某天线系统连接用簧片电接触故障分析

杨 静

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

某星载天线系统由多个相同的电子设备搭接而成，每个电子设备均为独立结构，相邻两个电子设备间通过簧片实现电信号连接。因为铍青铜具有优良的机械性能，能够制造成不同的形状，用于配合不同的使用要求和安装方式，所以选用铍青铜簧片作为天线系统连接用的弹性接触件。簧片在两设备间搭接时应为良好的导体，在对天线系统电测时发现，某簧片搭接区域的电信号出现异常。拆下簧片后观察，电信号差的区域内簧片出现明显的变形，而其他位置的簧片无明显变形。

已有研究表明，簧片接触可靠性直接影响设备的电性能[1]。触点作为簧片上的直接接触位置，是影响接触可靠性的一个重要因素[2]，触点断开将造成接触故障[3]。对于本文所研究的天线系统，为了查明故障原因，需要揭示簧片变形与触点分布的内在联系，但受现场测试条件的限制，难以实现对搭接后狭小区域内簧片的触点定量研究，并且簧片搭接是一个动态过程，不能等效为静态载荷处理，这些都给故障分析带来了困难。

通过仿真手段进行动态接触研究已经应用于很多领域[4-6]，但关于铍青铜簧片的研究目前主要集中在热处理工艺、热变形控制[7-9]等方面，对铍青铜簧片搭接过程的动态接触研究较少。为了定量研究簧片接触可靠性，揭示簧片搭接后变形和触点、应力分布的关系，本文将采用非线性接触动态仿真方法，定量地研究簧片应力、触点分布，并提出改进建议，进一步提高簧片接触可靠性。

1 仿真建模

1)模型及安装形式。

图1所示为本文研究所用的簧片结构和搭接示意图，簧片由厚1.5 mm的铍青铜薄板加工而成。簧片安装方式为一端用螺钉固定，另外一端通过挤压压紧在电子设备外壁上。

图1 簧片结构和搭接示意图

2)建模。

通常情况下，刚度较大的电子设备采用刚体建模，簧片采用变形体建模。本文根据结构和搭接形式预估簧片接触区域，采用分区域划分网格的方法处理模型。对预接触区域内网格进行细化时，网格大小需能反映触点的分布特征。建立的簧片有限元模型如图2所示。

3)接触对。

对于文中所采用的簧片搭接结构(如图1(b)所示)，分析时需要同时考虑2组接触对的情况，即簧片与电子设备1、簧片与电子设备2的动态接触。

4)边界条件。

装配误差的存在会造成电子设备间距不一，本文选用3种间距进行分析，对应的簧片可产生0.8,1.0,1.2 mm 3种压缩位移。

2 簧片初始变形对触点的影响

1)簧片无初始变形。

簧片受到压缩，位移分别为0.8,1.0,1.2 mm时，簧片上触点的分布如图3所示，图中给出的接触状态数值为量化值，数值为1时表示已经接触。可以看出，3种压缩位移条件下，簧片上触点分布情况相似，沿簧片长度、高度方向呈连续、均匀的条带状分布，接触区域内无断点。

2)簧片有初始变形。

经测量，簧片预接触区域内有0.2～0.3 mm的变形，初始变形较为明显。本文采用3D扫描仪测量簧片上各点的初始变形数据，然后通过三维建模软件构造出簧片几何模型，如图4所示。

具有初始变形的簧片搭接后触点沿簧片长度、高度方向呈分散、不连续分布，如图5所示。其中压缩位移为0.8 mm时，簧片触点的连续性、均匀性最差，两相邻接触点沿簧片长度、高度方向的最大距离分别可达17 mm和7 mm。

图4 带有初始变形的簧片几何模型

图5 具有初始变形的簧片搭接后的接触状态分布

3 簧片初始变形对应力的影响

1)簧片无初始变形。

随着压缩位移增大，簧片在保持与电子设备均匀接触的同时其上的应力也在增大。如图6所示，对应于压缩位移分别为0.8,1.0,1.2 mm时，簧片上最大应力分别为25,31,37 MPa，均出现在簧片开槽边缘处。

2)簧片有初始变形。

如果簧片自身存在凸凹不平的初始变形，会造成搭接后触点分布不均匀、触点附近应力较大。随着受挤压程度增加，簧片在自身变形协调作用下会降低触点分布的不均匀程度，簧片应力也随之减小。图7给出了应力计算结果，在压缩位移为0.8,1.0,1.2 mm时，应力最大值分别为143,79,43 MPa，最大应力出现在不同的位置。

图6 簧片搭接后等效应力分布(MPa)

因簧片上的最大应力远低于铍青铜的屈服强度1 000 MPa，可断定搭接过程中簧片仅发生了弹性变形，没有出现塑性变形。

4 簧片电接触故障分析及改进措施

根据分析可知，故障簧片拆后发现的变形与搭接过程无关。形状良好的簧片搭接后触点呈均匀连续的分布，相邻两触点之间无断点；带有初始变形的簧片触点分布分散、不连续，断点较多。由此可以推断，簧片初始变形过大是造成电接触故障的主要原因。为了验证仿真结论，更换天线系统搭接用的故障簧片并重新测试电性能，发现电性能良好，电接触故障消失，证明了本文的仿真分析可靠有效。

选用形状良好的簧片可以避免天线系统发生电接触故障。考虑到簧片在加工或运输过程中，受外部因素影响可能会产生不同程度的形状改变，本文拟采用增大簧片底部折弯角度的改进方案，使得簧片在同样装配间距的情况下产生更大的压缩变形，从而减小初始变形带来的负面影响。图8所示为仿真分析得到的电子设备间距为2.2 mm、簧片底部折弯角增加5°后，与上述初始变形相同的簧片搭接后触点和应力分布情况。沿着簧片长度和高度方向，两相邻触点的最大距离分别为12 mm和5 mm，较原设计触点的分散程度(如图5(a)所示)有所降低。簧片上最大应力为190 MPa，虽然较原设计应力(如图7(a)所示)有所增大，但仍有足够的安全裕度不至于产生塑性变形。仿真结果表明，增大簧片底部折弯角度可有效降低触点分散程度。

图7 具有初始变形的簧片搭接后等效应力分布(MPa)

5 结论

1)簧片初始变形是影响搭接后触点分布的一个重要因素，初始变形较大时簧片上触点分布分散，断点严重，会造成天线系统搭接后电接触故障。

2)搭接过程中簧片不会发生形状改变，簧片拆后发现的变形来源于簧片自身。

图8 簧片改进结构接触分析结果

3)选用形状良好的簧片，可以避免天线系统出现电接触故障，通过簧片结构形式的优化也可降低簧片初始变形带来的不良影响。