车用连接器端子的结构仿真分析

丁元淇，康金灿，杜艳平，贺占蜀

（1.河南天海电器有限公司，河南鹤壁　458030；2.郑州大学机械工程学院，河南郑州　450001）

车用连接器端子的结构仿真分析

丁元淇1，康金灿1，杜艳平1，贺占蜀2

（1.河南天海电器有限公司，河南鹤壁458030；2.郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）

利用有限元分析软件Abaqus，对某种车用连接器端子结构进行分析，得出端子插拔力及应力和塑性变形等，并得到端子的插拔力分别为8.4276N和4.0185N，与试验结果相符；其最大应力值为520MPa，超过了材料的屈服强度，即在第1次插拔时产生了塑性变形，因此第1次拔出后喇叭口没有恢复到原来的状态，而是产生了0.134mm的间隙。研究结果表明，有限元模拟仿真结果与试验结果相符，应用有限元软件对车用连接器进行分析能够为类似产品的设计研究提供依据，可以有效节省产品开发成本。

连接器端子；有限元；插拔力；塑性变形

连接器是汽车中的重要部分，单一车型所使用的连接器有数百个之多，连接器性能的好坏直接影响整车性能。随着我国汽车工业的迅猛发展，对车用连接器的性能要求也越来越高。连接器插拔力是影响连接器机械性能和电气性能的重要参数。因此对其进行研究具有重要理论价值和现实意义。

车用连接器端子的结构和性能是保证连接器工作可靠性的重要因素，因此对连接器端子的性能分析一直是研发设计人员关注的热点。传统的设计方法，设计周期长、经济成本高，难以满足产品更新换代快、开发周期短的要求，先进的有限元方法已成为支持产品设计开发的有效工具［1-4］。本文以有限元分析软件Abaqus为平台，对某车用连接器端子进行了插拔力、应力应变、塑性变形等结构方面的仿真分析。

1　连接器端子的有限元分析

1.1确定分析类型

连接器端子的插拔过程从接触到分离，边界条件发生了变化涉及到边界条件非线性；连接器端子在插拔过程中出现了大的位移和变形涉及到几何非线性；连接器端子的原材料的应力-应变关系曲线有弹性阶段和塑形阶段涉及到材料非线性。因此连接器端子的插拔过程是一个严重非线性的过程。综上，本分析可选择用求解器Abaqus／Standard进行分析［5］。

1.2有限元模型的建立及前处理

几何模型的建立：对连接器端子进行插拔力分析主要是对插头端子（公端）和插座端子（母端）之间的插拔力进行分析。图1为连接器端子几何模型。进行有限元分析时，为了节省计算量和时间成本，有必要对模型进行简化：①为了减少不必要的分析运算，不考虑对端子插拔力影响很小的尾部；②由于插头端子在整个插拔过程中几乎没有发生变形，因此可将其设为刚体。简化后几何模型如图2所示。

图1　连接器端子几何模型

图2　简化后几何模型

材料属性：该端子材料为锡青铜，其弹性模量为121 715 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为505.65 MPa，抗拉强度为573.31 MPa。Abaqus中材料的塑形参数为真实应力和应变，因此需将名义的应力应变由式（1）～（3）进行转化。将材料名义应力-名义应变的塑性阶段经过式（1）～（3）转化后得出锡青铜的塑性数据。

式中：εture——真实应变；εnom——名义应变；σture——真实应力；σnom——名义应力；——真实塑性应变；E——弹性模量。

网格划分：该分析为典型的接触分析，接触属性为“硬”接触，因此插头端子和插座端子均使用适合接触分析的八节点线性六面体减缩积分单元C3D8R［5］。

接触的设置：本文研究的端子插拔力过程非常复杂，是3种非线性关系的综合，属于大变形问题，因此需将几何非线性开关打开，同时选择有限滑移。

边界条件和载荷：边界条件和载荷需模拟真实插拔过程，其边界条件应为插座端子尾部端完全固定，插头端子施加x方向的轴向位移。

2　有限元分析结果

2.1应力分析和塑性变形情况

在插头端子的头部完全进入插座端子时，即0.2333s时，其等效应力云图如图3所示，此时应力得到最大值，约为520 MPa，该值大于材料的屈服强度505.65MPa，因此在应力大于505.65MPa的区域发生了轻微的塑性变形，塑性变形云图如图4所示，其最大塑性变形量为0.002 044 mm。该处的塑性变形导致原来几乎接触的“喇叭口”产生0.134mm的间隙，“喇叭口”变形量如图5所示。该间隙会导致后续插入力的减小，对端子多次插拔产生不利影响。但因最大应力远远小于材料的抗拉强度，所以零件不会产生破坏。插入状态在0.2333s之后到拔出状态的0.7707s之间最大应力和产生的塑性变形均保持不变。

图30　.2333s时等效应力云图

图4　塑性变形云图

图5　“喇叭口”变形量

2.2插拔力

取6个样件在万能插拔力试验机上测试，将试验得出的插拔力与有限元仿真分析得出的插拔力进行对比，对比结果如表1所示。由表1可以看出仿真结果与试验结果相对应。

表1　插拔力有限元结果与试验结果的对比

3　结论

1）本文利用有限元软件Abaqus建立车用连接器端子的有限元模型，经过仿真分析其结果与试验结果相对应，为类似产品的设计提供有效的参考价值。

2）从分析结果看，该种连接器插座端子经过插拔产生了少量的塑性变形，从而使一次拔出后的插座端子“喇叭口”产生0.134mm的位移量，该间隙会使后续插拔力减小。由于汽车电子连接器使用工况中的振动、热变形以及腐蚀等作用，要求材料在弹性范围具有较大的连接力和接触面积，因此，在相似产品的设计和结构改进上，可以从避免或减小塑形变形的角度进行思考。

［1］林叶芳，江丙云，闫金金，等.连接器端子件的结构分析及其优化研究［J］.机械设计与制造，2015（9）：215-218.

［2］张义恺，林雪燕.SIM卡连接器结构的仿真分析［J］.机电元件，2007（4）：8-11.

［3］杜永英，孙志礼，吕春梅，等.基于ANSYS某型电连接器插拔过程的可靠性分析［J］.中国工程机械学报，2015（6）：545-549.

［4］彭强，方庆文.利用有限元分析软件指导连接器端子设计［J］.机电元件，2014（1）：3-7.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

（编辑陈程）

Simulation Analysis of Auto Connector Terminal Structure

DING Yuan-qi1，KANG Jin-can1，DU Yan-ping1，HE Zhan-shu2
（1.Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China；2.School of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

This paper analyzes a certain vehicle connector terminal structure based on the finite element analysis software Abaqus，and obtains data of terminal mating and unmating force，stress and plastic deformation.The terminal mating and unmating force are 8.4276N and 4.0185N which consistent with the test results；the maximum stress value is 520 MPa which exceed the yield strength of the material.That is，plastic deformation occurs during the first plug.So the bell pull is not restored to its original state，and left a 0.134mm gap after the first unmating. The results show that the finite element simulation results are consistent with the experimental results and the application of finite element software to analyze vehicle connector can provide a reference to similar products，which can save the product development cost effectively.

connector terminal；finite element；mating and unmating force；plastic deformation

U463.62

A

1003-8639（2016）07-0051-03

2016-05-13；

2016-05-24

河南省高等学校重点科研项目（15A460029）；中国博士后科学基金（2015M582199）；郑州大学青年骨干教师资助计划

丁元淇（1965-），男，硕士，主要研究方向为汽车电器产品开发；康金灿（1979-），男，主要研究方向为汽车电器产品开发；杜艳平（1988-），女，硕士，主要从事连接器的研发及有限元分析验证工作；贺占蜀（1985-），男，博士，主要研究方向为汽车电器产品开发。