陳望， 曾晶晶

（1.番禺得意精密電子工業(yè)有限公司，廣州 511458；2.清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511510）

1 引言

USB連接器是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫腎/O類連接器之一，通過USB連接器，我們可以很方便地將電腦、打印機(jī)、手機(jī)、隨聲聽、照相機(jī)等等相互連接，而且彼此之間還能相互傳遞數(shù)據(jù)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，一方面，人們對USB連接器提出了更高的要求，傳遞速率也越來越高；另一方面，USB連接器的硬件開發(fā)向成本更低、性能更高、使用壽命更長的趨勢發(fā)展。

由于計(jì)算機(jī)集成技術(shù)和仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，3C系列產(chǎn)品的CAE仿真越來越受到大家的關(guān)注，而有限元方法正是該領(lǐng)域中最為成熟的分析手段之一，在3C領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，ABAQUS軟件被認(rèn)為是功能最強(qiáng)大的有限元分析軟件之一，可以分析各種復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，特別是能夠駕馭龐大且復(fù)雜的高度非線性問題［1］。USB插座端子的結(jié)構(gòu)和性能是保證USB連接器可靠性的重要因素之一，因此USB連接器的插座端子的應(yīng)力分析一直是人們在設(shè)計(jì)過程中關(guān)注的熱點(diǎn)之一，本文以ABAQUS有限元分析軟件為平臺，對某USB插座端子進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。

2 USB插座端子有限元分析模型的建立

在建立USB插座端子接觸有限元模型時(shí)，對其受力狀況作出一定的假設(shè)和簡化，它是在保證所研究對象的基本特征和受力狀態(tài)盡量真實(shí)的前提下進(jìn)行的。

USB插座端子有限元模型的假設(shè)和簡化包括：（1）為減少不必要的分析運(yùn)算，不考慮對USB插座端子應(yīng)力分析結(jié)果影響很小的插頭插入過程。（2）將與插座端子接觸的塑膠假想為剛性體，插頭接觸端子假想為剛性體。（3）只考慮USB插座端子在插頭端子剛性體的作用下，下壓行程為USB插頭和插座端子分別處于自由狀態(tài)時(shí)二者的干涉值。（4）由于USB插座端子的結(jié)構(gòu)形狀大致相同，故只考慮1片端子的應(yīng)力情況。

2.1 建立ABAQUS有限元模型

本文USB插頭和插座的實(shí)體模型是在三維建模軟件SolidWorks中建立的，同時(shí)利用軟件的裝配功能將二者裝配在一起，其裝配圖如圖1所示，左邊接頭為插頭，右邊接頭為插座。而后將其裝配圖導(dǎo)入ABAQUS軟件，利用ABAQUS軟件的模型功能，刪除一些對分析無用的部分，甚至有時(shí)候還需自己創(chuàng)建一些邊和面，同時(shí)修復(fù)幾何模型中可能存在的如小尖角、自由邊等幾何缺陷。如此采用SolidWorks和ABAQUS相結(jié)合的建模方法，得到與實(shí)際產(chǎn)品狀況較為接近的分析模型。

圖1 USB插頭和插座的裝配圖

2.2 定義材料

USB插座端子采用黃銅（銅鋅合金），彈性模量E=1.1×105MPa，泊松比 μ=0.33。

2.3 網(wǎng)格劃分

ABAQUS提供了大量不同種類的單元類型以滿足各種分析類型的需要，本文USB插座端子采用C3D8R單元類型，即實(shí)體三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元類型。使用C3D8R單元類型可以得到較為精確的求解結(jié)果，且當(dāng)網(wǎng)格存在扭曲變形時(shí)有限元分析的精度不會受到較大的影響［2］。插頭端子剛性體部件采用R3D4單元類型，即三維四邊形剛性單元類型，用來模擬三維剛性體的二維表面。

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的大小和數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算時(shí)間，在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)綜合考慮。如圖2中某USB插座端子的網(wǎng)格所示，端子模型共有2種結(jié)構(gòu)方案，一種為有凸包的結(jié)構(gòu)，一種為無凸包的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分時(shí)，需要對凸包和應(yīng)力集中區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)進(jìn)行細(xì)化。

圖2 USB插座端子的網(wǎng)格

2.4 接觸關(guān)系的處理

接觸是一種極度不連續(xù)的約束狀態(tài)，屬于高度非線性力學(xué)問題，接觸過程常常會涉及到3種非線性，即材料非線性、幾何非線性和接觸面非線性［3］。而本文研究的USB插座端子的接觸分析屬于大變形問題，涉及包含3種非線性關(guān)系，其接觸狀況尤為復(fù)雜。

ABAQUS/Standard在分析接觸問題上采用的是主-從接觸算法，用Newton-Raphson方法求解非線性方程組［1］，因此能夠很好地模擬大變形問題。在ABAQUS/Standard中，需將幾何非線性開關(guān)Nlgeom設(shè)為ON，同時(shí)在滑移公式中選擇有限滑移模式，它允許接觸面之間發(fā)生較大的相對位移和轉(zhuǎn)動。

2.5 邊界條件和載荷

進(jìn)入Load模塊，在主菜單中選擇BC-Create命令，對模型施加邊界條件，對USB插座端子與塑膠干涉的區(qū)域施加全部約束，同時(shí)對USB插頭端子剛性體施加位移載荷。

圖3 USB插座端子的Mise應(yīng)力分布云圖（單位：MPa）

3 有限元分析結(jié)果

3.1 最大應(yīng)力分析結(jié)果

圖3是USB插座端子的Mise應(yīng)力分布云圖，應(yīng)力值的大小分別用不同灰度代表，灰度值大代表應(yīng)力值大。從圖3中可以直觀地看出，有凸包結(jié)構(gòu)的端子Mise應(yīng)力的最大值為 516.6MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度；無凸包結(jié)構(gòu)的端子Mise應(yīng)力的最大值為299.1MPa，還不到有凸包結(jié)構(gòu)的3/5，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。

3.2 USB插座端子接觸區(qū)域所受應(yīng)力的大小

USB插座端子接觸區(qū)域所受應(yīng)力的大小見圖4，從曲線可以看出，USB插座端子正常工作時(shí)所受的正向力大小應(yīng)為其接觸區(qū)域所受應(yīng)力的最大值，故有凸包結(jié)構(gòu)的端子正向力為0.4281N，無凸包結(jié)構(gòu)的端子正向力為0.3973N，其中有凸包結(jié)構(gòu)的端子正向力增幅為無凸包結(jié)構(gòu)的8%左右。

圖4 USB插座端子接觸區(qū)域所受應(yīng)力曲線

3.3 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

取無凸包的USB插座樣品在自動插拔力測試機(jī)上測試，將其端子所受應(yīng)力結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1。由表1可以看出有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較相近。

表1 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

4 結(jié)論

（1）本文利用ABAQUS軟件建立USB插座端子的簡化模型進(jìn)行接觸分析，有限元分析所得到的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相近，說明了有限元模型的簡化和邊界條件的設(shè)定是合理的，為后續(xù)類似產(chǎn)品的有限元分析提供了依據(jù)。

（2）從分析結(jié)果來看，有凸包結(jié)構(gòu)的端子Mise應(yīng)力的最大值接近材料的屈服強(qiáng)度，可優(yōu)化的空間不大；反之，無凸包結(jié)構(gòu)的端子Mise應(yīng)力的最大值還不到有凸包結(jié)構(gòu)的3/5，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，端子還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，可以進(jìn)一步減少端子的體積，從而節(jié)約金屬材料和降低成本。

（3）從分析結(jié)果來看，有凸包結(jié)構(gòu)的端子正向力增幅為無凸包結(jié)構(gòu)的8%左右，當(dāng)對正向力大小有特別要求時(shí)，可以采用有凸包結(jié)構(gòu)。

（4）從分析結(jié)果來看，無凸包結(jié)構(gòu)的端子正向力試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析的結(jié)果要大。初步分析是由于有限元分析中材料的設(shè)定值通常是偏下限的，而實(shí)際材料的屬性通常要大于此設(shè)定值。

（5）由上可知，基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，對USB端子進(jìn)行有限元分析，對指導(dǎo)和完善USB連接器的設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)際意義。

［1］ 莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［2］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 宮龍穎.ABAQUS 接觸問題淺析［J］.煤炭科技，2009，35（7）：66-68.