李厚琨，邵麗娜，王榮喜，王國(guó)堂，杜艷平

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

基于有限元法的汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

李厚琨，邵麗娜，王榮喜，王國(guó)堂，杜艷平

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

汽車連接器是連接汽車各用電單元的重要零部件，而汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)是汽車連接器實(shí)現(xiàn)良好連接的重要組成結(jié)構(gòu)。本文基于有限元法，運(yùn)用Abaqus分析軟件，對(duì)一種汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。通過(guò)仿真分析，確定掛鼻按壓過(guò)程中最大應(yīng)力區(qū)域，分析其使用可靠性。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)用。

連接器；有限元分析；Abaqus

汽車連接器在整車電路中起到連接各電路子系統(tǒng)的作用。汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)是汽車連接器實(shí)現(xiàn)良好連接的重要組成結(jié)構(gòu)。掛鼻結(jié)構(gòu)能否滿足設(shè)計(jì)要求是連接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。有限元分析方法能夠在設(shè)計(jì)前期對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，避免設(shè)計(jì)失效。本文運(yùn)用Abaqus求解計(jì)算，分析掛鼻結(jié)構(gòu)在按壓過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，找出應(yīng)力最大值及其出現(xiàn)區(qū)域，通過(guò)更改設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)用。

1 有限元分析方法及彈塑性理論模型

1.1 有限元分析方法

有限元分析是基于離散數(shù)學(xué)的一種數(shù)值分析方法，通過(guò)插值迭代等數(shù)學(xué)計(jì)算方法，將復(fù)雜的工程問(wèn)題求解。有限元法廣泛應(yīng)用在當(dāng)今技術(shù)科學(xué)發(fā)展和工程分析。由于通用性和有效性，受到工程制造領(lǐng)域的廣泛重視，并伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，已成為計(jì)算機(jī)輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分。

1.2 彈塑性理論模型

連接器掛鼻結(jié)構(gòu)在按壓過(guò)程中既產(chǎn)生彈性變形又產(chǎn)生塑性變形，彈性模量即楊氏模量和泊松比可很好地描述彈性階段的變化。

塑性變形的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的，應(yīng)力應(yīng)變非單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種非單值性是一種路徑相關(guān)性，因此，在分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系需要考慮加載歷史。有限元法將模型劃分為網(wǎng)格，將本構(gòu)模型集成在網(wǎng)格單元中，能夠有效地分析加載歷史對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響。

根據(jù)發(fā)生的彈塑性變化情況，選擇Ramberg-Osgood模型描述應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Ramberg-Osgood方程用以描述應(yīng)力和應(yīng)變之間復(fù)雜的非線性關(guān)系具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在表達(dá)塑性變形過(guò)程中的應(yīng)變硬化尤為有效，能夠顯示出平滑的彈塑性過(guò)渡階段。

運(yùn)用關(guān)于線性的胡克定律、關(guān)于非線性的von Mises準(zhǔn)則和相關(guān)的流動(dòng)定律，將一維的Ramberg–Osgood方程推廣到多維方程，可得

進(jìn)行彈塑性有限元分析時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線為工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，但在Abaqus中定義材料時(shí)應(yīng)采用真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。利用式（5）、式（6）對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2 有限元仿真及結(jié)果分析

根據(jù)前文理論分析，在Abaqus中輸入材料參數(shù)，應(yīng)將試驗(yàn)所得名義應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，該連接器選用一種PA66增強(qiáng)材料，通過(guò)計(jì)算，其彈性模量為9 300 MPa，泊松比為0.3，真實(shí)塑性應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)見(jiàn)表1，真實(shí)抗拉強(qiáng)度為246.2 MPa。

表1 PA66增強(qiáng)材料真實(shí)塑性應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)表

該連接器形狀設(shè)計(jì)如圖1所示，剖視圖如圖2所示。該設(shè)計(jì)掛鼻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與對(duì)插護(hù)套有效連接，保證護(hù)套相對(duì)位置的結(jié)構(gòu)。在護(hù)套對(duì)插過(guò)程中，需要按壓掛鼻結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在按壓過(guò)程中掛鼻結(jié)構(gòu)的根部承受較大的應(yīng)力集中，是失效危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖1 連接器結(jié)構(gòu)圖 圖2 連接器結(jié)構(gòu)剖視圖

運(yùn)用Abaqus對(duì)該連接器進(jìn)行有限元分析，預(yù)測(cè)應(yīng)力集中點(diǎn)及應(yīng)力最大值。圖3所示為掛鼻按壓過(guò)程中護(hù)套的Mises應(yīng)力云圖。圖4為掛鼻按壓過(guò)程中護(hù)套簡(jiǎn)化為掛鼻結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖。對(duì)比兩圖最大應(yīng)力相差不大可以忽略，且其掛鼻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布一致。為了簡(jiǎn)化模型，節(jié)省計(jì)算資源，只分析掛鼻結(jié)構(gòu)在按壓過(guò)程中的應(yīng)力分布。

圖3 護(hù)套Mises應(yīng)力分布云圖

圖4 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力分布云圖

原始設(shè)計(jì)提供4種設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。4種掛鼻設(shè)計(jì)方案Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

表2 4種設(shè)計(jì)方案

方案1最大Mises應(yīng)力239.1 MPa，方案2最大Mises應(yīng)力228.4 MPa，方案3最大Mises應(yīng)力245.4 MPa，方案4最大Mises應(yīng)力213.1 MPa。結(jié)合Mises等效應(yīng)力和材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論即最大形狀改變比能理論，取安全系數(shù)1.4，抗拉強(qiáng)度為246.2 MPa，則最大Mises應(yīng)力不大于175.9 MPa，才能保證設(shè)計(jì)的安全性。校核4種設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)4種方案均不能滿足設(shè)計(jì)需求。

圖5 4種掛鼻設(shè)計(jì)方案Mises應(yīng)力云圖

對(duì)4種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

1）掛鼻結(jié)構(gòu)按壓過(guò)程中最大應(yīng)力均出現(xiàn)在掛鼻結(jié)構(gòu)根部。

2）4種方案中最大應(yīng)力值較小的設(shè)計(jì)，其掛鼻桿上的應(yīng)力值較大且分布區(qū)域較廣，這是由于在總變形量基本一致時(shí)，掛鼻桿分擔(dān)了掛鼻根部的應(yīng)力，減緩了應(yīng)力集中趨勢(shì)。

3）圓角尺寸不易過(guò)大，若圓角過(guò)大，有可能改變根部尺寸。

基于上述分析，若要改善最大應(yīng)力，則在保證總變形量的前提下，使整個(gè)掛鼻結(jié)構(gòu)有更多的區(qū)域分擔(dān)變形，減弱應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，提出設(shè)計(jì)方案5，調(diào)整掛鼻桿厚度為1.8 mm，掛鼻根部厚度為1.5 mm，采用較小的圓角。分析結(jié)果如圖6所示，最大Mises應(yīng)力為157.7 MPa，小于175.9 MPa，則該設(shè)計(jì)滿足校核條件。

圖6 方案5掛鼻Mises應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

在Abaqus中建立有限元分析模型，有效地預(yù)測(cè)了掛鼻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和最大應(yīng)力，整理分析前文中工作，得出如下結(jié)論。

1）在總變形量不變的情況下，可以通過(guò)更改結(jié)構(gòu)，使變形更廣泛地分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)上，避免應(yīng)力集中。

2）在連接器掛鼻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免掛鼻根部和掛鼻桿在寬度尺寸上有太大差異。

3）考慮到模具加工、注塑工藝等的限制，在該數(shù)量級(jí)下，改變掛鼻根部與上下方結(jié)合的圓角尺寸設(shè)計(jì)，在實(shí)際產(chǎn)品上體現(xiàn)不明顯。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，在該數(shù)量級(jí)下更改圓角尺寸，對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)力集中和最大應(yīng)力值改善影響并不明顯。

［1］ Katsuhiko Ogata．現(xiàn)代控制工程（第3版）［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

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

［3］ 彭強(qiáng)，方慶文.利用有限元分析軟件指導(dǎo)連接器端子設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電元件，2014（1）：3-7．

［4］ 江丙云，孔祥宏，羅元元．ABAQUS工程實(shí)例詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2014．

［5］ 林葉芳.江丙云.閆金金，等.連接器端子件的結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（9）：215-218.

（編輯楊 景）

Design and Analysis of Hanging Structure of Automobile Connector Based on FEA

LI Hou-kun， SHAO Li-na， WANG Rong-xi， WANG Guo-tang， DU Yan-ping
（Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030， China）

The connector is an important part to connect the electrical units of the automobile，while the hanging structure of connector plays a key role in achieving good connection. In this paper，a hanging structure is designed and analyzed with Abaqus based on FEA. Through the simulation，the maximum stress area to pressing the hanging structure is determined， and its reliability is analyzed. By improving the design，a reliable structure is achieved.

connector; FEA; Abaqus

U463.62

A

1003-8639（2017）08-0056-03

2017-05-02