基于ANSYS的电源连接器保持力分析与研究

，，

(上海航天科工电器研究院有限公司，上海，200000)

1 引言

电连接器是电子系统中重要的基础元件之一。它是器件与组件、组件与组件、子系统之间形成电气连接的必要元件。电连接器作为一种机电系统，为整个系统提供可分离界面，而不影响整个系统的正常运行[1]。电连接器的应用始于军工企业，而后逐渐扩展到民用领域。随着手机、电视、电脑等民用消费电子产品以及汽车等交通领域的发展，连接器迅速向这些领域拓展，成为全球电子组件第二大支柱产业[1]。在飞机、导弹、舰艇等武器装备系统中，军用电连接器是用量最多的电子元器件之一，而电连接器失效率在军用电子元器件中最高，约占总数的40%～50%[2]。随着通讯技术、电子设备技术高速发展以及武器装备更新换代，电连接器呈微型化、高密度、模块化的发展趋势[3]。

新的发展趋势对电连接器的性能参数提出了新的要求。连接器的主要技术指标包括机械特性、电气特性和环境特性。其中机械特性参数主要包括插拔力、端子保持力、端子正向力、机械寿命、振动、冲击、碰撞等；电气特性参数主要包括接触电阻、屏蔽性、额定电压、额定电流；环境特性参数主要包括温度、湿度、压力、腐蚀等[4]。保持力作为电连接器的一个重要性能指标，是指将接触件从塑料基座中退出所需的最大力，决定着接触件在塑料基座中的可靠连接，保持力过小则达不到连接要求，如何在有限的空间内提升接触件的保持力，对连接器微型化和高密度具有重要的意义。国内对接触件保持力进行的系统研究较少，对保持力的模拟仿真分析是一个薄弱环节，设计者多凭借经验进行设计，随着设计周期的缩短和连接器发展新趋势的出现，可凭借的设计经验越来越少，因而对连接器保持力进行理论研究是十分有必要的。

2 产品介绍

SJ045-25STH0、SJ045-25PZH0为25芯电源连接器，结构如图1、图2所示。该电源连接器主要由插头、插座两部分组成，插头部分通过压接的方式与导线连接，插座部分通过鱼眼结构与客户端PCB板连接。如图3所示，接触件插入基座，通过其自身体的弹臂结构卡在基座开口中，该结构能够避免在对接过程中，接触件从基座中退出。为省略接触件插入后的灌胶工序，需将接触件的保持力由6.5～7N提升到不小于15N。

图1 SJ045-25STH0电源插头

图2 SJ045-25PZH0 电源插座

a)剖视图 b)局部放大图图3 SJ045-25STH0接触件与基座装配情况

3 理论计算与仿真分析

3.1 静力分析[5]

为提升接触件的保持力，首先对接触件在基座中的受力情况进行分析，建立接触件的静力学模型。接触件从受力到弹臂破坏是一个相对静止的过程，因此只需要进行静力学分析。如图4所示为接触件的受力情况，接触件在基座中受到一个已知外力，即是将接触件从基座中拔出的力；同时，接触件底部、弹臂与基座接触受到与基座的接触力，该接触力包括接触表面摩擦力和基座的支持力；以及这些力产生的力矩M1，M2。接触件在力和力矩的作用下处于静止状态，必须满足下列条件。

图4 静力学分析

静止条件，如式(1)～(3)所示。

(1)

即，

(2)

(力的方向：向上为正，向右为正；力矩的方向：逆时针为正)

假设Ff1=0，最大静摩擦力Ffmax=μ Fn2(μ接触件与基座的摩擦系数，μ≤1)，即

(3)

接触件拔出过程分析：

当接触件从基座中拔出时，F1逐渐增大，即

F1↑，有Fn2↑，Ffmax↑；

F1↑，有Mn1↑，Fn1↑，Ff2↑。

当Ff2≥Ffmax，N点沿基座上方滑动，更易绕根部折弯。

当Ff2≤Ffmax，N点不滑动，更易被压弯。

由公式(3)可得，Ffmax=μF1

因此，L1越小，摩擦系数μ越大，N越不容易滑动，弹臂受力情况越好。

3.2 接触件材料与结构改善[6]

接触件保持力的提升，主要从材料和结构两个方面着手。在材料方面，根据前面的分析，可以通过改变材料来提升摩擦系数，同时，性能优良的材料有利于提高接触件弹臂的抗弯强度、抗压强度，从而提高接触件的保持力。本产品分别采用铍青铜和磷青铜来制造接触件，二者的性能参数如表1所示，通过仿真和试验的方法对比二者对保持力提升效果。

表1 接触件材料特性参数

在结构方面，不同的弹臂结构与基座的接触情况、抗弯抗压能力、弹臂高度不同，造成与基座的保持力不同。本文提出了三种不同的弹臂结构，如图5、图6、图7所示。图5 为最初的弹臂结构，其保持在力在6.57N，该弹臂结构顶端有折弯，臂身呈直线型，弹臂倾角较大。图6为改善后的弹臂，取消弹臂顶端折弯，臂身改为斜线型，增大根部倒角。图7弹臂在图6模型的基础上增加了凸包。3种接触件分别采用上述2种材料进行制造[7]。

图5 折弯弹臂结构

图6 直臂无凸包弹臂结构

图7 直臂凸包弹臂结构

3.3 模拟仿真[8]

采用ANSYS软件对上述3种弹臂结构、两种接触件材料，共6种接触件分别分析其在基座中的保持力。为减少计算量，加快分析速度，结合ANSYS软件的设置，在不影响分析结果的情况下对基座和接触件进行简化，简化结果如图8所示，简化后接触件只保留头部结构，简化后基座只取与弹臂接触的一部分。

图8 简化结构模型

3.3.1 边界条件设置

边界条件设定如图9所示，采用约束B固定接触件尾部，接触件底面加载支撑约束C，基座后表面加载位移载荷A。在接触件弹臂和基座表面添加1个接触对，在接触件左、右侧面增加1个支撑接触对，摩擦系数设定为0.3。

图9 边界条件设定

3.3.2 网格划分

在网格方面，采用高阶单元，并加密接触件弹臂与基座接触面，如图10所示。

图10 网格划分

3.3.3 仿真结果分析

磷青铜C5210应力应变曲线如图11所示，屈服强度600MPa，铍青铜C17200应力应变曲线如图12所示，屈服强度780MPa。

图11 磷青铜C5210应力应变曲线

图12 铍青铜C17200应力应变曲线

1)折弯结构弹臂接触件

(a)应力分布图 (b)作用力曲线图13 折弯结构弹臂接触件(磷青铜C5210)

在折弯结构弹臂接触件中，采用磷青铜C5210，整体受力情况如图13(a)所示，可以看出此时弹臂已完全弯曲，失去支撑能力，折弯处应力为600MPa～750MPa，尚未断裂。作用力曲线如图13(b)，保持力为9.5N。

(a)应力分布图 (b)作用力曲线图14 折弯结构弹臂接触件(铍青铜C17200)

采用铍青铜C17200，整体受力情况如图14(a)所示，可以看出此时弹臂已完全弯曲，失去支撑能力，同时折弯处应力为700MPa～900MPa，尚未断裂。作用力曲线如图14(b)，保持力为11.9N。

3.2 颗粒粒度测定方法 本研究采用BT-9300H型激光粒度分布仪分析系统对颗粒进行粒度测定，利用测定激光束穿透颗粒混悬液的散射估计出颗粒的平均体积，如假设颗粒为标准球体，则可计算出颗粒直径。和传统光镜或电镜测量方法相比，具有快速，误差小，精确度高，操作简便，可定量分析的优势，尤其适用于大样本的测定。激光粒度分析仪的不足之处在于：忽略了颗粒的形状，可能会对颗粒的计算结果产生一定的影响。

2)直臂无凸包弹臂结构接触件

(a)应力分布图 (b)作用力曲线图15 直臂无凸包弹臂结构接触件(磷青铜C5210)

(a)应力分布图 (b)作用力曲线图16 直臂无凸包弹臂结构接触件(铍青铜C17200)

在直臂无凸包弹臂结构接触件中，采用磷青铜C5210，整体受力情况如图15(a)所示，可以看出弹臂有沿基座向上滑动的趋势，根部发生折弯，本身并未弯曲。折弯处应力为600MPa～780MPa，失去支撑能力，尚未断裂。作用力曲线如图15(b)，作用力曲线不光滑，作用力出现波动，保持力为5.2N。

C17200整体受力情况如图16(a)，可以看出弹臂沿基座向上滑动的趋势不明显，根部发生折弯，本身并未弯曲。中部和根部应力达到900+MPa，接近断裂。作用力曲线如图16(b)，和磷青铜类似，作用力出现波动，保持力为5.4N。

(3)直臂凸包弹臂结构接触件

(a)应力分布图 (b)作用力曲线图17 直臂凸包弹臂结构接触件(磷青铜C5210)

(a)应力分布图 (b)作用力曲线图18 直臂凸包弹臂结构接触件(铍青铜C17200)

在直臂凸包弹臂结构接触件中，采用磷青铜C5210，整体受力情况如图17(a)，弹臂不滑动，沿凸包上边线折弯，保持力为15.9N，作用力曲线如图17(b)。

采用铍青铜C17200接触件整体受力情况如图18(a)，变形情况与磷青铜C5210相似，保持力为19.9N。

不同弹臂形式仿真结果对比如表2所示，其中，折弯结构有利于降低弹臂高度，与基座接触情况较好，但保持力较小；直臂无凸包结构，与基座的接触情况较差，弹臂受力后沿基座滑动，作用力不稳定，保持力小；添加凸包后的直臂结构，与基座的接触情况得到改善，弹臂不滑动，作用力稳定，保持力大于15N，该种结构为较优方案。在材料方面，铍青铜C17200明显优于磷青铜C5210，无论那种结构对保持力都有所提升。同时，仿真结果与理论分析吻合较好，折弯结构和直部结构由于与基座的接触情况不同，造成接触点的摩擦系数不同，摩察系数越大越稳定，弹臂受力情况越好，保持力越大越稳定。

表2 不同弹臂形式仿真结果对比

4 试验验证

本试验是针对直臂凸包弹臂结构接触件测量其在PBT塑料基座中的保持力，接触件材料采用磷青铜C5210。

4.1 接触件检测

在投影仪上对接触件外观和关键尺寸进行检测，判断来料是否满足图纸要求，表面有无压痕和裂纹，排除外在因素对试验的影响，图19为接触件外观检测范例，图20为关键尺寸测量点。

图19 接触件外观检测

图20 关键尺寸测量

4.2 导线压接

采用如图21所示的压接工装压接接触端子，压接完成的端子如图22所示。

图21 端子压配工装

图22 压接后接触件

4.3 保持力测量

在保持力测量前，首先要进行压线，保证线缆在接触件中的保持力大于接触件在基座中保持力，避免线缆先于接触件拔出。压线完成的接触件稳定可靠的装入基座中，对同一个插头测量25个数据，如表3所示。测量设备为测力计，如图23所示，精度为0.1N，采用手动测量。

图23 测力计

4.4 试验结果对比

表3为弹臂高度为1.42mm时关键尺寸测量，

表4为其保持力测量结果，保持力最小值为12.7N，最大值为15.5N，平均值为14.33N。

降低弹臂高度，重新制作接触件，其关键尺寸测量如表5所示，保持力如表6所示，保持力最小值为15N，最大值为20.9N，平均值为16.3N。从保持力测试结果来看，与弹臂高度为1.42mm的保持力相比有所提高，且与仿真结果15.9N较为接近。弹臂的破坏形式如图24所示，大部分弹臂在凸包上边线附件折弯，与仿真结果一致。试验结果表明，凸包直臂结构和降低弹臂高度有效地提高了接触件保持力，与理论分析、仿真结果一致。

表3 关键尺寸测量(弹臂高度为1.42±0.03mm)

表4 接触件保持力(弹臂高度为1.42±0.03mm)

表5 关键尺寸测量(弹臂高度为1.34±0.03mm)

表6 接触件保持力(弹臂高度为1.34±0.03mm)

图24 试验弹臂的破坏形式

5 结论

本文以电源连接器插头SJ045-25STH0为研究对象，通过理论分析、有限元仿真以及试验验证，对接触件保持力进行了研究，建立了科学的分析过程，实现了接触件保持力的提升。通过本文的研究，得到如下结论：接触件保持力与弹臂和基座的摩擦系数呈正比关系、与弹臂的高度呈反比关系。本文进一步研究的方向：在理论方面，建立弹臂受力和破坏形式的关系；在仿真分析方面，由于保持力分析属于非线性接触问题且存在大变形，采用ABAQUS进行分析，结果会更加准确[9,10]。

[1] 张新杰. 基于abaqus的单边单倒刺端子连接器保持力分析与试验研究[M]. 上海交通大学，2009.6:1-2.

[2] 杨奋为. 航天电连接器及其组件失效分析[J]. 上海航天,2005,04(22):60-64.

[3] 杨奋为. 军用电连接器的应用及发展[J]. 机电元件, 2007, 27(9):42-49.

[4] Milenko Braunovic, Valery V. Konchits, Nikolai K. Myshkin. Electrical contacts : fundamentals, applications and technology[M]. Public History, 1970:2-5.

[5] 潘骏,靳方建,陈文华,钱萍. 电连接器接触件结构分析与插拔试验[J]. 中国机械工程,2013,12(24):1636-1641.

[6] 刘永刚,申学良. 电连接器常用接触件设计概要[J]. 机电元件,2016,01(1):52-57.

[7] 刘鸿文. 材料力学[M]. 高等教育出版社, 2003:159-165.

[8] 景红光. 连接器热设计基本建模、有限元材料分析与优化设计[D].北京邮电大学,2013:31-41.

[9] 赵藤伦.ABAQUS在机械工程中的应用[M]. 水利水电出版社, 2007:1-3.

[10] 孙林松,王德信,谢能刚. 接触问题有限元分析方法综述[J]. 水利水电科技进展,2001,03(3):18-20+68-69.