电连接器接触件接触特性仿真分析

电连接器接触件接触特性仿真分析

李翔，崔卫红，李雪玲，邓华亮

深圳市爱得乐电子有限公司   广东 深圳   510108

摘要：作为电连接的重要组成部分，电连接器应用于航空航天，工业和通信等重要领域。电连接器的主要部件是接触件，绝缘体，壳体，其中最重要的接触件。由于电连接器接触故障的频率，许多研究人员分析接触元件的特性。

关键词：电连接器；接触件；接触特性；有限元法

在本研究中，使用了微矩形电连接器HJ30J，传统的电连接接触件一般由由公插头和母插孔，接触件由弹性、刚性插针插孔，刚性插针、弹性插孔不同于传统的组合可以大大提高电连接的可靠性。基于ANSYSWorkbench有限元分析软件，该研究模拟了矩形电连接器的接触特性，并通过分析弹性插针变形、分布应力和插拔力为结构优化提供了基础。

一、慨况

顾名思义，电连接器是电路之间的桥梁，目标是连接两个工作设备，并在它们之间传输电力和信号，以执行电路的预期功能。近年来，随着技术的发展，国内一些生产部门掌握了自主开发新产品的关键技术，其产品具有一定的技术水平和复杂性。这些产品开发和生产完成后，公司将在新产品系列的基础上推出新产品，并在上市后立即保持竞争优势。在出现连接器之前，电源和电路中的所有电子设备都连接到导体，这是最常见的焊接方法。因此，电子设备的装配过程变得复杂，如果部件损坏，更换将变得更加昂贵。电连接的出现解决了这个问题，降低了生产和维护成本。由于在航空航天，机械制造，交通，通信等许多领域使用的电连接的所有优点，它不仅被广泛使用，有时甚至成千上万的线路。所有机电系统不仅要考虑工作压力，还要考虑各种工作条件的影响，包括温度、振动和应力类型。特别是在恶劣条件下工作的机械产品对冲击振动，从而导致损坏。数据表明，小部件损坏引起的产品失效总数占各类产品失效的70%以上。在这些小部件中，失效电连接器占总数的40%。这是由于电连接的低可靠性，电路可能有许多电连接器件，如果只要有一套发生故障电连接器，整个系统就不能正常工作，不可避免地会导致严重后果。工程机械的工作环境要求更高，更容易受到外部冲击和干扰，不可避免地导致生产延误。在航空航天领域，连接器故障的后果被认为是危险的。因此，有必要研究电连接的可靠性，但这只是研究其可靠性，以发现其规律性，并确保其在各个领域各种功能正常完成。可以看到插针插入插孔，连接两部分完成连接功能，电连接器插针、插孔是最重要的部分来执行其功能。

如果需要研究可靠性电连接器，则需要研究接触的可靠性以及机械力学和温度特性。当零件接触时，它们之间会产生接触压力，导致接触材料的塑性变形。当接触压力过高时，接触元件之间的连接可能会变得不稳定，并且容易松脱，因此可以通过正确的压力值来保证可靠性。这些力学特性影响可靠性，接触材料由金属制成，因此当电流通过接触元件时，焦耳热必须产生。接触元件之间热量过高会导致降低插孔的弹性，接触元件之间的接触压力降低，从而导致接触不良。同时，当温度升高时，金属的氧化速度接触元件，金属间接触元件被接触，金属氧化元件接触。这导致了急剧增加接触电阻，通电电流可能会造成失效，当电击穿电路并缩短使用寿命时，它们往往具有更高的温度。

二、电连接器失效机理分析

电连接器的问题分为三个方面:电气、机械以及环境失效问题。电气故障的主要类型是接触、绝缘和耐压故障。接触失效是电气失效的主要类型，接触电阻增加是接触失效的重要因素。在设计电连接器时，接触温度通常较低，因为热量增加，接触可靠性降低。机器失效通常与部件直接接触，断裂或插拔力可能会导致机械问题，在环境失效方面，温度是影响电接触特性的重要因素。

三、微矩形电连接器接触分析

1.设计电连接微矩形模型。本研究以HJ30J系列电连接器为基础，采用12对连接器，每对连接器尺寸参数相同，一对连接器可以快速分析连接器的连接特性，节省大量工作时间。

2.仿真分析接触件接触性能。为了确定材料的特性，有必要研究HJ30J系列电连接器的独特结构，包括插针与插孔(分离插合)时变形的弹性插针、刚性插孔。选用铍青铜作为弹性插针，材料的具体参数见表1。

表１铍青铜材料属性

划分网格，在这项研究中，对于使用了刚性插孔和弹性插针，并且由于刚体的外表面不能划分网格，因此只讨论了划分网格的插孔内表面以及弹性插针;标准单位大小为0.232毫米，插针为182节点数，单元523数量。与外表面插针的网格主要由四面体组成，稀疏网格数目，导致计算精度低。为了提高网格模型的计算精度，必须精确地调整和生成网格尺寸为0.1mm的网格尺寸和插针４０２５节点数，单元７０４数量。细化调整后，网格的数量明显增加，网格单元的大小减小，形状从主要几何变为六面体。选择用于接触分析的静力学模块ANSYSWorkbench作为接触分析有限元软件。首先，定义接触和目标表面，在接触分析问题中，刚性体通常被定义为目标表面，而相对柔性物体被定义为接触表面，目标形状刚性插孔，接触几何体是弹性插针。其次，选择接触方式，为绑定、无摩擦、分离、粗糙/摩擦，本研究使用摩擦系数0.15，行为设置为不对称，公式为应力函数，正常强度系数设置为0.01。最后，定义负载条件和限制，该研究建立了载荷步四个，每个阶段为1秒，两个载荷步插入与拔出总共4秒。在模型的电触点中，元件与固定元件一个位移载荷，并将负载运动应用于元件。由于本研究仅分析了Z轴上的力，因此，应将位移分量在x方向上为0 mm，在z方向上为1.8 mm，应将应力应用于x和y轴(在同一方向上，插入的z轴相对于z轴移动)，分析结果表明，随着插针拔出插针变形随时间逐渐增加。由于为0.38s，插针达到最大形变，相应的应力为1120.4MPa，略高于材料屈服极限值。可以看出，应力的最大值最初是分布凸包的根部，因此在根部发生塑性变形。拔出插针后，逐渐减小插针变形值，逐渐在0MPa。插针插合时，随时间插入力变化3.3541s，1140.6MPa略大于拔出时最大等效应力。在完成插合，将滑移插针和等效应力设置为1119 MPa，低于最大插拔力。接触分析不仅分析了等效应力的大小，而且还分析插拔力随时间和位移的分布，如图1和图2所示。图2(a)和2(b)显示了插入力和拔运力位移曲线。可以看到插入力(33.6N)的值略高于拔出力28N，对应于插入的相应强度，这是稍低拔出的结果。

应用ANSYS Workbench软件对HJ 30J电连接器的接触进行建模表明，最大接触应力分布在应力值高于铍青铜限值的凸包的根部，并且可能会发生表面和根部变形，从而降低接触特性。为了改善电连接器的电接触，必须在生产过程中优化电连接器凸包根部设计。

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