張曉彤，魯 男，陳宏超，青 春，郝健男

( 沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)，110144)

1 引言

在航空電連接器中，開(kāi)瓣式插孔接觸體的地位舉足輕重，插孔接觸體的結(jié)構(gòu)直接影響著插拔力、接觸壓力、插拔壽命等。國(guó)軍標(biāo)對(duì)接觸體的最大插入力和最小分離力均有規(guī)定，通常希望擁有較大的插拔力，以保證電接觸的穩(wěn)定，提高接觸體在微動(dòng)環(huán)境下的接觸可靠性。但是，插拔力的增加也伴隨著更大的結(jié)構(gòu)磨損，接觸體每次插拔都會(huì)加重磨損甚至造成結(jié)構(gòu)表面損傷，降低接觸可靠性。接觸體在插拔過(guò)程中最理想的狀態(tài)是：插拔過(guò)程平滑流順，結(jié)構(gòu)體無(wú)表面損傷，插針、插孔緊密接觸，接觸電阻連續(xù)穩(wěn)定。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[1-3]對(duì)接觸體幾何形狀與接觸性能的關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究，并取得了良好的學(xué)術(shù)成果。Li Y[4]等對(duì)接觸體間的插入力進(jìn)行了分析并提出提高接觸可靠性的措施。聞聰聰[5]應(yīng)用ABUQUS軟件計(jì)算了接觸體單次插拔過(guò)程中的力學(xué)接觸性能。王濤[6]通過(guò)研究給出接觸體接觸壓力與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，并運(yùn)用有限元法對(duì)接觸壓力進(jìn)行仿真。

為深入研究接觸體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插拔特性(插拔力、接觸壓力)的影響，基于有限元法完整提出了接觸體機(jī)械特性有限元分析方法，建立接觸體動(dòng)力學(xué)模型，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下插拔特性的變化情況，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)械性能的影響程度，為實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 接觸體插拔特性理論計(jì)算

2.1 接觸壓力計(jì)算

開(kāi)瓣接觸體可簡(jiǎn)化為圖1所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)，由懸臂梁計(jì)算公式可得接觸壓力F為：

(1)

式中，E為彈性模量(單位：Pa)，Ih為插孔橫截面的慣性矩(單位：m.kg.s2)，a為簧片彈性變形量，L為插孔簧片長(zhǎng)度。

圖1 插孔簧片懸臂梁模型

2.2 插拔力計(jì)算

接觸體插合過(guò)程受力情況如圖2所示，F(xiàn)f為接觸處摩擦力，F(xiàn)n為法向接觸壓力，F(xiàn)為接觸壓力，F(xiàn)i為插入力，接觸面摩擦系數(shù)為μ，接觸處摩擦力Ff=μFn。

圖2 插孔插入過(guò)程受力示意圖

插針在摩擦力Ff、法向接觸壓力Fn和插入力Fi的作用下處于平衡狀態(tài)。由力的平衡關(guān)系可得到下式：

Fi=Fnsinα+Ffcosα

(2)

插孔在接觸壓力F、法向接觸壓力Fn和摩擦力Ff的作用下處于平衡狀態(tài)。由力的平衡關(guān)系可得到下式：

Fncosα=F+Ffsinα

(3)

結(jié)合上式，可得接觸壓力F與插入力Fi之間的關(guān)系：

(4)

結(jié)合接觸壓力計(jì)算公式與上式，可得插入力與簧片彈性變形a的關(guān)系為：

(5)

當(dāng)插針位移為S時(shí)，插孔彈片對(duì)應(yīng)的彈性變形為：

Δα=Stanα

(6)

結(jié)合上式可得插入力與插入量的關(guān)系為：

(7)

對(duì)于開(kāi)兩瓣的接觸體，插入力與插入量的關(guān)系為：

(8)

當(dāng)插針頭部完全插入插孔后，接觸面之間的夾角α=0，則插入力的計(jì)算公式為：

(9)

3 接觸體模型

3.1 插針模型及參數(shù)

插針模型如圖3所示，模型主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 插針模型

表1 插針主要參數(shù)

3.2 插孔模型及主要參數(shù)

插孔模型如圖4所示，模型主要參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4 插孔模型

表2 插孔主要參數(shù)

接觸體縮孔尺寸如圖5所示。

圖5 插孔端部縮孔示意圖

3.3 接觸體有限元模型

根據(jù)接觸體尺寸建立接觸體幾何模型，設(shè)定材料為理性彈性，彈性模量E=121GPa，泊松比μ=0.33。采用高階三維 8 節(jié)點(diǎn) Solid185 實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證后，選定接觸面所在的體單元尺寸為0.07mm，劃分方法為掃掠網(wǎng)格劃分；其余部分網(wǎng)格尺寸逐漸遞增，劃分方法為自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法，有限元模型如圖6所示。

圖6 接觸體有限元模型

接觸類型為有摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.16；接觸形式為非對(duì)稱接觸；接觸算法選用增強(qiáng)拉格朗日法；法向接觸剛度設(shè)定為1。

4 接觸體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插拔特性的影響

4.1 開(kāi)瓣寬度對(duì)插拔特性的影響

為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)開(kāi)瓣寬度對(duì)插拔特性的影響，保持其他幾何參數(shù)不變，改變開(kāi)瓣寬度m的大小，分別設(shè)置開(kāi)瓣寬度為0.45mm、0.50mm、0.55mm、0.65mm、0.70mm、0.75mm進(jìn)行系列計(jì)算，分析開(kāi)瓣寬度對(duì)接觸壓力、插拔力的影響。接觸體插拔過(guò)程近似對(duì)稱，取插合過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7 接觸壓力在插入過(guò)程變化曲線圖

圖8 插合過(guò)程插入力變化的曲線圖

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，不同開(kāi)瓣寬度條件下，最大接觸壓力和插入力在插合過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本一致。開(kāi)瓣寬度與最大接觸壓力成正比，與插入力成反比。當(dāng)開(kāi)瓣寬度較小時(shí)，其對(duì)接觸壓力的影響要明顯大于插入力；反之，對(duì)插入力的影響要明顯大于接觸壓力。

4.2 簧片長(zhǎng)度對(duì)插拔特性的影響

為研究接觸體參數(shù)簧片長(zhǎng)度對(duì)插拔特性的影響，保持其他幾何參數(shù)不變，改變簧片長(zhǎng)度L的大小，分別設(shè)置簧片長(zhǎng)度為3mm、3.5mm、4.5mm、5mm進(jìn)行系列計(jì)算，分析簧片長(zhǎng)度對(duì)接觸壓力、插拔力的影響。整個(gè)插拔過(guò)程，插針的最大插入量為簧片長(zhǎng)度的37.5%。

圖9 接觸壓力在插入過(guò)程變化的曲線圖

圖10 插合過(guò)程插入力變化的曲線圖

從計(jì)算結(jié)果可知，簧片長(zhǎng)度與最大接觸壓力、插拔力均成反比，且不同簧片長(zhǎng)度對(duì)插入穩(wěn)定性有明顯影響，總體趨勢(shì)上，簧片長(zhǎng)度的增加可提高插拔穩(wěn)定性。

4.3 倒角對(duì)插拔特性的影響

為研究觸體參數(shù)倒角對(duì)插拔特性的影響，保持其他幾何參數(shù)不變，改變插孔倒角R的大小，分別設(shè)置倒角為0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.30mm、0.35mm進(jìn)行系列計(jì)算，分析插孔倒角對(duì)接觸壓力、插拔力的影響。

圖11 接觸壓力在插入過(guò)程變化的曲線圖

圖12 插合過(guò)程插入力變化的曲線圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，倒角對(duì)插拔特性的影響具有局限性，在倒角較小時(shí)，對(duì)接觸壓力和插拔力的影響較為明顯，隨著倒角尺寸的增加，影響力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4.4 收口量對(duì)插拔特性的影響

為研究接觸體參數(shù)收口量對(duì)插拔特性的影響，保持其他幾何參數(shù)不變，改變收口量的大小，分別設(shè)置收口量為1.44mm、1.46mm、1.48mm、1.50mm、1.54mm、1.56mm進(jìn)行系列計(jì)算，分析收口量對(duì)接觸壓力、插拔力的影響。

計(jì)算結(jié)果表明，收口量與接觸壓力、插拔力均成反比。收口量對(duì)插拔特性曲線的影響僅限于數(shù)值上的變化，對(duì)曲線趨勢(shì)基本無(wú)影響。

圖13 接觸壓力在插入過(guò)程變化的曲線圖

圖14 插合過(guò)程插入力變化的曲線圖

4.5 參數(shù)靈敏度分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下接觸壓力、插拔力的變化趨勢(shì)基本相同。剛開(kāi)始插合時(shí)，隨著插針位移的增加，插拔力、接觸壓力急劇增大，隨著插針位移繼續(xù)增加，插拔力趨于穩(wěn)定。取插拔過(guò)程中插拔力峰值和穩(wěn)定的插拔力值繪制圖15～18所示的插拔力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的分布曲線。

圖15 插拔力隨開(kāi)瓣寬度的變化曲線

圖16 插拔力隨簧片長(zhǎng)度的變化曲線

圖17 插拔力隨倒角的變化曲線

圖18 插拔力隨收口量的變化曲線

從圖中可以看出，開(kāi)瓣寬度對(duì)插拔特性的影響并不顯著。若在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，想通過(guò)適當(dāng)降低開(kāi)瓣寬度提高接觸可靠性，除要考慮其影響程度的限制還應(yīng)注意較小的開(kāi)瓣寬度帶來(lái)的更高生產(chǎn)要求以及槽與槽之間的后續(xù)加工難度?；善L(zhǎng)度與插拔力成反比關(guān)系，簧片長(zhǎng)度增加后，插拔力有明顯減小，該參數(shù)對(duì)插拔特性影響較顯著，在接觸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。倒角對(duì)插拔特性的影響不是單一的線性關(guān)系，由于簧片壁厚因素的限制，不能設(shè)計(jì)過(guò)大或過(guò)小的倒角，在合理尺寸范圍內(nèi)，倒角對(duì)插拔特性的影響較小。對(duì)比其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，收口量對(duì)插拔特性的影響十分顯著，且其可在保證插拔特性變化趨勢(shì)的前提下進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，具有較高的可控性，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，此參數(shù)必須合理，它是影響電連接器可靠性的重要因素，需嚴(yán)格控制。

5 結(jié)論

以常用的開(kāi)瓣接觸體為研究對(duì)象，采用數(shù)值方法進(jìn)行定量的計(jì)算，分析接觸體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插拔特性的影響，基于仿真結(jié)果繪制出插拔特性隨接觸體結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的分布曲線圖并給出具有普遍適用性的定性結(jié)論，為開(kāi)瓣式接觸體的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)提供指導(dǎo)。