謝金祥

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某盲插連接器高密度安裝板的設(shè)計與優(yōu)化*

謝金祥

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

盲插技術(shù)在雷達(dá)設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛。在安裝板的設(shè)計過程中，軸向和徑向配合尺寸是盲插連接器可靠連接的關(guān)鍵。某安裝板上固定有兩型盲插連接器，連接器安裝密度大，數(shù)量多，因而安裝板受力大，易變形。文中根據(jù)安裝板的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，在分析影響插拔可靠性因素的基礎(chǔ)上，介紹了精度控制方法；通過建立安裝板的有限元模型，對安裝板進(jìn)行了靜載荷分析，其仿真結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果基本一致；針對安裝板剛度差、變形大的問題，運(yùn)用有限元法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，按分析結(jié)果選取最優(yōu)的解決方案，滿足了工程應(yīng)用要求。這為相似構(gòu)件提供了一個有效的值得借鑒的設(shè)計與優(yōu)化方法。

盲插連接器；剛度；有限元；靜載荷分析

引 言

盲插連接器因體積小、對接方便，可以節(jié)約系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)空間，有利于雷達(dá)系統(tǒng)的模塊化，可以縮短系統(tǒng)維修與設(shè)備更換的時間，適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)互換性與保障性要求，因而其應(yīng)用越來越廣泛。目前對盲插技術(shù)的研究主要聚焦于連接器本身和安裝機(jī)構(gòu)的對準(zhǔn)設(shè)計。浮動射頻盲插連接器[1-2]、浮動式矩形連接器[3]、自對準(zhǔn)的圓形連接器[4]在文獻(xiàn)中均有所介紹；文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種兩級導(dǎo)銷機(jī)構(gòu)，解決了單級導(dǎo)銷結(jié)構(gòu)中容易卡緊、插拔可靠性差的問題；文獻(xiàn)[6]對射頻盲插結(jié)構(gòu)中的誤差分配及補(bǔ)償設(shè)計進(jìn)行了研究，并對影響盲插的結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行了定性的分析。盲插連接器安裝板作為電氣互聯(lián)的結(jié)構(gòu)支撐，是插拔可靠與否的關(guān)鍵所在。應(yīng)保證安裝結(jié)構(gòu)足夠的剛度，以控制其變形是研究人員的共識。

隨著組件的集成化程度越來越高，同一插拔機(jī)構(gòu)中盲插連接器的使用數(shù)量越來越多，安裝密度也越來越大。在某盲插結(jié)構(gòu)中，安裝板上裝有幾十個連接器，插合時作用在安裝板上的力很大，對安裝板的剛性要求極高。本文在合理控制軸向、徑向尺寸精度的基礎(chǔ)上，通過建立該安裝板的有限元模型，進(jìn)行了靜載荷分析，對安裝板的受力變形進(jìn)行了定量計算，優(yōu)化了安裝板結(jié)構(gòu)，有效地控制了安裝板的變形，解決了該零件初期設(shè)計中暴露的剛度差的技術(shù)問題，滿足了插拔結(jié)構(gòu)互換性與可靠性要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 連接器的選用

根據(jù)電氣性能和環(huán)境條件要求，采用BMA型連接器實(shí)現(xiàn)射頻信號的傳遞，采用J16型連接器實(shí)現(xiàn)電源信號傳輸，組件均安裝固定接觸件連接器。浮動連接器均固定在安裝板上，分別為BMA/SMA-KFK射頻連接器和J16F-MA-8-34S壓接式金屬框架矩形連接器。BMA/SMA-KFK通過懸浮于連接器安裝外殼中的支撐彈簧來實(shí)現(xiàn)浮動，J16F-MA-8-34S通過殼體上軸套來實(shí)現(xiàn)浮動，兩者都允許一定的軸向與徑向誤差。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，安裝板上連接器的安裝密度非常高， 共安裝了68個BMA/SMA-KFK連接器和2個J16F-MA-8-34S連接器。由于J16F-MA-8-34S連接器帶線纜安裝與拆卸，因而其安裝處開有缺口。

圖1 安裝板結(jié)構(gòu)圖

安裝板裝配在機(jī)箱框架上，通過定位孔定位，如圖2所示。機(jī)箱框架由頂板、底板、左右側(cè)板螺接拼裝而成，左右側(cè)板與導(dǎo)向槽實(shí)行一體化設(shè)計，所有零件全部采用數(shù)控加工，以控制安裝板的裝配位置精度。

圖2 安裝板使用示意圖

安裝板上留有與組件定位銷相配合的銷孔，所有連接器的安裝位置以此銷孔為基準(zhǔn)，以控制精度。在盲插合過程中由于定位銷的導(dǎo)向與定位作用，一旦定位銷定位準(zhǔn)確，安裝板和組件上的配對連接器便會良好地連接在一起。

1.3 精度控制

BMA連接器允許的徑向誤差和軸向誤差分別為RBMA徑向= ±0.5 mm和RBMA軸向= ±0.5 mm。產(chǎn)品插合到位后，浮動安裝允許1.27 mm的總位移，安裝應(yīng)保證最少0.26 mm的軸向位移，0.76 mm的軸向位移可以維持最佳的工作狀態(tài)，取0.76 mm的軸向位移為理論尺寸進(jìn)行設(shè)計。J16F連接器允許的徑向誤差和軸向誤差分別為RJ16徑向= ±0.3 mm和RJ16軸向= ±0.25 mm。要保證組件的互換性及插拔的可靠性，每對連接器的軸向與徑向誤差均需控制在其允許的范圍之內(nèi)。

影響連接器插合的徑向精度因素主要有：1)安裝板連接器安裝孔相對定位銷孔的位置精度，取δ1=±0.05mm；2)安裝板上連接器的裝配位置精度,取δ2= ± 0.05 mm；3)組件背板上連接器安裝孔相對定位銷的位置精度，取δ3= ± 0.05 mm；4)組件背板上連接器的裝配位置精度，取δ4= ± 0.05 mm；5)組件定位銷與安裝板銷孔的配合精度，取δ5= ± 0.03 mm。

所有因素誤差的累積Δ徑向=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5= ± 0.23 mm，小于RBMA徑向，也小于RJ16徑向，符合設(shè)計要求。

影響連接器插合的軸向精度因素主要有：

2 初期設(shè)計中暴露的問題

在初期設(shè)計中，安裝板外形尺寸為670 mm × 118 mm × 11 mm,考慮到連接器所允許的穿墻厚度，集中安裝BMA連接器區(qū)域的局部厚度為6 mm，如圖3所示。為簡化結(jié)構(gòu)，方便操作，只在安裝板四角留4個Φ6.5的通孔固定。安裝板材料為鋁板5A05(H112)，精加工前進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。

圖3 設(shè)計初期安裝板模型

實(shí)物使用結(jié)果顯示，在安裝板中間位置有4對BMA連接器的電性能異常，處于連接不可靠狀態(tài)。在組件完全插合的情況下，多人多次采用游標(biāo)卡尺對安裝板的不同位置進(jìn)行了測量并求平均值，測得安裝板上的最大變形值為1.48 mm，已超出安裝板所允許的最大變形量。出現(xiàn)該問題的原因在于幾十只盲插連接器共同插合時，安裝板上受力很大，而該安裝板長寬比大，對剛度的要求極高，只允許極其微量的變形。因此必須通過仿真手段對安裝板的變形進(jìn)行定量分析。

3 仿真分析

本文基于有限元模型對安裝板受力后的變形量進(jìn)行了分析。采用PROE軟件建模，將模型轉(zhuǎn)化成IGES文件，再導(dǎo)入Ansys軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分與靜載荷分析[7]。

3.1 模型及簡化處理

按圖3建立安裝板的三維模型，并對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，以減小計算規(guī)模。將形狀復(fù)雜的BMA型連接器簡化成2 mm厚的鋁板，J16型連接器簡化成3 mm厚的鋁板，忽略對分析過程不產(chǎn)生關(guān)鍵影響的細(xì)節(jié)特征，如連接器固定的螺紋孔等。選用材料為鋁板，參數(shù)為：材料彈性模量E=7.1×104MPa；材料泊松比μ= 0.33；屈服強(qiáng)度σ0.2= 115 MPa；抗拉強(qiáng)度σb= 265 MPa。

3.2 網(wǎng)格劃分

將模型網(wǎng)格劃分為8節(jié)點(diǎn)體單元Solid185，因模型結(jié)構(gòu)相對規(guī)則，采用智能型網(wǎng)格劃分，控制精度為5級。建立的整個實(shí)體三維網(wǎng)格總數(shù)為113 059，節(jié)點(diǎn)數(shù)為29 596。

3.3 載荷與約束

BMA連接器嚙合后，作用在安裝板上的力即為連接器內(nèi)部的支撐彈簧壓縮后彈簧的彈力。BMA連接器的嚙合力≤13.4 N，彈簧的彈力應(yīng)大于連接器的嚙合力，否則將影響接觸可靠性。彈簧的壓縮范圍為0.26 mm～1.27 mm，對應(yīng)的彈簧彈力分別為F1= 18 N,F2= 24 N (彈簧材料為65Mn彈簧鋼絲，鋼絲直徑為0.8 mm，中徑為6.7 mm，根據(jù)彈簧工作負(fù)荷計算公式計算)[1]。在理論上，按BMA連接器處于最佳工作狀態(tài)(壓縮量為0.76 mm)進(jìn)行設(shè)計，此時對應(yīng)的彈簧彈力為F3= 21 N。不考慮安裝板的變形，單個BMA連接器作用在安裝板上的力18 N ≤FBMA≤ 21 N。

連接器J16F-MA-8-34S上使用8芯12#接觸件，每芯的嚙合力0.8 N ≤F≤ 8.35 N。在理論上，連接器嚙合前，作用在安裝板上的力等于連接器的嚙合力；連接器完全嚙合后，作用在安裝板上的力為0。假定連接器尚未完全嚙合，則作用在安裝板上的力6.4 N ≤FJ16≤ 66.8 N。

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安裝板的固定孔定義為全約束。

3.4 結(jié)果與分析

安裝板的變形云圖(FBMA= 21 N，F(xiàn)J16= 66.8 N)如圖4所示，變形最大的區(qū)域與實(shí)際使用中連接器出現(xiàn)連接不可靠的位置一致，均在安裝板的中間位置。

圖4 安裝板變形云圖

對FBMA、FJ16取不同值進(jìn)行加載，安裝板的最大變形計算結(jié)果見表1。安裝板上的最大變形在1.41mm～1.72 mm之間，安裝板變形的實(shí)際測量值小于最大載荷時的變形量，略大于最小載荷時的變形量，據(jù)分析其原因包括：

1)安裝板的變形使部分BMA連接器浮動段壓縮量減小，使部分連接器實(shí)際作用在安裝板上的力小于理論上的最大載荷；

2)連接器J16F-MA-8-34S在未嚙合狀態(tài)下作用在安裝板上的力小于理論上的最大值，甚至有可能在使用中已經(jīng)嚙合，作用在安裝板上的力為零；

3)對有限元模型進(jìn)行了一定的簡化處理，與實(shí)際情況有些許的差別；

4)受實(shí)際工況制約，不允許使用更為精密的測量工具與手段，實(shí)際測量值存在一定的測量誤差。

表1 安裝板變形仿真結(jié)果

考慮到上述因素的影響，實(shí)際測量值與理論計算結(jié)果的最大誤差沒有超過15%，且測量值在理論計算結(jié)果的區(qū)間范圍內(nèi)，所以認(rèn)為該有限元模型較好地模擬了實(shí)際工程應(yīng)用場景，可以采用此有限元方法對安裝板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

4 優(yōu)化設(shè)計

增加安裝板剛度的方法有3種：一是改用剛度更好的材料；二是增加安裝板的厚度；三是在安裝板長度方向增加固定點(diǎn)的數(shù)量。

圖5所示為鋁材和不銹鋼材質(zhì)的安裝板在載荷FBMA= 21 N和FJ16= 66.8 N作用下，最大變形量與板厚的關(guān)系。其中，不銹鋼的材料特性取彈性模量E= 2.06 × 105MPa，泊松比μ= 0.3。除安裝板板厚外，有限元模型其余結(jié)構(gòu)要素完全不變。

圖5 安裝板板厚與變形量的關(guān)系

從圖5中可以看出，增加板厚或使用不銹鋼材料，均會使安裝板的剛度有較明顯的改進(jìn)，但隨著板厚的增加，板厚對剛度改進(jìn)的貢獻(xiàn)越來越小。即使采用不銹鋼材料，并將板厚增加到21 mm，安裝板的最大變形量仍有0.09 mm，大于0.04 mm的要求值，且會大幅增加系統(tǒng)的重量和體積，因此不是理想的改進(jìn)方案。

原安裝板的材料及厚度保持不變，僅在長度方向增加固定點(diǎn)數(shù)也可增加剛度，從安裝的便捷性考慮，安裝板的固定點(diǎn)越少越好。優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案如圖6所示，固定點(diǎn)的數(shù)量逐步增加，分別對安裝板的有限元模型加載FBMA= 21 N，F(xiàn)J16= 66.8 N。

圖6 增加固定點(diǎn)數(shù)改進(jìn)方案示意

各優(yōu)化方案的仿真計算結(jié)果見表2。增加安裝板的固定點(diǎn)可以使安裝板與框架連接成一個整體的剛性體，連接點(diǎn)越多，安裝板的剛度就越好。當(dāng)安裝板的固定點(diǎn)數(shù)增加到10時，理論上即可滿足使用要求。如圖7所示，考慮到設(shè)計余量，最終將固定點(diǎn)數(shù)確定為12，此時安裝板最大變形量僅為0.014 mm，足以滿足使用要求，僅需增加額外的過渡零件連接安裝板與框架。增加額外的過渡零件雖會增加部分裝拆的工作量，但對重量的增加不明顯，也不需額外增加安裝板本身的機(jī)加工量，能以較小的代價滿足設(shè)計要求，是最優(yōu)的改進(jìn)方案。

表2 各優(yōu)化方案仿真結(jié)果

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)變形云圖

按此方案改進(jìn)后的安裝板已裝備某型雷達(dá)數(shù)十臺套。長期使用的結(jié)果顯示，所有通道電性能正常，均未再出現(xiàn)因安裝板變形而引起的連接不可靠問題。

5 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，組件的集成化程度越來越高，盲插連接器的高密度安裝不可避免，合理的精度控制及剛度保證是安裝板設(shè)計過程中的重中之重。

基于有限元法對安裝板的靜載荷剛度分析，定量地模擬了插合狀態(tài)下安裝板的受力變形情況，其有效性得到了工程應(yīng)用驗(yàn)證。在相似構(gòu)件的設(shè)計中，運(yùn)用此方法能夠較準(zhǔn)確地預(yù)估安裝板的變形量，對材料的選擇、結(jié)構(gòu)形式的確定有一定的指導(dǎo)意義。

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謝金祥(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事微波系統(tǒng)及T/R組件結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Design and Optimization of a Plank Assembled Densely with Blind-matching Connectors

XIE Jin-xiang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The blind-matching technology is more and more widely used in the design of radars. Both axial and radial matching dimensions are the keys to perfect connection in the design of planks. A large number of blind-matching connectors (two types) are densely fixed in one plank so that the plank is easily deformed under pressure. In this paper the factors which affect the blind-matching connection are analyzed and a method to control the precision is introduced according to the structural characteristics of the plank. The static load analysis for the plank is carried out by a finite element model and the static load analysis results are coincident with the engineering practice. The plank is further optimized by finite element method to improve its rigidity. The best solution is adopted to meet the engineering requirements. This research provides an effective tool for the design of the similar components.

blind-matching connector; rigidity; finite element; static load analysis

2015-04-27

TM503+.5

A

1008-5300(2015)03-0024-04