连接器服务器折弯设计的数值模拟

连接器服务器折弯设计的数值模拟

1cae技术的应用早期，电子设备的设计和制造对工程师的工作经验有很大的依赖。采用“贴近试验错误”原则，不断调整和修改实物，提高产品性能。这需要长期的改进，并且积累了缓慢的经验。随着电脑辅助工程CAE(ComputeAidedEngineering)逐步发展成熟,连接器行业引入CAE仿真技术软件可以有效缩短研发周期。近几年计算机运算能力的提高,大幅提升了CAE软件的计算效率和可靠性。目前CAE技术在连接器领域的应用越来越深入,受到工程人员的广泛重视。产品研发前期导入CAE技术,可以对产品CAD模型进行各种结构模拟分析(包括应力、应变、温升、热电耦合、疲劳寿命、动态等)和材料模流分析(包括冲填、保压、冷却、翘曲等),预测产品的性能,优化产品设计,提高连接器的设计可靠性;CAE软件引入虚拟样机概念替代实物实验,降低研发费用与周期。在连接器生产制造阶段,CAE模拟分析制程,协助工程师找出问题产生的原因,提供解决问题的理论依据。2接触应力分析连接器互配时,金属端子弹性变形,连接器接触可靠性与正向力成正比,提高正向力可以改善连接器震动时电讯号瞬断问题。但正向力过大引起端子变形产生内应力对其疲劳寿命存在不利影响,同时端子内应力通过装配面传递给塑胶本体,影响塑胶的强度和连接器本身的稳定性与耐久性。有限元分析FEA(FiniteElementAnalysis)是CAE工程分析中应用最广的数值计算方法,电子连接器产品研发阶段主要用于接触应力分析,特别是弹性端子的正向力分析求解。连接器产品的多项性能参数与弹性端子的正向力大小密切相关,提高端子正向力会对连接器性能产生积极或消极影响,因此产品研发阶段端子弹性变形与正向力模拟仿真非常重要。2.1连接器相互插拔理论连接器互配时,插拔力主要与摩擦力的大小、方向有关,摩擦力大小与端子正向力成正比,与插拔方向相反。根据Rabinowitz提出的接触面摩擦理论,连接器插拔时:μ——摩擦系数F——端子承受的正向载荷τs——端子接触面间的剪切应力H——端子材料硬度k——计算系数,数值大小与接触面的粗糙度值、润滑状态、接触面形状、弹性变形、表面镀层等有关根据公式(3)结论:连接器相互插拔主要是克服接触面的摩擦阻力、大小与端子的正向载荷成正比,与端子接触面的硬度成反比。2.2接触面阻抗的影响连接器阻抗不稳定影响其电性能及信号传递稳定性。包括金属端子材料本身固有电阻、与PCB板固定焊接电阻、接触面导通阻抗3部分组成。材料电阻为固定值,焊接电阻可以通过制程工艺控制。接触阻抗可变,可通过产品设计改变接触面阻抗值并确保其稳定、可控。式中Rc——接触面阻抗F——端子承受的正向载荷从式(4)可以看出,材料电阻率、硬度跟材料特性有关,参数固定不变。正向力数值可变,由端子形状结构决定。端子接触阻抗与正向力成反比,正向载荷F越大,则阻抗Rc越小、越稳定,连接器的电气导通性能越优异。2.3失效前电缆插拔性能的估算连接器每次插拔都会磨损端子接触表面,每行程的磨损可以量化,通过量化算出端子在失效前能够插拔的次数,估算出端子的寿命。k——磨损系数F——端子法向载荷根据式(5),端子材料、插拔行程确定的条件下,端子承受的法向载荷越大,表面磨损程度越严重,耐插拔次数会降低,多次插拔后导通可靠性会变差乃至失效。2.4内应力的影响如图所示,假定端子为一理想悬臂梁,在正向载荷F的作用下,发生弹性变形,偏转位移为d,正向力计算公式:式中F——正向力w——端子材料宽度产品设计时,端子的t、E跟材料有关、固定不变,位移量d根据产品应用要求不能改变,只能通过改变端子宽度w与悬臂长度l来调整正向力F的大小。端子在正向力的作用下发生弹性变形,会产生内应力和剪切应力。弹性端子能否正常工作取决于内应力强度。内应力计算公式:式中σmax——端子最大内应力若端子所受内应力超过其材料许用应力,端子将发生降服,应力集中处发生塑性变形,端子永久变形导致产品功能失效。在d一定的条件下,通过改变悬臂长度l降低端子内应力σ。综上所述,端子正向力对连接器的多项性能产生影响,利弊参半,而端子结构形状决定正向力、内应力大小,因此设计时,需综合考虑产品性能,模拟分析正向力值,优化产品结构。3电缆监控系统及电缆模拟模型的建立某款连接器三维模型如图2所示。产品用于电池连接,结构简单,由一个塑胶本体和4根弹性端子组成。连接电池时端子头部受压缩,应变—载荷关系要求苛刻。如图3所示,装上电池后,端子头部最大压缩量为1.37mm,施加的正向力不得超过140g(为了与FEA模拟软件及测试仪器单位统一,本文中力的单位全部采用克)。为了监控端子弹性变形,保证连接器各项机械、电器性能可靠,且产品能经受住5,000次循环插拔不失效,施加的载荷与端子变形关系需满足表1的要求。因此产品开发前期需导入CAE对端子模型进行应力、应变分析,作为端子设计的理论依据,并可以减少后期实物试配造成时间浪费和经济损失。端子材料为铍铜,牌号C17200TM06,料厚0.15mm,机械性能如表2所示。端子与电池的接触区表面均镀致密性金属金,镀金面的摩擦系数与端子材料、底层镀材、镀层厚度、正向力大小等有关,约为0.15~0.30,取中值摩擦系数0.23对此端子进行CAE分析更接近实际情况。3.1电池有限元模型建立将端子三维设计模型保存为iges格式,导入CAE前处理软件HyperMesh中,划分接触表面网格,如图4所示。为了提高数值分析计算的精确性,并平衡计算工作量,选用四边形网格,元素大小定义为0.08。根据产品应用的真实物理环境,在HyperMesh中分别定义端子、电池有限元模型的类别以及约束力、载荷力、卸载力的方向及端子头部弹性变形位移距离,设置好有限元模型的接触关系并保存文件。输出为in2格式文件,导入CAE分析软件ABAQUS中,在ABAQUS软件里定义好端子材料的各项属性,然后开始进行分析运算。将ABAQUS运算返回的结果res格式文件导入HyperMesh软件进行后处理。图5为端子弹性变形与正向力的关系曲线图,端子在三处指定变形位置所承受的正向载荷如表3所示,满足初始设计要求。图6为端子被压缩1.37mm时的应力云图,最大内应力值为954MPa,位于悬臂梁的180°折弯根部,距离端子头部受力点最远,且没有超过端子材料的屈服强度,依据同类产品测试经验,端子可以经受10,000次以内的插拔。若要精确的插拔次数,还需进行疲劳分析计算。因此,根据CAE的模拟分析结果,端子设计满足连接器性能需求,可以依此开发设计冲压模具,符合产品应用要求。3.2模拟结果分析连接器实物样机制造完毕,需测试验证各项性能是否满足初始设计要求。图7所示为端子实测弹性变形与施加的载荷曲线图,根据实测曲线,端子头部偏移到指定位置时施加的载荷如表4所示,实测值均大于设计值,超出产品要求范围。疲劳测试时端子插拔500次即发生降服、塑性变形,卸载后端子头部无法回复原位,图8中A点折弯插拔800次左右发生断裂,远低于5,000次寿命需求。根据式(6),若其他参数不变,若端子悬臂l变短会引起载荷值F增大。实测端子正向力偏大,应是悬臂梁变短,分析图8端子结构,初步断定为悬臂梁固定端从B点前移到A点导致长度变短。根据式7,端子悬臂l变短,内应力增大,疲劳测试时A处折弯发生断裂证明此处端子内应力最大。根据端子结构变形趋势,建立力学模型,应是端子悬臂A点比B点位置高,导致悬臂梁固定端点从B移到A。重新检查冲压端子零件,经量测,A点比B点高0.12mm,如图8所示。端子悬臂上翘导致压缩过程中,A处弯曲变形优先于B处,悬臂梁的理论固定端点从B点转移到A点,悬臂长度缩短,导致端子正向力实测值超于理论值。根据端子实际形状,建立3D模型,进行CAE模拟分析。应变—载荷曲线如图9所示,接近实测值。图10为模拟端子实物压缩后的应力云图,最大值969MPa,位于端子A处折弯。观察端子在Hypermesh软件里运动过程的应力与变形,A处内应力一直最大,端子头部到A处之间的悬臂变形最剧烈,因此悬臂梁的固定端可以假定在A处。悬臂长度l缩短且应力变大,因此端子多次插拔容易在A处降服,CAE分析与实测互相得到验证。3.3悬臂梁两端孔口的cae分析经测试验证,端子失效与悬臂梁的形状有关,左端点A不能高于右端点B,确保B处优先弹性变形。据此重新修理调试端子连续冲压模具。B处折弯结束,增加一调整工位,调整B处折弯角度>180°,确保A点比B点低0.10mm,如图11所示。建立力学分析模型,电池插入端子头部受压缩,悬臂梁端点B处内应力最大,B处圆弧产生弹性变形,端子头部与A、B段悬臂梁绕圆弧B的圆心旋转,弹性变形范围广。根据优化设计后的端子形状,重新建立FEA模型进行CAE分析。图12为Abaqus软件分析的结果数据经HyperMesh处理得到的变形—载荷关系曲线。端子在三处指定变形位置载荷如表5所示,均在规格内,满足设计要求。图13为端子应力云图,内应力最大值962MPa,位于悬臂梁端点B,距离端子头部受力点最远。优化设计后,端子弹性变形主要在B点处,应力区域集中;而初始设计悬臂端点A、B等高,头部受压时端子变形区域大,内应力分散。虽然优化后端子内应力最大值略高于初始设计,但优化后端子冲压易于模具调试,端子测试弹性变形趋势更强。基于CAE的分析结果,端子优化后满足设计要求。重新测试优化后的连接器产品,端子正向力、疲劳寿命测试均吻合CAE模拟分析结果,满足连接器产品性能要求。4设计优化、模具调试方向,降低制造费用以连接器的端子为研究对象,对其应变—正向力进行数值