电连接器接触件断裂失效分析

邵明坤 汤振 江浪 陈继利 曹冰毅

摘要：电连接器是电气传输系统的基础元器件之一，接触件作为连接器的核心零件，其接触性能的可靠性关乎整个设备、乃至整个系统的稳定运行。对某型号电连接器接触件出现的断裂现象进行失效分析，建立了接触件的理论数学模型，进行理论推导计算，并利用 Abaqus有限元仿真软件对电连接器进行仿真分析。通过对比接触件机械寿命试验结果，发现单个接触件弹力理论计算值为5.58 N ，仿真分析结果为5.547 N ，与5.75～5.85 N 的弹力试验结果高度一致。此外接触件最大弯曲应力理论计算值为1083 MPa ，与仿真结果1116 MPa也较为相近，该弯曲应力已十分接近材料的极限应力，存在一定的断裂风险。因此采用理论计算、仿真分析等手段对接触件力学结构进行定量分析，降低产品失效风险，将大大提高电连接器的研发效率，对电连接器设计具有重要的指导意义。

关键词：连接器;接触件;仿真

中图分类号：TM503+.5;TP391.9文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0074-04

The Failure Analysis of Electrical Connector Contacts

Shao Mingkun，Tang Zhen ，Jiang Lang ，Chen Jili，Cao Bingyi

（AVIC Optoelectronics Technology Co.， Ltd.， Luoyang， Henan 471000， China）

Abstract： The electrical connector is one of the basic components of the electrical transmission system. The contact is the core part of the connector， and the reliability of its contact performance is related to the stable operation of the entire equipment and the entire system. The failure analysis of the fracture phenomenon of the contact of a certain type of electrical connector was carried out， the theoretical mathematical model of the contact was established， the theoretical calculation was carried out， and the Abaqus finite element simulation software was used to simulate and analyze the electrical connector. By comparing the results of the mechanical life test of the contact， it is found that the theoretical calculated value of the elastic force of a single contact is 5.58 N， and the result of the simulation analysis is 5.547 N， which is highly consistent with the elastic test results of 5.75～5.85 N. In addition， the oretically calculated value of the maximum bending stress of the contact is 1083 MPa， which is also similar to the simulation result of 1116 MPa. The bending stress is very close to the ultimate stress of the material， and there is a certain risk of fracture. Therefore， the use of theoretical calculations， simulation analysis and other means to quantitatively analyze the mechanical structure of the contacts to reduce the risk of product failure will greatly improve the research and development efficiency of electrical connectors， which has important guiding significance for the design of electrical connectors.

Key words： connector; terminal; simulation

0 引言

電连接是电力、电气设备和系统传输中不可缺少的一个环节[1]，电连接的载体——电连接器起到沟通设备、系统之间纽带、桥梁作用，特别是电连接器关键零件——接触件更是电气传输过程中核心。连接器作为基础的元器件之一，尽管单一失效率较低，但在整个电气系统中，连接器大多数情况为串联形式，数量较多，频繁处于连接/断开转换状态，是电气系统故障频发地[2]。在一些尖端科技领域，如航空、航天、核电、深海等领域，工况环境异常恶劣，电气性能指标要求高，尤其是系统的稳定性，连接器作为其中必不可少的一环，其电气性能的可靠性至关重要。

电连接器一般可分为插头、插座两种。接触件是电连接器的核心零件，一般通过刚性插针与柔性插孔插拔，实现电连接通断。接触件具有圆筒型、同轴型、胡刷型、无极性型、簧片式等多种类型[3]。接触件作为电气传输的导电部件，一旦失效直接导致电连接器失效，进而影响整个电气系统运行稳定。

任万滨等[4]基于 Abaqus 仿真软件对电连接器线簧式接触件插拔力与接触电阻进行了有限元仿真分析，完成了摩擦因数、过盈量和线簧数对插拔特性的影响分析。骆燕燕等[5]利用 ANSYS仿真软件对接触件的插拔过程进行仿真，得到了插拔过程中插孔簧片变形、应力分布以及插拔力和接触压力的变化情况，分析了接触件不同结构尺寸时接触压力等参量的变化规律。张义恺、林雪燕[6]对 SIM卡连接器接触端子进行了数学建模，并利用有限元软件对其与 SIM卡的接触进行仿真，给出了接触端子在不同位移栽荷下受到的应力和产生的塑性变形。林叶芳等[7]结合 Abaqus 有限元模型的自动修改技术，以零件体积为约束，最小化节点的应变能密度为优化目标，对簧片式接触件进行优化设计，获得了具备更小塑性变形值，且结构性能增强的端子件结构，为接触件结构提供了一种优化思路。

本文对结合电连接器簧片式接触件实际安装状态，对接触件断裂故障进行失效分析：（1） 建立了相应的数学模型，并进行理论推导，得到了接触件受力公式，并对力学强度进行了理论校核;（2）利用 Abaqus有限元仿真软件对电连接器进行仿真分析，分析了接触件在整个接触导通过程，直观显示了接触件各个部位的应力、应变以及压力变化情况;（3）对电连接器接触件弹力进行测试试验。电连接器接触件断裂失效分析结果表明：理论推导出的数学模型和仿真分析结果与试验测试结果一致。1电连接器接触件失效影响因素

接触件是电连接器电气传输的直接载体，其可靠性直接影响电连接器的电气性能稳定。通常电连接器机械寿命在500次以上，这就要求接触件应具有更高的使用寿命[8-9]。

某两芯电连接器接触件失效如图1所示。该连接器的接触件采用簧片式结构，插头插座连接器在插合次数不超过10次的情况下，插座第2芯接触件发生断裂失效。

接触件发生断裂现象，一般可归为以下几方面问题：

（1） 材料选用

接触件作为导电零件，一般选用黄铜、锡青铜、铍青铜等作为基材，表面进行镀金、镀银。而对于开口孔、簧片等接触件要求具备良好的弹性性能，应优选铍青铜材料。

（2） 加工、装配误差

接触件应具有良好的尺寸加工精度和形位误差，表面粗糙度一般要求在 Ra0.8及以下。接触件在连接器装配中应保证精准的位置度和一定的引导长度。

（3） 使用操作

连接器在实际使用过程中，应避免接触件过度受力变形而发生机械强度失效，同时还应避免远超机械寿命的频繁插拔所导致的疲劳断裂。

该簧片式接触件为钣金成型，一般钣金成型的零件在弯角处会残余一定的应力。电连接器在下压若干次后接触件发生断裂，结合上述原因分析，初步分析应属于强度失效问题，即接触件在实际使用过程中超过了许用的弯曲应力发生断裂。

2 理论分析计算

该电连接器接触片通过强装刺破式装在绝缘体空腔内，二者通过灌胶方式在绝缘体底部固定，如图2所示。实际工作中，接触片会受到竖直向下的位移作用，使接触片弯曲变形，撤去位移外载荷后，接触片凭借自身弹性性能会回复至初始位移高度，以保证与另一接触片导体可靠的电气性能。

将接触片模型进行简化，简化后模型如图3所示。（1） 将实际三维问题简化为二维连续变形线性弹性梁模型，相比与弯矩对接触件的影响可忽略轴力与剪力作用;（2）将接触片与绝缘体灌胶区域视为固定约束，限制接触片六个方向上的自由度;（3）将接触片弯曲变形过程中，绝缘体对其的作用简化为铰支约束，仅限制接触片在%方向上的位移。

至此电连接器接触件便可简化为一次超静定力力学模型，求解接触件工作中所受的內应力，便是求解一次超静定问题。解除多余支座点 C ，得到 O 端固定，A 端自由的基本静定系，并用多余约束力Xc代替支座C作用。力 F 与Xc单独作用于基本静定系分别如图4（a）、（b）所示。

接触片力学模型中所涉及几何参数及材料性能数据如表1所示。

ΔC = ΔCF + ΔCX =0

式中：ΔC为接触件节点C在x方向上所产生的位移;ΔCF为F单独作用于基本静定系下沿x方向上所产生的位移;ΔCX为Xc单独作用于基本静定系下沿x方向上所产生的位移。

对于线弹性结构，位移与力成正比，则有：

ΔCX =δCX XC =-ΔCF （2）

式中：δCX 为基本静定系下单位力在点 C 沿x 方向引起的位移。

由线弹性结构的莫尔积分定理，F 单独作用于基本静定系下在点 C 沿x 方向上所产生的位移为：

ΔCF = dx3=（ 3）

同理，对于约束力Xc，单位力作用下，由悬臂梁挠曲方程，则有：

由卡式定理，F 单独作用于基本静定系下沿y 方向上所产生的位移ΔAF 为：

Xc单独作用于基本静定系下沿 y 方向上所产生的位移ΔAX 为：

点A 沿力 F 方向，在y 方向上所产生的位移ΔA 为：

推导出接触力 F：

将表1接触件力学模型参数代入上式计算得到 F=5.58 N。

考虑到绝缘体与接触片接触处有一 R0.6的倒角，因此接触片最大弯曲应力为

将表1相关参数数据代入式，可得σ=1083 MPa 。可知接触片弯角处应力已超过铍青铜材料的屈服应力σs，略小于抗拉强度σb ，但二者相差不大，存在断裂风险。

3 仿真分析

对电连接器模型进行适当简化，利用有限元仿真软件进行分析[10-11]。在 Assembly 模块中，定义接触片与绝缘体的装配位置关系，并在接触片上端设置一解析刚体（Analytical Rigid）对接触片施加位移载荷。在 Mesh模块中，对接触片和绝缘体采用 CPS4R单元进行网格划分，单元数量分别为2821、9147。解析刚体压块无需划分网格。在 Property模块中分别赋予接触片和绝缘体的材料属性： QBe2.0弹性模量128000 MPa ，泊松比0.35; PPS 弹性模量3300 MPa ，泊松比0.37。在 Interaction 模块中，接触件与绝缘体的灌胶区域采用绑定（ Tie ）约束，绝缘体底部六自由度全部固定，解析刚体、接触片和绝缘体三者之间施加相互接触作用，接触属性采用硬接触，并忽略摩擦力影响。在 Step模块中设置分析步，由于接触问题一般不容易收敛，故先施加一个较小的载荷（ U2=-0.1 mm）使接触作用平稳建立，易于收敛，然后再施加一个最终载荷（ U2=-0.8 mm）。建立二维仿真模型如图5所示。

在 Job中提交计算，依据形状改变比能理论（第四强度理论），电连接器接触片 Von Mises 应力云图[10]，如图6所示。从图中可以看出，接触件下压0.8 mm时，在接触件内弯角处存在最大 Mises 等效应力，为 1116 MPa，与理论计算结果相符。接触件弯角处应力大于材料的屈服强度，将发生塑性变形。

为进一步分析接触件断裂位置及断裂方向，单独提取接触件主应力矢量图[11]，如图7所示。由图可知，接触件最大拉应力为917.5 MPa ，在接触件外弯角偏下侧区域。最大拉应力略小于材料的拉伸强度，无安全裕量，存在一定的断裂失效风险，断裂将在接触件外弯角偏下区域沿y 轴方向发生。

电连接器支反力云图如图8所示，接触件与压块之间存在最大的支反力为5.547 N ，即接触件在下压0.8 mm 时的弹力为5.547 N ，与理论计算结果高度一致。

4 接触件弹力试验

利用压缩试验机对电连接器进行反复压缩试验，模拟300次机械寿命试验，以表征接触片的实际工作性能。试验方法按照 GJB1217中方法2016规定进行试验[12]，压缩试验机触头代替插头压块，触头下压位移限定为0.8 mm ，触头与插座连接和分开一次为一个周期，插拔速度每分钟不大于15次。

10只电连接器经过300次机械寿命试验后均未发生断裂，总弹力在11.5～11.7 N之间。对于两个接触件，每个接触件平均弹力为5.75～5.85 N ，与理论计算和仿真分析的单个接触件弹力相符。试验过程中接触件未发生断裂一方面可能由于样本数偏少，另一方面可能是由于电连接器插头插座在实际引导过程中存在偏摆，致使两接触件下压高度不一致，而试验过程的夹具经过精密校准，不存在上述问题。

5 结束语

本文从材料、工艺、装配等方面对电连接器接触件断裂影响进行了定性分析，排除了疲劳损伤的可能，基本判定为接触件力学强度失效。本文随后建立了接触件的超静定数学模型，通过理论力学计算推导，得出单个接触件在受到0.8 mm向下的位移载荷作用下，弹性回复力为5.58 N ，最大弯曲应力为1083 MPa ，超过材料的屈服极限，存在一定的失效风险。同时利用 Abaqus有限元仿真软件对接触件2维仿真模型进行力学仿真分析，更加直观地观察到接触件在整个过程中内部各个位置受力、应力、应变的变化情况。其中接触件弹力为5.547 N ，内弯角处最大 Mises 等效应力为1116 MPa ，超出材料的屈服极限，将发生塑性变形。接触件最大拉应力为917.5 MPa，在接触件外弯角偏下侧区域，最大拉应力略小于材料的拉伸强度，无安全裕量，存在一定的断裂失效风险，断裂将在接触件外弯角偏下区域沿 y 轴方向发生。接触件仿真分析结果与理论计算情况高度一致。最后通过对接触件进行机械寿命试验，电连接器经过300次机械寿命试验后总弹力在11.5～11.7 N之间，单个接触件平均弹力为5.75～5.85 N ，进一步验证了理论与仿真分析结果的正确性。因此通过理论分析与有限元仿真对连接器进行定量分析，早期发现结构设计缺陷，可大大缩短了研发周期，对电连接器结构设计具有积极的指导意义。

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第一作者简介：邵明坤（1989-），男，硕士，工程师，研究领域为光电连接技术。

（编辑：刁少华）