基于ABAQUS和DOE的冠簧插孔力学分析

王永安，杨建玺

（1.河南科技大学，河南 洛阳 471003；2.河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030）

基于ABAQUS和DOE的冠簧插孔力学分析

王永安1，2，杨建玺1

（1.河南科技大学，河南 洛阳 471003；2.河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030）

将ABAQUS和DOE有机结合起来，运用DOE的分组及分析数据的强大功能，确定接触电阻试验方案；运用ABAQUS得到冠簧的力学性能。再次使用Minitab的DOE功能，利用各因子及交互因子对冠簧的正压力和应力分别进行分析，得出各自的效应图，得到了置信区间大于95 %的正压力和应力的回归方程。

ABAQUS；DOE；冠簧插孔；有限元

ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，可以进行结构的静态和动态分析，如应力［1］、变形、振动冲击、热传导、热电耦合［2］、力电耦合分析等。在设计阶段，使用ABAQUS分析产品可以完善设计和降低制造成本，从而提高新产品开发的一次成功率，带来可观的经济效益［3］。

DOE（Design of Experiment）试验设计，一种安排试验和分析试验数据的数理统计方法；试验设计主要对试验进行合理安排，以较小的试验规模（试验次数）、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试验结果以及得出科学的结论［4］。

DOE试验设计是一种研究与处理多因素试验的科学方法，DOE具有优化产品的过程设计、缩短设计开发周期和降低开发成本的绝对优势［5］。从航天业到一般生产制造业，DOE被广泛应用，但是需要做试验的费用也相当高。ABAQUS可以在产品设计阶段进行分析，模拟计算产品的设计功能，完善产品设计，降低制造成本。但是，如果产品设计不合适，ABAQUS却不能给出指导性的意见，不能使人们更快速地修整设计方案。把ABAQUS和DOE结合起来，可以更科学、快速地向正确的设计方案靠拢，而不增加试验成本。本文将在冠簧插孔的力学分析上介绍怎样将ABAQUS和DOE结合起来使用。

1 基于DOE的接触电阻试验

1.1 接触电阻试验方案

试验目的：所设计的冠簧在生命周期内都能满足承载较大的电流且温升较低。

由于冠簧插孔每个簧条的正压力不容易测量得到，本文采用测量接触电阻的方式，间接评估冠簧插孔正压力的状态。

按照图1所示的方法测出电阻R1、R2和R3，压接电阻Ra= R2-R3，接触电阻Rb=R1-R3。

图1 接触电阻测量示意图

1.2 接触电阻试验步骤

首先，准备压接导线的样品10套。其次，按照图1所示，测量电阻R3、R2和R1，并记录数据。接触电阻要求如表1所示。

表1 接触电阻要求

1.3 确定响应变量

冠簧需要承载较大的电流且温升较低，在整个生命周期内必须保证冠簧的接触电阻较小，因此，冠簧必须有足够的正压力，确保单个簧条能在冠簧的整个生命周期内都有足够的正压力。簧条在变形过程中的最大应力不应使簧条产生永久变形而影响冠簧的可靠性。

本次试验的响应变量：①单个簧条触点正压力不小于0.8 N［6］；②簧条上的最大应力不应超过720 MPa。

1.4 选择并筛选关键因子

冠簧的材料确定为CuNiSi TM3 δ=0.2 mm，则关键因子为簧条向内变形的高度H，单个簧条圆弧最高点到冠簧中心平面的力臂L，簧条压缩的过赢量D（图2，其中A点被压缩的距离定为D），本文确定使用这3个参数作为关键因子。

现在该试验确定了3个关键因子，分别为高度H、力臂L、过赢量D；3个因子全部都是数字型因子，可以为设定范围内的任意一个数值。试验数据设置为两水平试验，根据经验，高度的低水平设置为0.8 mm，高水平设置为1.2 mm；力臂的低水平设置为0.9 mm，高水平设置为1.3 mm；过赢量的低水平设置为0.3 mm，高水平设置为0.5 mm。使用minitab中的DOE创建因子设计进行全因子的非随机方式创建试验方案，试验顺序见表2。

图2 关键因子图示

表2 试验顺序表

2 ABAQUS CAE力学分析

2.1 三维实体建模及应力分析

本文使用专业的三维建模软件UG来建立实体模型，通过ABAQUS软件自带的软件接口，将三维模型导入到ABAQUS中进行有限元分析。

在对冠簧插孔分析时，在满足计算精度要求的范围内，为了提高运算速度，对冠簧结构中的元件进行了如下的适当简化处理：①冠簧使用2个簧条为一组进行分析；②简化了簧条两端的圆弧凸起；③使用平面压缩簧条代替插针的插入；④使用平面限制簧条的下平面。经过简化后的三维实体模型如图3所示。ABAQUS CAE应力分析结果见表3。冠簧的应力分布云图见图4。

图3 简化后的三维实体模型

表3 ABAQUS CAE应力分析结果

图4 冠簧的应力分布云图

2.2 正压力和应力模型的建立

根据DOE功能，找出置信区间大于95 %的正压力和应力的回归方程为

式中：F——正压力；P——应力；D——过赢量；H——高度；L——力臂。

2.3 最佳因子设定值的确定

根据表3确定的单个簧条触点的正压力为0.8 N，试验中三维模型为2个簧条、4个接触点，所以所需的正压力应为3.2 N；而材料CuNiSi TM3在150 ℃时的应力缓和率为13 %，所以2个簧条所需的正压力F为3.67 N。高度H和力臂L选择1.2 mm和0.9 mm，根据公式（1）可以计算出压缩距离D约为0.45 mm，根据公式（2）可以算出此时的应力P为672.546 MPa，小于材料CuNiSi TM3的屈服强度720 MPa。所以最佳因子为：D=0.45 mm，H=1.2 mm，L=0.9 mm。

2.4 确认试验

按照DOE的理论，需要对最佳因子进行再次确认试验，以验证是否能满足需要。此次试验是CAE分析，而且该最佳因子可以从标准序4的分析过程中看到，符合试验目的，所以勿需再进行验证。

3 冠簧设计改进及分析

3.1 冠簧设计改进及再试验

根据D O E、C A E分析得到的最佳因子（D=0.45 mm，H=1.2 mm，L=0.9 mm），对冠簧和插孔的方案进行改进，对修改后的产品再次进行接触电阻试验，试验测量的压接电阻和接触电阻结果见表4。

表4 压接电阻和接触电阻数据 mΩ

3.2 数据分析

由于冠簧插孔每个簧条的正压力不容易测量得到，故而采用测量接触电阻的方式间接评估冠簧插孔正压力的状态。采用数字微欧计测量冠簧插孔的压接电阻和接触电阻，从试验前的压接电阻和接触电阻对比来看，这两项值都在标准要求的范围之内，从而反映出冠簧插孔正压力满足设计要求。

4 结论

对上述产品又做了温升试验，并且在温升后又验证了压接电阻和接触电阻，都符合标准的要求，从而证明了该方法的有效性。

把DOE试验设计和ABAQUS CAE相结合，把DOE的分组及分析数据的强大功能应用于ABAQUS CAE上，把2种方法的优点集中起来，可以更科学、快速地向正确的设计方案靠拢，而不增加试验成本。

［1］丁元淇，康金灿，杜艳平，等.车用连接器端子的结构仿真分析［J］.汽车电器，2016（7）：51-53.

［2］丁元淇，李晓英，李厚琨，等.车用插接器电热性能仿真分析［J］.汽车电器，2016（7）：39-41.

［3］王永安，张文建，梁晋豫. CAE分析产品的弹性变形［J］.汽车电器，2010（12）：13-14.

［4］马天飞，崔泽飞，佟静. 基于Isight和AMESim的液压减振器关键参数集成优化［J］. 汽车工程，2015， 37 （1）：97-101.

［5］刘晓剑，王玲，万超. DOE法在无铅波峰焊工艺优化中的应用研究［J］.电子工艺技术，2013，34（1）：10-13.

［6］葛世超. 镀银触点材料动态电接触特性研究［D］.北京： 北京邮电大学， 2013.

（编辑 杨 景）

Mechanical Analysis of Crown Spring-socket Based on ABAQUS and DOE

WANG Yong-an1，2， YANG Jian-xi1
（1. Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China; 2. Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030， China）

In this paper， ABAQUS and DOE are combined organically， using DOE grouping and data analysis function to determine the resistance test strategy， and the mechanical properties of crown spring are obtained by ABAQUS. The positive pressure and stress of Minitab's DOE function are analyzed for each factor and interaction factor to get their respective effect graphs. Finally， the regression equation of positive pressure and stress with confidence interval greater than 95 % is obtained.

ABAQUS； DOE; crown spring-socket; finite element

U467.5

A

1003-8639（2017）06-0054-03

2016-12-16

王永安（1982-），工程师，从事汽车连接器研发和项目管理工作。