基于有限元技术的网络连接器接触特性研究

王孟

关键词：RJ45网络连接器;正向力;非线性分析;接触区域

0引言

在当今網络信息时代，网络信息给学习、办公、生活、娱乐等诸多方面带来了极大便利。网络的构成由服务器端通过网络传输介质光纤及网络双绞线等经过一个或多个网络设备最终传输至个人网络设备PC端。而在这个传输过程中，网络接口成为了信号输入输出的主要门户，使用最为广泛的网络接口网口即RJ45母座，属于网络连接器，在连接器行业称之为RJ45连接器。RJ45连接器的基本性能可分为机械性能、电气性能和环境性能3大类。而机械性能就衔接功能而言，接触区域的大小、接触区域镀层的厚度、镀层的材料等对其机械性能有很大影响，进一步影响了其信号或电力传输的稳定性和可靠性。RJ45连接器结构和材料的多样性、动态接触时的复杂性、接触性能的非线性以及拔插连接的可靠性等，决定了连接器设计计算的复杂性。目前，主要依靠经验及实验对此类连接器进行设计。随着产品更新换代的速度越来越快及产品多元化及微型化，仅靠经验及实验已经很难满足设计需要。

目前各种CAE技术的快速发展，为产品的设计开发提供了便利，可提高产品设计效率及减少产品设计过程中的失误。目前在实际设计过程中，对连接器插拔过程中的接触区域及正向力的研究缺乏理论的支撑，仅凭经验设计可能会出现接触区域位置不对或接触区域偏小影响电气性能、接触区域偏大影响制造成本、插入正向力过大等问题。鉴于此，本文采用Solidworks Simulation有限元仿真技术和实验研究相结合，对某类RJ45连接的接触特性进行分析研究，使用Solidworks Simulation模块来模拟RJ45水晶头的插拔过程，分析连接器在此过程中的正向力以及端子的接触区域。本文介绍的方法，对新产品的设计有较高的参考价值和指导意义，对提高连接器的性能具有重要的理论价值和应用价值。

1RJ45网络连接器

RJ45连接器是通过机械方法产生的电性连接产品，主要由屏蔽壳、主体胶壳、端子、端子镀层4部分组成，如图1所示。主体是由塑胶组成，对RJ45连接器端子起隔离、保护及固定的作用，一般使用的材料有PBT、PA66、PA46、LCP等防火料;端子在整个线路中起导通连接作用，并产生和维持与水晶头接触面之间的压力，一般使用磷青铜作为端子的主要材料;端子镀层防止端子表面氧化，并可以起到加强端子接触面导通左右，一般接触面镀金，焊接面镀锡;屏蔽壳对产品起保护及美化的作用，多使用黄铜镀镍作为RJ45连接器屏蔽壳。设计时需对图1中端子上表面增加金属镀层（通常为镀金），尤其是接触区域镀层厚度相比于其他端子表面更厚。因此对接触区域的精确分析，有利于降低生产成本。

2某RJ45网络连接器接触特性模拟研究

2.1背景概况

根据工程要求，依据相关国际标准、公司质量规范及客户需求规格书，设计了某客户需求的RJ45网络连接器，在该连接器中端子结构材料取导电性能、耐热性能和机械性能均良好的耐腐蚀性的铜合金（牌号C5218），端子结构如图2所示。与端子配合接触的是标准水晶头，如图3所示。需对该结构的接触区域和正向力进行模拟分析。

2.2实体模型创建

在实际插拔过程中，水晶头与连接器端子的接触，实为水晶头铜片与端子弹针的接触过程。探索该插拔过程的接触区域，即为分析铜片与弹针的接触区域。为了节约工作量及模型简单化，根据产品对称性的特点，利用Solidwork对水晶头铜片及端子弹针实体模型进行简化，如图4所示。

2.3水晶头与端子插拔过程有限元分析

2.3.1有限元模型构建

本文主要分析插入过程中弹针的接触区域和所受正向力。有限元建模时，假设水晶头铜片为刚体，端子弹针是材质均匀且是完全各向同性，其变形是弹塑性变形。弹性模量取1.6×10N/m2，泊松比取0.37，屈服强度取105MPa，密度取3 180 kg/m。网格划分时，端子弹针设定网格单元边长为0.06mm，铜片网格单元边长为0.1mm，均以扫掠的方式划分网格。网格划分结果如图5所示。

2.3.2接触区域与正向力模拟分析

该型号连接器水晶头铜片插入时在主体胶壳内垂直方向位置尺寸为0.237in（6.02mm），最大插入位移为0.166in（4.22mm），如图6所示。

分析时，采用非线性分析，将铜片圆弧面与弹针上表面设为接触对，将铜片其他面设为固定约束，弹针端面设为固定约束。

根据实际应用情况，设置插入时间为1s，拔出时间为1s，插入距离为0.166in，进行2次插拔过程，总计算时长4s。通过对插拔过程的模拟后，得到第1次和第2次插入时最大正向力均为0.155kgf（1 kgf～9.8N），如图7所示。

模拟得出其弹针接触区域，如图8所示。最近接触点距弹针最右顶端4.93mm;最远接触点距弹针最右顶端3.27mm;则其接触区域为最近接触点与最远接触点位置之间的区域，则接触区域长度为4.93mm-3.27mm=1.66mm。

3某RJ45网络连接器接触特性实验研究

3.1接触区域实验分析

把实验样品的端子涂上颜色，再用水晶头插入5～10次，使水晶头与端子接触区域的涂色完全被擦掉，找出水晶插头与金手指的连接点，拆下单个弹针，测量两连接点的距离即为接触区域的长度，如图9所示。接触区域长度与位置测量如表1所示。将表中端子接触区域测试结果与有限元模拟结果相比较可知，测试结果与模拟结果一致。在原设计中，根据经验设计将其接触区域（镀金区域）长度设计为3mm，根据分析结果可将接触区域缩短到2mm，减少厚镀金区长度，进而降低制造成本。

3.2连接器正向力测试

本文采用专用的测试设备及夹具对连接器样品进行连接器插入过程中的正向力测试，如图10所示。测试得出的正向力数值如表2所示。由表可知，正向力实验测试结果与有限元模拟结果相符，证明有限元分析方法的可行性。由此可在新产品设计阶段应用此方法获得其正向力，验证是否满足客户规格书要求，减少了设计风险。

4结束语

本文采用Solidworks Simulation有限元仿真技术和实验研究相结合，对某RJ45连接的接触特性进行分析研究，得出了连接器插拔过程中的正向力和端子的接触区域，其实验结果与有限元模拟分析结果高度相符。由此可知本文介绍的有限元分析方法的可行性，对于新产品设计阶段有很重要的指导意义，有利于提高新产品的开发速度，缩短研发周期，具有一定的工程应用价值。