的品质控制、开发周期、开发成本等均具有重要意义。

1 传统的设计验证方案

汽车连接器传统的设计验证方案包括设计评审验证、工装样件测试验证、工装样件的装车道路试验验证。

1.1 设计评审验证

设计评审验证是指插接器开始设计到完成设计期间的各种评审，包括设计输入评审、设计方案评审、产品图纸评审、工艺方案评审、模具设计评审等。设计评审一般由项目经理组织项目组成员完成，项目组成员一般包括产品设计工程师、材料工程师、模具设计工程师、产品工艺工程师、品质工程师、模具装配工程师、模具加工工艺工程师等。不同阶段的设计评审，可由不同的相关项目组成员参加。

对于设计方案的评审，一般评审项目包括：材料选择、弹性结构（包括端子和护套配合弹性结构、插接器对接自锁弹性结构、CPA和TPA与护套自锁弹性结构等）选择及可靠性、公司标准结构库标准结构的选择及合理性分析、端子导电能力、装配可行性、耐温性能等级、防水性能等级、防震动等级、阻燃等级等。

对于设计细节的评审，一般是指对主要配合尺寸及影响产品关键性能的尺寸的校对和评审。

1.2 工装样件测试验证

工装样件测试验证是指正式模具生产的样品完成后，对该样品进行的尺寸检验和性能检验。

1）尺寸检验一般由品质工程师按照产品图纸对样品进行检验。首次工装样品的尺寸检验一般会包括产品图纸要求的全部尺寸，但合格判定则主要是依据影响装配性能的配合尺寸、影响使用性能的结构尺寸、影响装配难度的外形尺寸等。

2）性能检验一般由试验工程师按照产品图纸要求的插接器标准（包括中国汽车行业标准、欧美标准、日本标准、汽车厂标准等）对样品进行性能试验。插接器的性能检验主要是验证产品能承受恶劣的工作环境并保持合适的电性能的能力。检验项目主要包括机械性能、电性能、环境性能三大类。

1.3 工装样件的装车道路试验验证

由于汽车使用条件的复杂性，所以汽车产品的开发、定型、改进等都需要进行可靠性、耐久性、行驶性能的道路试验验证［2］。

汽车连接器的开发和选用一般和汽车的开发保持同步。汽车连接器一般不会进行单独的道路试验，汽车进行道路试验时所开发或选用的连接器同其它汽车零部件一样同时完成道路试验。道路试验完成后由汽车厂出具连接器的路试合格报告。

2 基于ABAQUS软件的设计验证

ABAQUS软件是国内汽车连接器行业普遍采用的对产品设计进行分析的CAE软件（计算机辅助分析软件），基于ABAQUS软件的设计验证是指在产品设计完成后，借助ABAQUS软件，利用有限元分析方法，输入相应的参数对所设计的产品进行前期分析，初步判断产品设计的合理性。

2.1 ABAQUS软件介绍

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能。ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易地模拟出来［3］。例如，对于复杂多构件问题的模拟，是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。它不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好地控制数值计算结果。

2.2 验证内容及方法

汽车连接器设计的CAE分析验证一般包括结构性能分析验证和电热性能分析验证。

2.2.1 结构性能分析验证

结构性能分析验证主要是分析和验证产品的力学性能。包括连接器端子的插拔力、连接器的插拔力、端子插入护套力、端子在护套中的保持力、自锁装置强度、带铰链护套中铰链的抗弯曲能力等。

以端子插拔力分析验证为例（连接器其它力学性能的验证与此类似），分析验证过程为：将端子三维设计模型保存为IGS格式，导入CAE处理软件Hypermesh中，划分接触表面网格，如图1所示。根据产品应用的物理环境，在Hypermesh中定义端子有限元模型的类别、设置好有限元模型的接触关系并保存文件。输出为IN2格式文件，导入CAE分析软件ABAQUS中，在ABAQUS软件里定义端子材料的各项属性（密度、弹性模量、泊松比、磨擦因数），然后开始进行分析运算。ABAQUS运算结果为RES格式的文件，将此运算结果导入CAE处理软件Hypermesh中进行后处理，可得出插拔力－位移曲线（图2）。曲线中显示的最大插拔力和要求的标准进行比较，即可得出原始设计是否能保证插拔力合格的结论。

2.2.2 电热性能分析验证

电性能分析验证主要是分析和验证产品的电气性能。包括端子接触面接触电阻、相邻端子绝缘电阻、绝缘介电强度、温升等。

以连接器温升分析验证为例（连接器其它电热性能的验证与此类似），分析验证过程为：将连接器三维设计模型保存为IGS格式，导入CAE处理软件Hypermesh中，划分接触表面网格。根据产品应用的物理环境，在Hypermesh中定义端子有限元模型的类别、设置好有限元模型的接触关系并保存文件。输出为IN2格式文件，导入CAE分析软件ABAQUS中，在ABAQUS软件里定义材料和环境的各项属性，包括材料密度、环境温度、通电电流、热导率、潜伏热、比热、电导率、焦耳热、对流系数、辅射率等，定义温度采集点，然后开始进行分析运算。ABAQUS运算结果为RES格式的文件，将此运算结果导入CAE处理软件Hypermesh中进行后处理，可得出采集点的时间－温度曲线。曲线中显示的最大温升和要求的标准进行比较，即可得出原始设计是否能满足标准中关于温升的要求。

3 基于RP技术的设计验证

RP技术是RAPID PROTOTYPING技术（快速成型技术）的简称。基于RP技术的设计验证是指在产品设计完成后，无需任何刀具、模具、工装卡具，借助快速成型设备快速制造出新产品的样件，以研发人员根据新产品样件判断产品设计的合理性。

3.1 RP 技术介绍

RP技术是在现代CAD／CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的［4］。不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是 “分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成型系统就像是一台 “立体打印机”。

RP技术可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用，可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发品质。

3.2 验证内容及方法

基于RP技术的汽车连接器设计验证，一般主要是指在连接器设计完成后根据设计的三维模型打印出连接器样品，利用打印的样品对连接器进行形状设计检查和装配验证。

快速成型机制作样品的步骤如下。

1）模型三维数据格式转换。导入用三维设计软件UG软件建好的三维模型，利用HRP系统自带的图形处理软件把模型转成STL格式加工文件，建立拓扑关系，离散成一系列二维层面。

2）系统参数设定及加工。系统读入分层信息，设定加工参数并生成NC代码。

3）加工后处理。打印完成的样品空腔内有废料填充，为去除废料，采用水冲法对打印完成的样品进行处理。

采用RP技术制作的样品与三维设计模型的一致性精度可达到0.005mm。因此，利用该样品进行形状检查和装配验证，可反映原始设计的形状和装配正确性。

4 设计验证方法对比分析

与传统的设计验证方法相比，基于ABAQUS的设计验证能在假定的设计条件下（材料属性、环境属性等），在模具设计和加工前期发现产品设计存在的电性能、力学性能方面的问题；基于RP技术的设计验证能在模具设计和加工前期发现产品设计存在的外形尺寸、装配方面的问题。表1列出了各种设计验证方法的对比分析。

5 结论

插接器的设计验证方法包括3种：①传统的设计验证方法；②基于ABAQUS软件的设计验证方法；③基于RP技术的设计验证方法。传统的设计验证方法主要基于工装样件完成后的检验结果，如果设计存在问题，需要进行工装的再设计和再加工，将造成成本和周期的浪费。但传统的设计验证方法能最准确、最完全地反映设计存在的问题。基于ABAQUS软件的设计验证可在工装加工前发现产品设计存在的电性能和力学性能方面的问题，可节约成本和缩短产品开发周期。基于RP技术的设计验证可在工装加工前发现产品设计存在的外形和装配方面的问题，也可节约成本和缩短产品开发周期。