基于CAE技术的端子尾部压接分析

2019-04-17杜艳平王彦波李厚琨

汽车电器 2019年3期

杜艳平，王彦波，李厚琨

（河南天海电器有限公司，河南鹤壁 458030）

汽车工业快速发展，尤其是新能源汽车技术快速发展，汽车电器系统也发展得越来越快。汽车用电器品种不断涌现，对汽车电器系统提出了更高的要求。各种用电器及导线的连接是整个电器系统能否正常工作的关键，因此对汽车连接端子的研究就变得更加重要。在端子的使用过程中，最重要也是最容易出问题的部位就是连接环节。目前为止在车用电线束中大部分的连接是通过端子的尾部压接实现的，因此尾部压接分析就显得至关重要［1］。压接的品质直接关系到线束总成和汽车行驶的可靠性。传统的压接通常采用“试错逼近”法则，通过不断调整修正实物来达到产品性能。本文在传统的试验室压接剖面分析的基础上提出了基于CAE技术的压接剖面分析方法，使用CAE分析代替实物实验，降低了研发费用和周期，为产品设计提供了一种有效的方法［2］。

1 动力显示有限元原理

ABAQUS／Explicit应用中心差分法对运动方程进行显示的时间积分，由一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件。在增量步开始时，程序求解动力学平衡方程。

式中：M——节点质量矩阵；u——节点加速度；P——所施加的外力；I——单元内力。

1.1 节点的计算

在当前增量步开始时（t时刻），计算加速度为

该方程又叫动力学平衡方程。

当前增量步中点的速度为

增量步结束时的位移为

1.2 单元的计算

单元的计算包括确定单元应变和应用材料单元刚度确定单元应力，从而进一步计算出内力［3］。

首先根据应变速率ε，计算单元应变增量dε。

其次根据本构关系计算应力σ：

最后集成节点内力I|（t+Δt）。

2 端子尾部压接剖面分析

2.1 端子的压接

压接指通过外力使电线与端子接触面强力结合，实际上是端子从自由弯曲到校正弯曲的过程。好的压接应该满足3个条件：良好的机械性能，即有足够大的拉脱力；良好的电性能，有保证端子有低而稳定的电阻抗；具备良好的物理性能，即有良好的压接剖面。有研究表明，良好的剖面就能保证压接后端子的机械性能和电器性能［4］。

2.2 剖面分析

为了找出合理的压接高度，获得最优的电性能和机械性能，需做剖面检查，传统的剖面分析方法是：在每种电线与端子的压接模具调整后都要做剖面检查。具体的做法：样件目测合格后，在专用剖面分析设备上按照顺序依次对样件进行切削、研磨、酸洗等相关操作，最后放在至少20倍以上的显微镜下观察剖面并拍摄照片。这种传统的剖面分析的方法仅适用于实物，在产品研发没有实物阶段必须用其它方法进行验证。

2.3 剖面标准

理想的芯线压接，压接翼封闭且对称、所有芯线变形、压接翼未碰壁或触底、端子材料无裂痕、毛刺适中［5］。

3 端子尾部压接的CAE分析

端子尾部的压接是一个由几何非线性、材料非线性和接触非线性构成的高度非线性，其压接速度约为0.1 m／s，根据压接过程的特点选择用ABAQUS／Explicit进行分析。

3.1 CAE分析过程

CAE分析几何模型如图1所示，包含四部分：端子小尾部、导线、上下钳口。其中端子小尾部材料为H65Y，导线材料为Cu，上下钳口均设为刚体。

本分析对CAE模型进行了一些简化：①忽略端子主体及连接部分对结果的影响；②采用统一的摩擦系数0.1，而实际上导线和导线之间，导线和尾部之间，以及尾部和压接模具之间的摩擦系数是不同的。

图1 CAE分析几何模型

3.2 CAE分析结果分析

某尾部相同的压接高度下CAE分析结果剖面如图2所示，试验剖面如图3所示，由图可知CAE分析压接剖面和试验压接剖面结果一致。

为了验证CAE分析结果的准确性，对CAE分析拉脱力进行了验证。仿真压接高度为1.53 mm的尾部，其拉脱力曲线如图4所示，其拉脱力值为169.32 N。压接高度为1.53 mm样件拉脱力实验数据见表1，拉脱力范围为152.8～179.8N。CAE分析结果与试验基本相符，进一步验证了CAE分析应用在端子尾部压接上的正确性。

图2 CAE分析结果剖面

图3 试验剖面

图4 CAE分析拉脱力曲线

表1 拉脱力实验数据

综上基于CAE的尾部压接分析剖面和拉脱力与试验室端子尾部压结剖面和拉脱力结果一致，证明了基于CAE技术的端子尾部压结分析的正确性，可将该方法推广至其他尾部，在设计阶段验证端子尾部设计的合理性。

4 CAE分析在新产品上的应用

某车用连接器端子在产品设计阶段，设计了一种新尾部，由于没有实物，其尾部压接剖面是否满足要求未可知，于是用上述方法对尾部进行了压接CAE分析，并对压接高度进行了推断。

为了适应不同线径的导线，设计了3种不同的尾部，其压接范围分别为0.3～0.5，1～1.5及2 mm2。为了验证3种尾部，对5种不同压接线径进行了CAE剖面分析，分析结果见表2。

表2 不同线径CAE剖面分析结果

表2中CAE剖面：压接卷曲部分相接且对称，卷曲部分端部距底部的距离不小于单线标称直径的1／2，和端面底部两侧的毛刺高未超过端子压接后的厚度，毛刺宽度未超过端子压接后的厚度的1／2，满足USCAR-21的要求。通过CAE分析可初步推断出压接线径分别为0.3、0.5、1、1.5、2时，其对应的压接高度约为1.17、1.2、1.43、1.45和1.75。