葉煜松，尹飛鴻,2，王晨峰，何偉杰

（1.常州工學院機電工程學院，常州 213002；2.江蘇省數(shù)字電化學加工重點實驗室，常州 213002；3.常州工學院延陵學院，常州 213002）

0 引言

電子系統(tǒng)是由許多互通互聯(lián)的連接器構(gòu)成，通過連接器實現(xiàn)傳輸電流或信號的作用，并能完成電路預定的功能。因其具有快速插拔、易分離、節(jié)省空間、高密度安裝、鎖定提示、鎖定安全可靠、低插拔力、可實現(xiàn)機械化自動操作、外殼易清潔等優(yōu)點，廣泛應用于電子、航空、航天、計算機、船舶、通訊、家電等領域。連接器連接端子的截面幾何拓撲形態(tài)不僅決定了其接觸彈性，還決定了正向接觸力和接觸面的大小，最終將影響信號或電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。就力學角度看，連接器微小的結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)的多樣性、動態(tài)接觸時的復雜性、接觸形態(tài)參數(shù)同接觸性能的非線性以及拔插連接的可靠性等特征，決定了連接器設計計算的復雜性。因此，對于連接端子的設計目前還停留在依靠經(jīng)驗和試驗的研究階段[1～3]。隨著產(chǎn)品設計與更新周期的加快，產(chǎn)品不斷高速化及微型化，經(jīng)驗型設計已經(jīng)不能滿足需要。現(xiàn)代CAE設計與優(yōu)化技術的快速發(fā)展，連接器的性能可借助于計算機在設計時加以模擬分析，從而極大地提高了設計效率，減少了設計過程中產(chǎn)生的失誤。因此，開展連接器壓裝力學行為及風險評估研究，找到其諸多設計參數(shù)中的主要問題，對提高連接器的連接可靠性、簡化問題的復雜性，具有重要的理論價值和應用價值。

1 銅基針眼結(jié)構(gòu)簡介

銅基針眼相當于簡支梁結(jié)構(gòu)，在插入印刷電路（簡稱為PCB）板的電鍍套孔的過程中，兩側(cè)梁結(jié)構(gòu)與電鍍套孔內(nèi)壁接觸時，會受力并向內(nèi)側(cè)變形，在孔內(nèi)壁與針眼之間形成足夠的正向壓力，從而保證針眼結(jié)構(gòu)在變形后可以保持可靠的接觸。在結(jié)構(gòu)上，銅基針眼結(jié)構(gòu)可以劃分成預插區(qū)、插入?yún)^(qū)、過渡區(qū)、保持力區(qū)、端子強度區(qū)，其具體劃分如圖1所示。預插區(qū)主要用于將針眼端子頭部導入電鍍套孔內(nèi)。在插入?yún)^(qū)內(nèi)針眼形成兩個簡支梁，針眼端子與PCB板圓孔開始產(chǎn)生干涉。過渡區(qū)主要起連接插入?yún)^(qū)與保持力區(qū)的作用。在保持力區(qū)，內(nèi)外針眼可形成力學中兩個結(jié)構(gòu)復雜的簡支梁，針眼端子和PCB板圓孔產(chǎn)生干涉，針眼端子壓入完畢，提供保持力。針眼端子強度區(qū)主要提供針眼端子根部強度，防止插入時折斷或壓彎[4]。

2 銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔基座壓裝工程實例

2.1 工程概況

圖1 銅基針眼結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分

根據(jù)工程要求，依據(jù)《最新連接器選型設計制造新工藝、新技術與質(zhì)量檢驗使用調(diào)試標準規(guī)范實用手冊》，設計了某工程需求的電連接器，在該連接器中銅基針眼結(jié)構(gòu)材料取導電性能、耐熱性能(2200C)和機械性能均良好的耐腐蝕性的銅-鎳-鋅合金(Cu65%,Ni12%,Zn23%)，銅基針眼結(jié)構(gòu)如圖2所示。銅基針眼結(jié)構(gòu)的連接和支撐載體取PCB板，在PCB板上鉆一系列對應于針眼間距的φ0.41 mm的孔，孔內(nèi)壁沉積一層薄銅，PCB板厚度0.295 mm。要求分析該結(jié)構(gòu)壓裝時的應力情況及插入和拔出力。

圖2 銅基針眼結(jié)構(gòu)

2.2 實體模型創(chuàng)建

有限元分析的基礎是三維實體模型的創(chuàng)建，為了簡化建模的工作量、減少計算時間，建模時取單個銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔局部區(qū)域為壓裝過程的研究對象，將PCB板圓孔基座模型上壓裝口倒R=0.02的圓角，在大型有限元分析軟件ANSYS中，運用命令流的形式創(chuàng)建如圖3所示的求解分析實體模型。

圖3 銅基針眼結(jié)構(gòu)與PCB板圓孔基座模型

2.3 銅基針眼結(jié)構(gòu)壓裝有限元分析

2.3.1 有限元模型構(gòu)建

建模時,假定所有材質(zhì)均勻且是完全各向同性，其變形是彈塑性的，工件已消除了初始殘余應力,模型中的所有結(jié)構(gòu)全部采用ANSYS軟件中的8節(jié)點3維動態(tài)顯式結(jié)構(gòu)3DSolid164實體單元模擬。設置銅基針眼結(jié)構(gòu)材料模型為非線性非彈性雙線性隨動硬化模式，密度取7.0×10-9t/mm3，彈性模量取1.0×105Mpa，泊松比取0.3，屈服強度取200Mpa，剪切模量取60Mpa[5～9]。對于PCB板圓孔基座則設置為線性彈性，密度取7.8×10-9t/mm3，彈性模量取2.0×105Mpa，泊松比取0.3。網(wǎng)格劃分時，銅基針眼結(jié)構(gòu)設定網(wǎng)格單元邊長為0.05mm，PCB板圓孔基座以掃掠的方式劃分網(wǎng)格，圓環(huán)面的所有圓弧線分成15份，內(nèi)外圓柱面的高度方向分成25份，該模型共有單元18493個，節(jié)點15886個。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3.2 銅基針眼插拔時的應力分析

分析時，根據(jù)非線性接觸分析的理論，通過命令流的形式定義銅基針眼插入?yún)^(qū)、過渡區(qū)和保持力區(qū)的外壁與PCB板圓孔基座的內(nèi)圓柱面為接觸對，在PCB板圓孔基座的外圓柱面施加全約束。設置插入時間為0.0001s，拔出時間為0.0001s，插入距離為2.5mm，拔出距離為2.5mm,在銅基針眼結(jié)構(gòu)的上平面施加了y方向的位移，PCB板圓孔基座的外圓柱面為全約束[10]。通過對針眼壓裝過程的動態(tài)顯式分析后，得到如圖5所示的最大應力隨時間的變化情況。插入時，隨著時間的變化，應力逐步增大，當時間為0.00005s時，產(chǎn)生的應力最大值為621.003Mpa，如圖6、7所示，之后有所波動后逐漸減小，當時間為0.0001s時，銅基針眼插入到最大位置，插入過程結(jié)束，此時仍存在應力，最大值為201.941Mpa。拔出過程中最大應力逐漸減，當時間為0.000106s時，產(chǎn)生的應力最大值為237.098Mpa，如圖8、圖9所示，之后殘余最大應力基本在200Mpa上下有微小波動，當時間參數(shù)為0.0002s時，銅基針眼回到初始位置，此時結(jié)構(gòu)中存在的應力最大值為188Mpa。

圖5 銅基針眼插入和拔出時最大應力變化情況

圖6 銅基針眼與PCB板圓孔基座插入時的最大應力云圖

圖7 銅基針眼插入時的最大應力云圖

圖8 銅基針眼與PCB板圓孔基座拔出時的最大應力云圖

圖9 銅基針眼拔出時的最大應力云圖

2.3.3 銅基針眼插拔力分析

為了了解銅基針眼結(jié)構(gòu)插入和拔出PCB板圓孔基座時所需要的力，文章提取了PCB板圓孔基座在插入和拔出時最大反力隨時間變化的曲線，如圖10所示。由圖可見插入時反力最大值為2.9N，拔出時反力最大值為0.25N。所以，該銅基針眼結(jié)構(gòu)壓裝過程中插入力必須大于2.9N，拔出時拔出力必須大于0.25N。

3 結(jié)束語

圖10 插拔反力隨時間變化曲線

本文利用ANSYS有限元軟件對針眼孔端子和PCB板圓孔的壓裝力學行為進行了數(shù)值分析，得到了插入和拔出時的應力情況以及插拔反力隨時間變化的變化情況。本文所提出的研究思路擴展了同類產(chǎn)品的設計手段和方法，提高了新產(chǎn)品的研發(fā)速度，縮短了開發(fā)周期，簡單實用，具有一定的工程實用價值。

[1]范瑞娟.非線性有限元方法在結(jié)構(gòu)接觸分析中的應用[M].國防工業(yè)出版社.2006.

[2]潘駿.電連接器接觸件結(jié)構(gòu)分析與插拔試驗[J].中國機械工程.2013(6)：33-35.

[3]高健,吳福迪,王立峰,皂偉濤,趙云峰.插拔裝置密封件的有限元分析[J].宇航材料工藝.2013,43(1)：46-49.

[4]潘鋒.針眼孔形狀順應針力學機理研究[D].上海交通大學.2009.

[5]尹飛鴻.有限元法基本原理及應用[M].高等教育出版社.2010.

[6]張敬佩,李初曄.過盈配合產(chǎn)生的接觸壓力和拔出力計算[J].機械工程與自動化,2011,(1)：7-9.

[7]王振宇.過盈配合的選擇方法[J].機械制造與自動化,2006,35(5)：61-63,65.

[8]陳緯,趙霞.輥道裝配過盈配合有限元分析[J].機械工程與自動化,2011,(2)：93-95.

[9]孫長青,張洪才,劉勁濤,張陳.功能梯度涂層滾壓強化的有限元分析[J].機械設計與制造.2014(4)：192-194.

[10]劉杰,卿啟湘,文桂林,張青春.大直徑直孔套管起拔力仿真計算[J].機械設計與制造.2014(4)：202-205.