基于ANSYS WorkBench的电连接器簧片结构有限元分析

电连接器是一种在电气终端之间提供连接与分离功能的元器件其应用领域十分广泛。电连接器的常用连接方式主要有螺纹连接、卡口式快速连接、插拔式连接、机柜式连接等。本文主要根据用户在实际使用过程中反馈电磁兼容达不到客户设计要求而进行的产品结构改进增加屏蔽簧片并对其进行力学仿真计算同时优化产品结构提高连接器头座插合后的电连续性能满足用户电磁兼容的要求。1.研制要求该产品除外壳间电连续性要求较高外,其它指标均与普通矩形连接器的性能指标一致。该产品具有耐电磁兼容强、芯数多、耐盐雾、快速插拔和可靠性高等特点。主要技术指标如下:外壳间电连续性按GJB1217A2009中方法3007的规定进行试验测量应从插头外壳安装孔附近任意一点到插座外壳安装孔附近上任意一点之间的最大直流电阻应≤10mΩ工作电流 7.5A;振 动 10Hz2000Hz加速度147m/s2瞬断≤1μs冲 击峰值加速度980 m/s2瞬断≤1μs绝缘电阻≥5000MΩ(常态);盐 雾按GJB 150.11A2009规定进行试验采用交变方式96h的试验程序2.结构设计2.1 设计原理电连续性矩形连接器有许多技术条件与常规矩形连接器相同如振动、冲击、绝缘电阻、工作电流等但由于连接器头座插合后对外壳间的电连续性要求较高使得该类型连接器的设计和制造就与普通连接器有所不同。为了实现矩形连接器外壳间电连续性的功能需要保证连接器头座插合后满足可靠的、持续的低阻抗接触特性。常规的矩形连接器头座插合后无法实现可靠的接触因此必须想办法在插头或插座的外壳上做弹性的结构来实现这一要求。本文提到的结构是在插头壳体插合内侧通过不锈钢铆钉将弹性的屏蔽簧片翻铆到壳体上正常工况下弹性屏蔽簧片环绕壳体接触四周保证插头外壳插入时与插座外壳良好接触使外壳间的直流接触电阻较低从而满足电连续性屏蔽的要求。2.2 总体设计本文提到的连接器是用于客户机柜上实现信号的传输功能对外壳间的电连续性和插拔力的提出较高要求该结构设计的难点是簧片结构的设计、材料的选用、簧片与外壳的固定方式、头座插合力度的控制。簧片采用固定与功能接触部分分离技术材料选用铍青铜带C1720R 1/2H 0.2热处理后硬度HV(330380)固定方式采用铆钉翻铆的方式铆钉的材料选用不锈钢SUS 316L φ2。这些材料均为常用材料硬度值为公司铍铜热处理统一规定值在其他很多零件上批量应用。簧片找专业的厂家新开连续冲压模具以提高零件一致性及质量要求。该连接器有头座两部分组成其产品结构设计如图1所示。簧片的结构设计如图2所示。2.3 簧片接触应力仿真2.3.1簧片的设计与分离力簧片结构尺寸是影响产品插拔力的关键因素如图3所示簧片可等效为悬臂梁结构其中δ为径向位移量。式中F: 接触压力NE: 材料的弹性模量MPa;Iz: 截面惯性矩mm4;L: 悬臂长度mm;插合分离力P为PN*μ*F式中n: 屏蔽簧片数目μ摩擦系数镍与镍之间的μ0.28。以开模具簧片结构为例查铍青铜带的弹性模量E127400MPa截面惯性矩Iz为2.3.2 簧片建模簧片的三维模型如图4所示。2.3.3簧片结构静力分析a定义材料数据材料为铜带C1720R可以定义为铜合金Copper Alloy。b)网格划分为保证计算准确性本次采用六面体网格划分具体设置如下图5所示。c)定义载荷和边界条件具体设置如下图6所示。d) 结果及分析结论经过求解可以得到下图7、图8、图9所示结果分别为簧片模型的等效应变、簧片模型的等效最大应力、簧片模型上悬臂的最大变形量。经过整理可以得到下表1所示结果。根据力学仿真结果可知屏蔽簧片的最大等效应力小于该材料的屈服强度符合设计要求插头周边簧片的数量是128片所以连接器头座插合分离力为128×0.338.4N满足机柜连接器产品设计要求。3.试验结果按上述设计结构设计的连接器,经试制生产和试验鉴定,各项指标均满足设计要求,测试带尾夹的直流电阻为2.01mΩ不带尾夹的直流电阻为1.005 mΩ如图10和图11所示为矩形连接器外壳间电连续性测试试验结果。