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        基于Ansys Workbench 的高速連接器端子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2020-08-26 07:36:44霍柱東
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:當(dāng)量端子導(dǎo)向

        肖 文,霍柱東,孫 望

        (深圳市得潤電子股份有限公司,廣東深圳 518107)

        0 引言

        隨著中國5G 事業(yè)的蓬勃發(fā)展,對通信相關(guān)制造業(yè)的需求日益增加[1]。高速連接器作為5G通信設(shè)備的基礎(chǔ)元器件,起到傳輸信號和電流的作用,其可靠性與整個系統(tǒng)的可靠性息息相關(guān)。接觸件作為高速連接器傳遞信號和電流的核心零件,對高速連接器的性能有決定性作用,絕大多數(shù)的連接器功能失效,是由接觸件的接觸功能失效導(dǎo)致的[2-3]。

        接觸對的失效與正向力密切相關(guān),合適的正向力是連接系統(tǒng)接觸良好的前提,但并非正向力越大越好。當(dāng)正向力達(dá)到一定區(qū)間后,系統(tǒng)的接觸電阻趨于穩(wěn)定,不再減小,過大的正向力反而會導(dǎo)致接觸面的磨損,減小連接器的耐久性;而連接器的插拔力又與正向力、摩擦因數(shù)緊密相關(guān)[4-5],故合適的插入力對連接器的良好接觸不可或缺。

        國內(nèi)關(guān)于高速連接器的插入力仿真有限元模型分析較少,本文在研究某典型56 GB高速連接器設(shè)計的基礎(chǔ)上,建立了單對端子的有限元接觸模型,得出了插合時的最大插入力和最大當(dāng)量應(yīng)力,并在此基礎(chǔ)上設(shè)置了3 個設(shè)計變量、2 個目標(biāo)函數(shù),建立了端子的多目標(biāo)響應(yīng)面參數(shù)化模型[6]。

        1 有限元接觸模型

        1.1 端子設(shè)計模型

        此款連接器接觸端子包括公座端子和母座端子。公座端子為下料型端子,公座母座對插時,公座端子全部固定,依靠母座的彈臂彈性變形產(chǎn)生正向力而產(chǎn)生彈性接觸。由于公座端子的變形幾乎為0,為加快非線性分析的收斂速度,故將公座端子設(shè)置為剛體,母座端子設(shè)置為彈性體[7]。接觸件有限元分析模型如圖1所示。

        圖1 接觸件有限元分析模型

        根據(jù)接觸面和目標(biāo)面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),將公端端子的接觸表面設(shè)置為目標(biāo)面,母端彈臂的接觸表面設(shè)置為接觸面。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),本文所研究的端子的滑移距離為1.27 mm;公座母座端子均采用C7025,其材料屬性如表1所示。

        表1 接觸件材料及屬性

        1.2 有限元模型建立與分析結(jié)果

        為了模擬端子的工作情形,本文創(chuàng)建的是分離狀態(tài)下的模型。在插入行程中,在插入方向上給公端端子2 mm 的位移,此時端子滑移距離正好為1.27 mm。在母座端子的背部和錫盤表面施加固定約束,根據(jù)實(shí)際接觸情況,接觸類型選擇摩擦接觸,摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2[8]。

        通過計算分析,其當(dāng)量應(yīng)力云圖如圖2所示;插入力曲線如圖3所示。由圖2可知,母端端子受力較大處集中在彈臂末端處,符合實(shí)際工作情況,最大工作應(yīng)力為1 177.5 MPa,大于C7025屈服強(qiáng)度,有疲勞失效的風(fēng)險。由圖3 可知,公端端子的最大插入力為0.72 N,不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值0.6 N,因此需要利用參數(shù)化建模仿真,對該款端子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[9]。

        圖2 母座端子應(yīng)力云圖

        圖3 插入力變化曲線圖

        圖4 母端端子結(jié)構(gòu)示意圖

        2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計分析

        2.1 數(shù)學(xué)模型

        在優(yōu)化設(shè)計中同時要求兩項或兩項以上設(shè)計指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值的問題,稱為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計問題。由于本文中端子的PIN距及Housing的配合尺寸無變化,為了配合安裝,母端端子(圖4)的配合尺寸不變,只改變彈臂的基本尺寸。本文選取影響插入力的3 個主要尺寸,即整體高度P1、導(dǎo)向角P2、彈臂高度P3。

        根據(jù)有限元模型,可求解出端子的插入力P4和最大當(dāng)量應(yīng)力P5,端子能夠滿足工作要求時,插入力P4≤0.6 N為優(yōu)化目標(biāo),同時將最大當(dāng)量應(yīng)力P5最小化,得到端子的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:

        2.2 參數(shù)靈敏度及響應(yīng)面分析

        通過Design Exploration優(yōu)化模塊對數(shù)學(xué)模型建立設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面優(yōu)化模型,進(jìn)行擬合和計算,得到了各優(yōu)化目標(biāo)隨設(shè)計變量變化的敏感程度柱狀圖,如圖5 所示。最大插入力P4與整體高度P1、彈臂高度P3的變化總趨勢為反向,與導(dǎo)向角P2的變化總趨勢為正向;最大當(dāng)量應(yīng)力P5與整體高度P1、導(dǎo)向角P2、彈臂高度P3變化總趨勢為反向。其中導(dǎo)向角和彈臂高度對最大插入力和最大應(yīng)力影響最大。

        圖5 靈敏度柱狀圖

        因此取導(dǎo)向角、彈臂高度兩個設(shè)計變量作為輸入?yún)?shù)的x軸、y軸,分別得出最大當(dāng)量應(yīng)力和插入力的響應(yīng)面模型如圖6所示。最大插入力P4隨著彈臂高度P3的增大而減小,隨著導(dǎo)向角P2先增大再減小;最大當(dāng)量應(yīng)力P5隨著導(dǎo)向角和彈臂高度的增大而減?。?0-12]。響應(yīng)面模型與靈敏度柱狀圖分析結(jié)果相同,故綜合兩者可以得出哪些設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的影響最大,此方法可用于最終優(yōu)化設(shè)計點(diǎn)的挑選。

        圖6 響應(yīng)面模型

        2.3 結(jié)果分析

        由圖5 ~6可知,整體高度對最大插入力的影響很小,可以忽略,所以在優(yōu)化分析時,只考慮導(dǎo)向角和彈臂高度的影響。通過Design Exploration 優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化計算,樣本數(shù)量輸入1 000,計算求解出3個最佳設(shè)計點(diǎn)。響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)如表2所示。3個最佳設(shè)計點(diǎn)對應(yīng)的最大插入力均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.6 N,最大應(yīng)力超過屈服極限。綜合結(jié)構(gòu)因素選擇導(dǎo)向角較大的設(shè)計點(diǎn),以使端子自由狀態(tài)下殼體能夠有效保護(hù)彈臂,由此本文中這種選取設(shè)計點(diǎn)3 為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)解。由設(shè)計候選點(diǎn)3 重新整合得出P1=2.8 mm;P2=34°;P3=2.35 mm。

        對重新取值后的接觸件進(jìn)行靜力分析,得到優(yōu)化后的當(dāng)量應(yīng)力云圖如7所示;插入力變化曲線如圖8 所示。改進(jìn)后的接觸件最大應(yīng)力為1 045 MPa,相比改進(jìn)前減小了11%;母端端子在彈臂根部有輕微屈服,處于使用可接受范圍,相比改進(jìn)前,安全系數(shù)得到進(jìn)一步提高。由插入力變化曲線可知,插入力為0.55 N,滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

        表2 優(yōu)化設(shè)計候選點(diǎn)

        圖7 母座端子應(yīng)力云圖

        圖8 插入力變化曲線圖

        比較優(yōu)化前后結(jié)果可得,優(yōu)化后的端子最大當(dāng)量應(yīng)力相比改進(jìn)前減小11%,強(qiáng)度得到提高;端子插入力相比改進(jìn)前插入力減小24%。綜合分析可知,優(yōu)化設(shè)計后的端子安全系數(shù)和可靠性得到提高。

        3 結(jié)束語

        本文在現(xiàn)有高速連接器彈片端子的基礎(chǔ)上,對其出現(xiàn)插入力過大,易磨損及插拔次數(shù)不達(dá)標(biāo)等問題,提出了一種響應(yīng)曲面優(yōu)化分析方法,并對該款端子進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計,得出結(jié)論如下。

        (1)在現(xiàn)有端子的基礎(chǔ)上,建立了端子的接觸有限元模型,通過接觸分析,該款端子的最大當(dāng)量應(yīng)力為1 177.5 MPa,插入力為0.72 N,超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),易導(dǎo)致接觸失效風(fēng)險,因此對該接觸端子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

        (2)通過對彈片端子進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計,得出各目標(biāo)函數(shù)隨設(shè)計變量變化的靈敏度柱狀圖和響應(yīng)面模型。靈敏度柱狀圖表明參數(shù)導(dǎo)向角P2、彈臂高度P3對插入力P4的影響更大,所以在端子結(jié)構(gòu)設(shè)計中如出現(xiàn)插入力過大情況,可以優(yōu)先調(diào)整彈臂高度和導(dǎo)向角的取值,最后分析得出了最佳候選設(shè)計點(diǎn)。通過對比優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果表明,端子的最大當(dāng)量應(yīng)力相比改進(jìn)前減小11%,端子插入力相比改進(jìn)前減小24%,安全系數(shù)和可靠性得到進(jìn)一步提高。該研究成果為后續(xù)連接器端子柔性設(shè)計技術(shù)提供了理論依據(jù)。

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