王永安，楊建璽

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

基于ABAQUS和DOE的冠簧插孔力學(xué)分析

王永安1，2，楊建璽1

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

將ABAQUS和DOE有機(jī)結(jié)合起來，運(yùn)用DOE的分組及分析數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能，確定接觸電阻試驗(yàn)方案；運(yùn)用ABAQUS得到冠簧的力學(xué)性能。再次使用Minitab的DOE功能，利用各因子及交互因子對(duì)冠簧的正壓力和應(yīng)力分別進(jìn)行分析，得出各自的效應(yīng)圖，得到了置信區(qū)間大于95 %的正壓力和應(yīng)力的回歸方程。

ABAQUS；DOE；冠簧插孔；有限元

ABAQUS是國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件之一，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，如應(yīng)力［1］、變形、振動(dòng)沖擊、熱傳導(dǎo)、熱電耦合［2］、力電耦合分析等。在設(shè)計(jì)階段，使用ABAQUS分析產(chǎn)品可以完善設(shè)計(jì)和降低制造成本，從而提高新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益［3］。

DOE（Design of Experiment）試驗(yàn)設(shè)計(jì)，一種安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法；試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行合理安排，以較小的試驗(yàn)規(guī)模（試驗(yàn)次數(shù)）、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論［4］。

DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究與處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)方法，DOE具有優(yōu)化產(chǎn)品的過程設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期和降低開發(fā)成本的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)［5］。從航天業(yè)到一般生產(chǎn)制造業(yè)，DOE被廣泛應(yīng)用，但是需要做試驗(yàn)的費(fèi)用也相當(dāng)高。ABAQUS可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析，模擬計(jì)算產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低制造成本。但是，如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合適，ABAQUS卻不能給出指導(dǎo)性的意見，不能使人們更快速地修整設(shè)計(jì)方案。把ABAQUS和DOE結(jié)合起來，可以更科學(xué)、快速地向正確的設(shè)計(jì)方案靠攏，而不增加試驗(yàn)成本。本文將在冠簧插孔的力學(xué)分析上介紹怎樣將ABAQUS和DOE結(jié)合起來使用。

1 基于DOE的接觸電阻試驗(yàn)

1.1 接觸電阻試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康模核O(shè)計(jì)的冠簧在生命周期內(nèi)都能滿足承載較大的電流且溫升較低。

由于冠簧插孔每個(gè)簧條的正壓力不容易測(cè)量得到，本文采用測(cè)量接觸電阻的方式，間接評(píng)估冠簧插孔正壓力的狀態(tài)。

按照?qǐng)D1所示的方法測(cè)出電阻R1、R2和R3，壓接電阻Ra= R2-R3，接觸電阻Rb=R1-R3。

圖1 接觸電阻測(cè)量示意圖

1.2 接觸電阻試驗(yàn)步驟

首先，準(zhǔn)備壓接導(dǎo)線的樣品10套。其次，按照?qǐng)D1所示，測(cè)量電阻R3、R2和R1，并記錄數(shù)據(jù)。接觸電阻要求如表1所示。

表1 接觸電阻要求

1.3 確定響應(yīng)變量

冠簧需要承載較大的電流且溫升較低，在整個(gè)生命周期內(nèi)必須保證冠簧的接觸電阻較小，因此，冠簧必須有足夠的正壓力，確保單個(gè)簧條能在冠簧的整個(gè)生命周期內(nèi)都有足夠的正壓力。簧條在變形過程中的最大應(yīng)力不應(yīng)使簧條產(chǎn)生永久變形而影響冠簧的可靠性。

本次試驗(yàn)的響應(yīng)變量：①單個(gè)簧條觸點(diǎn)正壓力不小于0.8 N［6］；②簧條上的最大應(yīng)力不應(yīng)超過720 MPa。

1.4 選擇并篩選關(guān)鍵因子

冠簧的材料確定為CuNiSi TM3 δ=0.2 mm，則關(guān)鍵因子為簧條向內(nèi)變形的高度H，單個(gè)簧條圓弧最高點(diǎn)到冠簧中心平面的力臂L，簧條壓縮的過贏量D（圖2，其中A點(diǎn)被壓縮的距離定為D），本文確定使用這3個(gè)參數(shù)作為關(guān)鍵因子。

現(xiàn)在該試驗(yàn)確定了3個(gè)關(guān)鍵因子，分別為高度H、力臂L、過贏量D；3個(gè)因子全部都是數(shù)字型因子，可以為設(shè)定范圍內(nèi)的任意一個(gè)數(shù)值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置為兩水平試驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高度的低水平設(shè)置為0.8 mm，高水平設(shè)置為1.2 mm；力臂的低水平設(shè)置為0.9 mm，高水平設(shè)置為1.3 mm；過贏量的低水平設(shè)置為0.3 mm，高水平設(shè)置為0.5 mm。使用minitab中的DOE創(chuàng)建因子設(shè)計(jì)進(jìn)行全因子的非隨機(jī)方式創(chuàng)建試驗(yàn)方案，試驗(yàn)順序見表2。

圖2 關(guān)鍵因子圖示

表2 試驗(yàn)順序表

2 ABAQUS CAE力學(xué)分析

2.1 三維實(shí)體建模及應(yīng)力分析

本文使用專業(yè)的三維建模軟件UG來建立實(shí)體模型，通過ABAQUS軟件自帶的軟件接口，將三維模型導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行有限元分析。

在對(duì)冠簧插孔分析時(shí)，在滿足計(jì)算精度要求的范圍內(nèi)，為了提高運(yùn)算速度，對(duì)冠簧結(jié)構(gòu)中的元件進(jìn)行了如下的適當(dāng)簡(jiǎn)化處理：①冠簧使用2個(gè)簧條為一組進(jìn)行分析；②簡(jiǎn)化了簧條兩端的圓弧凸起；③使用平面壓縮簧條代替插針的插入；④使用平面限制簧條的下平面。經(jīng)過簡(jiǎn)化后的三維實(shí)體模型如圖3所示。ABAQUS CAE應(yīng)力分析結(jié)果見表3。冠簧的應(yīng)力分布云圖見圖4。

圖3 簡(jiǎn)化后的三維實(shí)體模型

表3 ABAQUS CAE應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 冠簧的應(yīng)力分布云圖

2.2 正壓力和應(yīng)力模型的建立

根據(jù)DOE功能，找出置信區(qū)間大于95 %的正壓力和應(yīng)力的回歸方程為

式中：F——正壓力；P——應(yīng)力；D——過贏量；H——高度；L——力臂。

2.3 最佳因子設(shè)定值的確定

根據(jù)表3確定的單個(gè)簧條觸點(diǎn)的正壓力為0.8 N，試驗(yàn)中三維模型為2個(gè)簧條、4個(gè)接觸點(diǎn)，所以所需的正壓力應(yīng)為3.2 N；而材料CuNiSi TM3在150 ℃時(shí)的應(yīng)力緩和率為13 %，所以2個(gè)簧條所需的正壓力F為3.67 N。高度H和力臂L選擇1.2 mm和0.9 mm，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出壓縮距離D約為0.45 mm，根據(jù)公式（2）可以算出此時(shí)的應(yīng)力P為672.546 MPa，小于材料CuNiSi TM3的屈服強(qiáng)度720 MPa。所以最佳因子為：D=0.45 mm，H=1.2 mm，L=0.9 mm。

2.4 確認(rèn)試驗(yàn)

按照DOE的理論，需要對(duì)最佳因子進(jìn)行再次確認(rèn)試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否能滿足需要。此次試驗(yàn)是CAE分析，而且該最佳因子可以從標(biāo)準(zhǔn)序4的分析過程中看到，符合試驗(yàn)?zāi)康?，所以勿需再進(jìn)行驗(yàn)證。

3 冠簧設(shè)計(jì)改進(jìn)及分析

3.1 冠簧設(shè)計(jì)改進(jìn)及再試驗(yàn)

根據(jù)D O E、C A E分析得到的最佳因子（D=0.45 mm，H=1.2 mm，L=0.9 mm），對(duì)冠簧和插孔的方案進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)修改后的產(chǎn)品再次進(jìn)行接觸電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)量的壓接電阻和接觸電阻結(jié)果見表4。

表4 壓接電阻和接觸電阻數(shù)據(jù) mΩ

3.2 數(shù)據(jù)分析

由于冠簧插孔每個(gè)簧條的正壓力不容易測(cè)量得到，故而采用測(cè)量接觸電阻的方式間接評(píng)估冠簧插孔正壓力的狀態(tài)。采用數(shù)字微歐計(jì)測(cè)量冠簧插孔的壓接電阻和接觸電阻，從試驗(yàn)前的壓接電阻和接觸電阻對(duì)比來看，這兩項(xiàng)值都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，從而反映出冠簧插孔正壓力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

對(duì)上述產(chǎn)品又做了溫升試驗(yàn)，并且在溫升后又驗(yàn)證了壓接電阻和接觸電阻，都符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而證明了該方法的有效性。

把DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)和ABAQUS CAE相結(jié)合，把DOE的分組及分析數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能應(yīng)用于ABAQUS CAE上，把2種方法的優(yōu)點(diǎn)集中起來，可以更科學(xué)、快速地向正確的設(shè)計(jì)方案靠攏，而不增加試驗(yàn)成本。

［1］丁元淇，康金燦，杜艷平，等.車用連接器端子的結(jié)構(gòu)仿真分析［J］.汽車電器，2016（7）：51-53.

［2］丁元淇，李曉英，李厚琨，等.車用插接器電熱性能仿真分析［J］.汽車電器，2016（7）：39-41.

［3］王永安，張文建，梁晉豫. CAE分析產(chǎn)品的彈性變形［J］.汽車電器，2010（12）：13-14.

［4］馬天飛，崔澤飛，佟靜. 基于Isight和AMESim的液壓減振器關(guān)鍵參數(shù)集成優(yōu)化［J］. 汽車工程，2015， 37 （1）：97-101.

［5］劉曉劍，王玲，萬超. DOE法在無鉛波峰焊工藝優(yōu)化中的應(yīng)用研究［J］.電子工藝技術(shù)，2013，34（1）：10-13.

［6］葛世超. 鍍銀觸點(diǎn)材料動(dòng)態(tài)電接觸特性研究［D］.北京： 北京郵電大學(xué)， 2013.

（編輯 楊 景）

Mechanical Analysis of Crown Spring-socket Based on ABAQUS and DOE

WANG Yong-an1，2， YANG Jian-xi1
（1. Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China; 2. Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030， China）

In this paper， ABAQUS and DOE are combined organically， using DOE grouping and data analysis function to determine the resistance test strategy， and the mechanical properties of crown spring are obtained by ABAQUS. The positive pressure and stress of Minitab's DOE function are analyzed for each factor and interaction factor to get their respective effect graphs. Finally， the regression equation of positive pressure and stress with confidence interval greater than 95 % is obtained.

ABAQUS； DOE; crown spring-socket; finite element

U467.5

A

1003-8639（2017）06-0054-03

2016-12-16

王永安（1982-），工程師，從事汽車連接器研發(fā)和項(xiàng)目管理工作。