歐陽(yáng)波儀

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲 412001)

電動(dòng)汽車某連接器彈片式接觸端子的優(yōu)化設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)波儀

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲 412001)

以彈片式接觸端子裝配時(shí)的插入力、拔出力和應(yīng)力為質(zhì)量特性，以端子使用后不會(huì)產(chǎn)生永久變形為目標(biāo)，利用響應(yīng)曲面法與有限元分析法完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用統(tǒng)計(jì)軟件 Minitab以線性回歸方法建構(gòu)模型，驗(yàn)證了采用響應(yīng)曲面法建立的回歸模型具有良好的預(yù)測(cè)性。

彈片式接觸端子；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元分析

0 引言

電子連接器是電動(dòng)汽車上非常關(guān)鍵的器件之一，其公端圓柱端子和母端彈片端子裝配(如圖1所示)，在接觸界面上產(chǎn)生正向接觸力，從而達(dá)到傳輸電流或信號(hào)的目的。正向接觸力是由母端彈片端子提供，為提高傳輸性能，希望正向接觸力越大。然而，正向接觸力增大會(huì)使得插拔力增大，而使得操作難度增加、連接器壽命降低。因此，連接器端子設(shè)計(jì)要滿足低插拔力、足夠正向接觸力的要求。行業(yè)內(nèi)常以“經(jīng)驗(yàn)+試驗(yàn)”確定彈片式接觸端子的力臂、寬度等幾何參數(shù)，雖然能滿足要求，但需要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)修正，設(shè)計(jì)效率不高。

圖1 電子連接器工作原理示意圖

對(duì)此，作者以圖1中彈片式接觸端子為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法(Design of Experiments，DOE)和有限元分析設(shè)計(jì)法，對(duì)母端彈片端子幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足低插拔力、足夠正向接觸力的要求。

1 相關(guān)理論分析

1.1 正向接觸力與插入力分析

將彈片式接觸端子的公端視為剛體，插入過(guò)程中的每個(gè)瞬間，插入力與接觸力呈靜力平衡，可以用庫(kù)侖摩擦定律計(jì)算[1]。如圖2所示，由于摩擦力的關(guān)系，接觸力的方向?yàn)檎蚪铅准由掀颇Σ两铅?，在接觸點(diǎn)上有兩個(gè)力，一個(gè)是正向力Fn以及與其垂直的切線方向力Ft，而兩個(gè)力之間的關(guān)系為Ft=μFn(μ為摩擦因數(shù))，兩個(gè)力的合力F在y方向的分力可以用式(1)表示：

Fy=Fnsinψ+Ftcosψ=Fnsinψ+μFncosψ

(1)

Fy為接觸點(diǎn)上所需要的插入力，在x方向力F的分力可以用式(2)表示：

Fx=Fncosψ-Ftsinψ=Fn(cosψ-μsinψ)

(2)

插入過(guò)程中，開(kāi)始作用點(diǎn)是公端圓柱端子的前端導(dǎo)圓角，接觸到母端彈片端子，就會(huì)有力產(chǎn)生，當(dāng)接觸角變成0°，作用力趨于平緩不再有變化。

圖2 插入力分析

1.2 響應(yīng)曲面法的應(yīng)用分析

響應(yīng)曲面法是廣泛運(yùn)用于工程問(wèn)題的一種優(yōu)化統(tǒng)計(jì)方法，能夠有效地利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以回歸方法表示質(zhì)量因子的參數(shù)，再以技術(shù)優(yōu)化達(dá)到質(zhì)量?jī)?yōu)化的結(jié)果[2]。響應(yīng)曲面法不但可回歸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更能夠判別實(shí)驗(yàn)中各因子的效果，甚至是復(fù)雜的因子間交叉效應(yīng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的檢定、殘差的分析，還可檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度與可信度。

2 有限元分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用性價(jià)比較高的磷青銅(C521)為接觸端子的材料[3]，其彈性模量為110 kN/mm2、泊松比為0.34、屈服強(qiáng)度為593 N/mm2。此連接器間距為10 mm×10 mm，受空間限制，采用厚度為1 mm的板材。

2.1 模型設(shè)計(jì)

如圖3所示，利用Pro/E建立連接器彈片式接觸端子的3D模型，轉(zhuǎn)為STEP格式提供給ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，采用ABAQUS/Standard 的二次四面體元素(C3D10M)網(wǎng)格。以連接器彈片式接觸端子的幾何參數(shù)為分析要素，以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法規(guī)劃有限元分析方案，利用反應(yīng)曲面方法將模擬方案的分析結(jié)果構(gòu)建反應(yīng)曲面模型，以探討公端圓柱端子的插入力與拔出力，進(jìn)而完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 幾何設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 邊界與網(wǎng)格設(shè)定

如圖4所示，母端兩側(cè)與塑料端子座采取限位處理，沒(méi)有任何軸向的自由度運(yùn)動(dòng)；公端圓柱端子會(huì)沿著負(fù)Y軸方向作插入動(dòng)作和拔出動(dòng)作，因此設(shè)定公端圓柱端子的位移為1 mm，其余均為0。將母端有限元模型的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為介于0.5×104～9.5×104之間，并以每1萬(wàn)個(gè)元素網(wǎng)格為增量，觀察網(wǎng)格數(shù)量和插入力及拔出力計(jì)值結(jié)果的關(guān)系，選擇適當(dāng)?shù)脑鼐W(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行分析。由于當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量7萬(wàn)以上時(shí)，有限元分析的插入力與拔出力可收斂至一穩(wěn)定值，故文中后續(xù)仿真分析的有限元模型皆采用7萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格元素來(lái)建立。

圖4 CAE模型及邊界條件

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定母端端子滿足預(yù)設(shè)插入力及拔出力的質(zhì)量特性要求，如圖3所示，選擇彈片力臂長(zhǎng)L、彈片根部高度H、彈片力臂切口寬度W以及彈片式接觸端子接觸區(qū)間隙D為質(zhì)量因子，其他的幾何相關(guān)參數(shù)均為固定數(shù)值不變動(dòng)。

采用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，每個(gè)質(zhì)量因子的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)皆采用三水平，分別以編碼變量-1、0、1代表。每個(gè)質(zhì)量因子的自然變量水平與編碼變量水平的關(guān)系如表1所示。依照響應(yīng)曲面四因子三水平設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)表2所示的25組實(shí)驗(yàn)。

表1可控制因子及水平表

mm

表2 Box-Behnken 的四因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)安全分析

為了驗(yàn)證所設(shè)定的邊界條件是否合理，以現(xiàn)有端子實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，如表3所示，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)趨近，表明有限元分析值是可參考的。

表3 現(xiàn)有端子實(shí)測(cè)值與現(xiàn)有端子有限元分析數(shù)值 N

依據(jù)響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃表2中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，由ABAQUS有限元軟件分析，得到圖5所示的應(yīng)力分布圖。將每一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的最大插入力、最大拔出力以及母端子的最大應(yīng)力值進(jìn)行優(yōu)化處理，得到表4所示的模擬點(diǎn)與結(jié)果。對(duì)表中28組重復(fù)角點(diǎn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的等效應(yīng)力進(jìn)行分析，都沒(méi)有超出材料屈服強(qiáng)度，即公端圓柱端子插入與拔出的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生永久變形，可視為安全設(shè)計(jì)。

圖5 應(yīng)力分布圖

序號(hào)彈片力臂長(zhǎng)L/mm彈片根部高度H/mm切口寬度W/mm接觸區(qū)間隙D/mm插入力/N拔出力/N應(yīng)力/(N·mm-2)11.550.300.3250.130.1400.053485.421.550.400.3250.130.1890.072533.931.350.300.3250.130.2050.077586.041.350.400.3250.130.2870.108586.051.550.350.3000.130.1580.060470.261.550.350.3500.130.1720.065559.371.350.350.3000.130.2340.088586.081.350.350.3500.130.2550.096586.091.550.350.3250.180.1000.044384.0101.550.350.3250.080.2400.081586.0111.350.350.3250.180.1490.065537.2121.350.350.3250.080.3510.115586.0131.450.300.3000.130.1610.061528.8141.450.300.3500.130.1770.067581.2151.450.400.3000.130.2160.082586.0161.450.400.3500.130.2370.090586.0171.450.300.3250.180.1000.044356.8181.450.300.3250.080.2420.081586.0191.450.400.3250.180.1380.061433.0201.450.400.3250.080.3310.110586.0211.450.350.3000.180.1140.050374.4221.450.350.3000.080.2720.091586.1231.450.350.3500.180.1240.054400.4241.450.350.3500.080.2980.099586.1251.450.350.3250.130.1950.074545.5261.450.350.3250.130.1950.074545.5271.450.350.3250.130.1950.074545.5281.450.350.3250.130.1950.074545.5

3.2 模型回歸與實(shí)驗(yàn)

采用 Minitab 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣本回歸分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，回歸模型采用二階多項(xiàng)式標(biāo)準(zhǔn)模型：

(3)

其中：y代表因變量；x代表自變量；β代表模型系數(shù)；ε代表模型殘差，可利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以回歸方法決定?；貧w采用的因子水平系以自然變量值表示。

回歸模型的顯著性可以用其F統(tǒng)計(jì)量判定，數(shù)值越大，代表模型越顯著?；貧w模型的變異解釋能力可以用其判定系數(shù)R2判定，越接近1代表對(duì)變異的解釋能力越強(qiáng):然而，復(fù)雜度高的模型會(huì)有高估變異能力的傾向，因此修正為利用調(diào)整判定系數(shù)R2判定。

回歸自由度為14、殘差自由度為13，在信心水平為95%的條件下，分析得到插入力、拔出力和應(yīng)力預(yù)測(cè)值的殘差常態(tài)概率分別如圖6所示，可以看出沒(méi)有明顯偏離，證實(shí)該方法的可行性。

圖6 插入力、拔出力和應(yīng)力預(yù)測(cè)值的殘差常態(tài)概率圖

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

端子材料磷青銅的屈服強(qiáng)度為593 N/mm2，并且根據(jù)需求，設(shè)計(jì)插入力及最小拔出力分別為0.263 N及0.079 N。采用統(tǒng)計(jì)軟件Minitab求解，所得到的優(yōu)化參數(shù)(即質(zhì)量因子)如表5所示。

表5 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)(即質(zhì)量因子) mm

利用Minitab分析得到如圖7所示的有限元分析等效應(yīng)力圖，可以看出能夠達(dá)到端子使用后不會(huì)產(chǎn)生永久變形的目標(biāo)。

圖7 最佳化幾何組合有限元分析結(jié)果

進(jìn)一步以有限元分析結(jié)果為參照，插入力、拔出力及應(yīng)力等質(zhì)量特性的統(tǒng)計(jì)值誤差都小于±2%，驗(yàn)證了采用響應(yīng)曲面法建立模型具有良好的預(yù)測(cè)性。因此，應(yīng)用文中方法分析其他類似彈片式接觸端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為工程設(shè)計(jì)上的參考。

4 小結(jié)

通過(guò)響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，采用 Minitab 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析，從插入力、拔出力和應(yīng)力預(yù)測(cè)值的殘差常態(tài)概率可以看出沒(méi)有明顯偏離，說(shuō)明這一方法是可行性的。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)插入力及最小拔出力分別為0.263 N及0.079 N，采用統(tǒng)計(jì)軟件Minitab求解，得出L=1.38 mm、H=0.37 mm、W=0.32 mm、D=0.15 mm，以有限元分析結(jié)果為參照，驗(yàn)證了采用響應(yīng)曲面法建立模型具有良好的預(yù)測(cè)性，可為工程設(shè)計(jì)上的參考。

[1]趙經(jīng)東.剛性接觸懸掛銅鋁接線端子斷裂分析[J].城市軌道交通研究,2012,15(11):111-113,116.

ZHAO J D.Analysis of Fractures on Copper and Aluminum Connector in Rigid Overhead Catenary System[J].Urban Mass Transit,2012,15(11):111-113,116.

[2]徐衛(wèi)國(guó).基于響應(yīng)曲面法的波形彈簧片沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù),2017(3):175-179.

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[3]歐陽(yáng)金棟.磷青銅薄板的微塑性成形尺度效應(yīng)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2015.

OptimizationDesignofShrapnelContactTerminalforConnectorofElectricVehicle

OUYANG Boyi

(Hunan Automotive Engineering Vocational College，Zhuzhou Hunan 412001，China)

Taking the assembly insertion force, pull out force and stress as quality characteristics, taking the terminal not produce permanent deformation as the goal,the response surface method and the finite element analysis were used to make optimization design of the long arm of the shrapnel contact terminal, the mathematic model was built with linear regression method based on Minitab statistical software.The results verify that the regression model built with response surface method has good prediction performance.

Shrapnel contact terminal; Optimization design; Finite element analysis

2017-06-07

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(16C0820)

歐陽(yáng)波儀(1978—)，男，碩士，副教授，從事模具設(shè)計(jì)制造教學(xué)與研究。E-mail：oyby721@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.011

U469.72

A

1674-1986(2017)10-047-04