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接触分析在电子连接器设计中的应用:三 连接器插入/拔出力分析

插入/拔出力是电子连接器的重要机械参数之一。一般情况下,希望插入力不要太大,经常设置插入力的上限。拔出力通常设置一个范围值,即分别设置上下限值,有些连接器只设置拔出力的最小值。对没有Latch一般情况下,插入力大于拔出力,而拔出力过小,会降低连接器的可靠性。出现瞬断,甚至个别Pin不导通现象。因此,插入/拔力分析计算是连接器设计中不可缺少的一部分。

以下是侧插式0.5 Pitch 板对板连接器,以此连接器为例,说明连接器插入/拔出力的模拟计算。

原设计的塑料零件之间没有插入干扰,只有端子之间的干扰。因此,插入力仅取决于端子的尺寸参数、端子的材料性能和插入时的干扰量。

在解释如何模拟之前,仔细看看连接器的公母座,以了解模型的简化。

以下是母座:

可见母座端子是呆端子,即插拔过程中无明显变形,留在那里静止不动。

以下是公座:

在插入母座的过程中,由于干扰,端子的接触端会受到力,端子的悬臂部分会变形,可以顺利插入。如果干扰过大,工作塑料部件的空间避免不足会导致插入力异常增加,无法正常插入。以下是插入的初始状态:

现在开始解释模拟过程:

1. 模型简化,由于该连接器的插入/拔出力仅与端子相关,就可以简化模型,去掉塑胶件。大多数连接器Pin连接器只分析一对端子的插入/拔出力。没有必要将所有端子放在一起进行分析,这不仅耗时短,而且可以降低计算机配置的要求。一般来说,在进行有限元模拟分析之前,必须简化模型。除非模型很简单,否则如果模型很简单,可能不需要模拟分析,直接用公式计算。

初步简化后的模型如下:

简化后,只保留了一个母端子、一个公端子和一部分公座端子。因为母座端子是呆端子,可以进一步简化。现在有很多小面条。网格化时质量差。首先简化如下,去除不影响插拔的小面条。

2. 从3D菜单启动软件嵌入Ansys Workbench,将Static Strctural 拖到Geometry上,然和双击Model进入到Static Strctural-Mechanical界面如下:

3. 设置材料 将Housing材料设置为LCP,如下:

将端子材料设置为C52100 EH,如下:

4插入接触对 由于导入的3D模型中的两个端子没有接触,因此需要手动指定接触对,操作步骤如下:

接触面的选择如下:

接触对的设置如下:

还需设置Normal Stiffness Factor,由于公共端子主要是弯曲的,所以需要设置在0.01~0.1范围内设置0.1.如果不设置此参数,则可能无法完成分析。设置如下:

5. 划分网格 网格划分设置如下:

生成的网格如下:

6. 分析设置 分析步数应设置为:20;大变形应打开,

7.插入固定支撑 选择下图所示的绿色表面作为支撑面。

8. 插入位移 选择母端子的外表面作为位移面,模拟插入/拔出动作。有人还需要问,为什么选择母端子作为位移对象,而不是公座插入母座?记住:运动是相对的。所谓的运动和静态因参考不同而不同。这种设置更简单,不影响分析结果。

设置分位移数据,X、Z方向为0,Y方向为Tabular。

在Tabular Data表中,标号11对应y项输入-2,标号2对应y项输入-0.2.标号21对应的y项输入0。剩余项目Ansys自动填充。结果如下:

9. 插入分析项 插入Deformation,操作步骤如下:

插入Stress,操作步骤如下:

插入 Force RTeaction,操作步骤如下:

选择边界条件Displacement,如下:

11.启动解算器,解算。

11. 查看分析结果:

Deformation 查看 首先将显示比设置为1:1,如下:

在这里,我们最关心的是Z轴向Deformation,首先,看公共端子和公共塑料在插入过程中是否干扰,以及一次插入后端子是否有永久变形,如果有多大。首先,分析结果显示X轴向Deformation。需要切换到Z axis,选择Z axis后,DirectionDeformation黄色出现在前面Solve的图标,在DirectionDeformation按下鼠标右键,然后按下图

这样可叫出Z axis的Deformation,如下:

从下面的曲线可以看出0~5歩间Z向的Deformation零,然后是上升的曲线段,然后是平直段,然后是下降,最后是平直段,没有回到零位。因为在0~此时母端子还没有遇到公端子。在继续插入的过程中,首先是母端子的斜面部分与公端子的头部斜面接触,迫使公端子悬臂部分在继续插入的过程中向内弯曲,变形量逐渐增加。当插入母端子的垂直端与公端子的接触顶面接触时,公端子不再变形,保持最大变形状态,直到母端子与公端子的斜面接触被拔出。在曲线上的反应是一条下将曲线。当母端子与公端子分离接触时,公端子的变形保持不变,曲线不能回到0,表明公端子有塑性变形,即公端子插入后不能回到原位置。

如果我们想看第10步结束时的状态,用鼠标点击曲线横轴的10个部分,这次会出现一条垂直线。然后用上面同样的方法,这个时候可以叫出来Deformation(变形

如果我们想看看终端悬臂部分和终端是否干扰,由于网格的存在,很难判断终端槽的边界,并根据下图改变显示模式 。

以下是端子槽的清晰边界:

可见无干涉。

如果想知道一次插拔后触点没有回弹,可以先叫出20步时的Z向Defoemation,然后用Probe一次插拔后,工具可以抓住触点处的无反弹量,如下:

第一次插拔后的不回弹量为0.0309mm设计的最大干涉量不是很大.15.不会导致接触不良。这种连接器设计的插拔寿命为50次,允许第一次插拔后少量不回弹。

按Animation 后面的播放键可以动画演示插拔过程,如下图所示:

查看插拔力和接触力。Force Reaction 项即可看到X、Y、Z 向的反作用力。

如下图:

本例坐标系(如下图所示),Z最大反应力值为端子接触力,接触力为1.0702N,当接触力大于0时,对于镀金表面的连接器端子.2N可靠接触,所以接触力没有问题。Y向反作用力为插拔力,最大值为单Pin插入力,单Pin插入力为0.18802N,最小值的绝对值为单Pin拔出力,单Pin拔出力为:0.10705N,总共60个连接器Pin,插入力为:11.28N,拔出力为:6.4N

查看应力,点击Maxium Principal Stress项, 插拔过程中应力变化曲线r如下:

最大应力为832.06MPa超过了C52100 EH屈服极限,因此存在塑性变形。可以看出,当插入母端子的垂直断裂与公端子接触点的最高点接触时,可以称为此时的应力,并检查端子的应力分布,如下图所示:

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