开槽接触件优化设计与软件实现

许荣星，朱 宁,2

(1. 上海航天科工电器研究院有限公司，上海普陀区，200331；2. 哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨，150001)

1 引言

电连接器广泛应用于各种电气线路中，是线路中的连接中枢，起到传导电信号的作用。电连接器应用涵盖航空、航天、兵器、船舶、汽车等众多领域[1]，其工作可靠性影响着整个系统的可靠性，因此随着各个系统的发展，对电连接器设计要求也越来越高[2]。

接触件是电连接器中传输信号的关键，对接触件的优化设计开展研究很有必要。接触件的形式多样，有开槽式插孔对刚性针、麻花针对刚性孔、冠簧孔对刚性针、线簧孔对刚性针、刷状接触件等，其中开槽式接触件应用最为广泛，因此选取开槽插孔对刚性针的接触对进行深入研究[3]。目前，接触件设计主要有按经验、依据有限元仿真结果等手段，虽然可以设计出符合分离力指标的接触件，但有限元分析时间较长，进行大规模计算优化慢，很难得到最佳的参数组合，急需寻找一种快速计算方法对接触件进行优化设计。

本文首先对各种开槽插孔和刚性针的分离力进行公式推导，为后续大规模优化计算和软件实现打下基础，然后基于田口方法得出接触件尺寸优化算法，最后基于PHP语言对算法进行编程实现，应用该接触件优化设计软件可以很快得出最优的尺寸组合，并可以通过调整公差来提高接触件分离力的CPK值，给接触件设计提供参考。

2 开槽接触件分离力推导

首先对两开槽接触件的分离力进行推导，两开槽插孔为悬臂梁模型，这基于以下假设：插孔臂为弹性变形，即收口过程中没有压缩过度，仅压缩到插孔口部刚好碰上的状态，对于过度收口的插孔，悬臂梁模型不适用。

插孔模型如图1所示，为了方便积分计算，将原来的水平式开槽转化为向心式开槽结构，经过和实际对比该简化导致的误差小于5%。

图1 插孔单边横截面图和悬臂梁模型参数

根据悬臂梁公式，单个弹臂的正压力可以表示为公式(1)。

(1)

式中，P为正压力，E为插孔材料弹性模量，J为插孔臂截面相对于质心的惯性矩，fA为插孔臂挠度，L为插孔臂长度。

可以看出，除了惯性矩J其余均为给定值，因此只需要对惯性矩进行进一步推导，截面相对于中心轴x1的惯性矩JX1相对容易推导，这两个惯性矩之间存在关系式(2)。

(2)

式中，A是截面的面积，ys是截面质心到x1轴的距离。

推导JX1，如图2，选取一个微元，该微元距离圆心距离为X，对应圆心角为dθ，径向长度为dx。

图2 截面参数设置

截面关于Y轴对称，总的惯性矩是右边部分惯性矩的两倍。则该截面关于x1轴的惯性矩为公式(3)～(5)。

(3)

由公式(1)、(2)、(3)可得

(4)

对于两开槽插孔，分离力F=2μP，所以有

(5)

式中，μ为摩擦系数。

对于4、6、8开槽，与两开槽的主要区别在与圆心角α以及插孔臂数不同，通过推导发现圆心角可以统一为开槽数N的函数，最终得到多开槽插孔统一分离力计算式为公式(6)和(7)。

(6)

(7)

式中，w为开槽宽度。

3 田口方法

田口方法是日本田口玄一博士提出的一种低成本、高收益的质量工程方法，将提高产品质量的关注点放在了设计端。田口方法选取对产品性能影响较大的尺寸、工艺等参数作为可控因素，通过控制可控因素的水平和配合，使产品性能达到最佳，且产品性能对噪声因素的敏感程度降到最低，从而提高和稳定产品质量。

产品质量特性会受到外干扰、内干扰和物间干扰而产生波动，对于接触件来说就是接触件分离力随尺寸波动(如公差)、贮存环境条件、各种外部应力作用下会发生波动，从而导致原本满足设计指标的分离力发生偏移而出现失效的情况。因此，在进行接触件尺寸设计时不仅要考虑分离力满足指标要求，而且还需要考虑尺寸在公差范围内波动时分离力波动要尽可能的小[4]。由于田口方法计算信噪比和灵敏度方差过程很复杂，且确定调整因素数值有一定主观性，不利于程序实现，因此选择通过对比各个方案的CPK值来确定最优参数组合。

4 开槽接触件优化设计

4.1 整体思路

接触件优化设计思路如图3。先选择开槽数，然后输入接触件的尺寸参数与公差、材料，根据输入参数计算出该参数组合的分离力及CPK。优化分析时，在几个关键参数的设计值范围内按等间距取全部排列组合求取其分离力，选取最接近设计中值的10个参数组合，然后分析这10个参数组合对应分离力的CPK，选取CPK最高的三个参数组合，最终输出这3组最优解的分离力分布及CPK。

图3 接触件优化设计流程图

4.2 软件实现

采用前端jQuery，后端PHP的模式进行软件开发。要计算开槽插孔和刚性针的分离力，需要输入插针直径、插孔外径、插孔内径、插孔开槽长度、插孔开槽宽度、插孔收口后上下两半内部间距以及插孔材料，其中各尺寸除了插孔收口后上下两半内部间距其他的都会有公差。除此之外，为计算分离力的CPK值还需要输入开槽接触件分离力的范围。计算CPK时，将各个带公差的输入量在其公差带范围内进行均分，并通过排列组合选取10000个参数组合，分别求取10000个参数组合对应的分离力，最后根据分离力的设计范围算出CPK。

优化分析时，选取几个关键参数：插孔开槽长度、插孔开槽宽度、插孔收口后上下两半内部间距最为变量，在这三个变量设计范围内以0.01mm间距取点，得到所有点的排列组合分布，得到设计变量范围内的所有参数组合，求取这些参数组合的分离力，然后根据分离力设计中值选取10个最接近中值的参数组合，分别计算着10个参数组合在各个尺寸公差范围内的分离力CPK值，最后选取3个最高CPK值的参数组合作为最优解备选方案呈现出来。

接触件优化设计软件截图如图4，最上面右边部分为各个参数输入框，用户可以根据需要选择插孔的类型、开槽的数量等，下面紧挨着的第一个图为输入量对应的分离力分布及CPK值，可以直观的看出当前设计尺寸的合理性，下面三个图为优化分析后得出的三组最优解的分离力分布及其CPK，供用户参考和选择。

图4 软件界面截图

4.3 分离力的计算、仿真及试验对比

选取某型号四开槽接触件10对进行分离力试验测试，并根据实测的收口量分别应用编制的软件和ANSYS进行计算，得到三者的结果对比如表1所示。从表1可以看出，计算、仿真、试验三者的结果很接近，且计算值相对仿真值基本偏小，而测试值则有大有小，这是因为测试本身存在误差而导致测试结果上下波动，而仿真和计算均是基于公式计算，结果不存在双向波动，且计算时因为去除掉了一小块截面，计算结果会比仿真结果稍小一些。

表1 计算、仿真与试验分离力对比

5 结论

(1)基于悬臂梁对多开槽插孔接触件的分离力进行了推导，并将2、4、6、8开槽应用统一的公式进行了表达。

(2)运用“田口方法”和分离力公式总结出多开槽接触件的优化计算方法，并应用PHP语言进行编程，使该算法得到软件实现。

(3)对开槽接触件进行计算、仿真和试验对比，对比结果证明了计算公式的正确性。