（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264000）

1 引言

在對(duì)電連接器進(jìn)行測(cè)試和模擬時(shí)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家起步最早，研究?jī)?nèi)容最深，與電連接器性能退化相關(guān)的研究在20世紀(jì)30年代便出現(xiàn)了［1］。70年代開(kāi)始，美國(guó)就開(kāi)始提出可靠性試驗(yàn)方法MIL-STD-1344A［2］，制定了軍事標(biāo)準(zhǔn)，用平均無(wú)故障工作周期MCBF（Mean Cycle Between Failure）規(guī)定電連接器的使用壽命及［3］。Huang等建立電連接器接觸件的3D模型，以研究接觸件微動(dòng)腐蝕的機(jī)械性能和接觸性能，并提供了一種評(píng)估疲勞壽命的分析模型［4］。

接觸特性是研究電連接器性能退化的重點(diǎn)研究對(duì)象。本文采用某軍機(jī)使用的J5999III系列電連接器，22D#插針插孔為研究對(duì)象。此型號(hào)電連接器結(jié)構(gòu)是圓柱開(kāi)槽式結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛具有代表性。首先分析電連接器失效模式，給出該型號(hào)接觸件的數(shù)學(xué)模型。然后使用SOLIDWORKS與ANSYS WORKBENCH建模和仿真來(lái)分析電連接器的性能，這對(duì)于優(yōu)化電連接器的性能至關(guān)重要。

2 軍用航空電連接器失效模式分析

電連接器的失效模式分為絕緣失效、接觸失效、機(jī)械聯(lián)接失效和其他失效四種模式［6］，接觸失效是電連接器失效模式中最常見(jiàn)的一種［7］。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，接觸失效在各種電連接器失效模式中占45.1%［8］。電連接器的失效表現(xiàn)接觸電阻逐漸增加和接觸對(duì)瞬斷。失效的原因主要有以下五種。

1）接觸壓力不足

接觸壓力是保證接觸件穩(wěn)定性的因素，電連接器接觸件插孔是彈性元件，接觸件配合完成后由于力的相互作用在插針插孔之間產(chǎn)生接觸壓力。在多次插拔后插針和插孔之間會(huì)造成比彈性變形更加嚴(yán)重的塑性變形，這會(huì)導(dǎo)致接觸件的疲勞和應(yīng)力松弛。如果由于環(huán)境因素在接觸件間產(chǎn)生的合力大于接觸壓力太多，插孔和插針可能會(huì)突然分離，造成接觸件瞬斷現(xiàn)象。在高溫條件下工作時(shí)，接觸部分會(huì)蠕變，并且插孔中更容易出現(xiàn)疲勞和應(yīng)力松弛，從而導(dǎo)致接觸壓力不足。

2）鍍金層接觸情況改變

灰塵和油將以一層表面膜的形式沉積在電連接器的接觸表面上，從而改變接觸表面鍍金層的狀態(tài)。接觸表面的氧化會(huì)形成氧化膜，從而增加接觸電阻并影響可靠性。接觸表面的鍍金層在長(zhǎng)期使用中會(huì)出現(xiàn)一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面應(yīng)力，鍍金層中出現(xiàn)裂紋，從而增加了接觸電阻。

3）接觸磨損

因?yàn)榻佑|部件不能完全光滑，所以插拔時(shí)接觸部件會(huì)由于接觸壓力而產(chǎn)生摩擦。在存在摩擦的情況下，電連接器的插針和插孔會(huì)發(fā)生相對(duì)位移［9］。摩擦和相對(duì)位移會(huì)使表面材料收到磨損，鍍層遭到破壞，從而導(dǎo)致基體暴露，這稱為微動(dòng)磨損［10～14］。接觸件接觸表面的粗糙度、接觸件鍍層的種類(lèi)、接觸件鍍層的質(zhì)量、收口量的大小、插孔的制造形狀都會(huì)影響接觸件表面磨損的程度，過(guò)度磨損會(huì)縮短電連接器的機(jī)械壽命。

4）接觸件斷裂

工廠加工制造電連接器接觸件時(shí)會(huì)有加工工藝偏離預(yù)估要求、選擇材料出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題、裝備運(yùn)輸時(shí)出現(xiàn)碰撞瑕疵等小概率事件，這些不良因素將增加接觸變形并導(dǎo)致應(yīng)力集中。由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，接觸部分上的應(yīng)力將大大高于所選材料的屈服極限，并且接觸部分會(huì)破裂。

5）插針插孔偏離

由于操作失誤或者制造誤差，電連接器插頭和插座在連接過(guò)程中會(huì)有不能完全中心定位的情況。這種情況下插針插不能正常接觸，插拔完成后插針和插孔會(huì)產(chǎn)生一定的形變量。在工作時(shí)由于環(huán)境振動(dòng)等影響，插針插孔會(huì)受到高于正常接觸下接觸件的外力，接觸電阻增大，可靠性降低。

3 接觸性能的數(shù)學(xué)模型

插孔經(jīng)過(guò)收口處理之后，在插針與插孔插合時(shí)簧片會(huì)發(fā)生形變，因此插孔與插針之間為過(guò)盈配合，接觸力便應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)學(xué)分析時(shí)可以將簧片看作懸臂梁結(jié)構(gòu)，這樣可以更容易研究接觸件受力問(wèn)題，如圖1所示，產(chǎn)生的接觸壓力滿足公式：

式中，E為彈性模量，Ix為截面關(guān)于中性層軸x的慣性矩，δ為撓度，L為插孔簧片的長(zhǎng)度。

3.1 雙開(kāi)槽結(jié)構(gòu)截面慣性矩

本文分析的插孔為雙開(kāi)槽插孔，截面平行于對(duì)稱面。雙開(kāi)槽接觸件結(jié)構(gòu)的截面圖形如圖2（a）所示，其截面面積可以看成圖2（b）和圖2（c）的面積之差。

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)后可知重心與x1軸（即穿過(guò)圓心的軸）之間的距離為

圖2（b）和圖2（c）的面積分別為

3.2 動(dòng)態(tài)接觸模型

在簧片的橫截面上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在最大彎矩處，即距中性層x軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)，端點(diǎn)到中性層軸x的距離S可由圖2得知S上=R-y，S下=y-R+?，則最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力為

考慮到環(huán)境因素對(duì)接觸件產(chǎn)生的影響，為簧片的添加一個(gè)加速度a來(lái)分析外界因素的影響，從而對(duì)接觸件進(jìn)行靜態(tài)分析。慣性力可用下式求得：

3.3 插拔力理論計(jì)算模型

接觸件插合過(guò)程可以簡(jiǎn)化為圖3所示情況。

圖3 接觸件受力簡(jiǎn)圖

r1為插針頭部球體半徑，r2為插孔內(nèi)孔倒角半徑。插針與插孔插合時(shí)，插孔簧片發(fā)生彈性變形，從而在接觸部件之間產(chǎn)生接觸壓力。接觸面之間的力由兩部分組成，如圖4所示。

圖4 接觸件接觸簡(jiǎn)圖

其中Ft是插針與插孔受到的摩擦力，F(xiàn)n是接觸面法向接觸壓力，摩擦系數(shù)記為μ，所以有Ft=μFn。插針的插入力為Fi，插孔由于彈性變形而產(chǎn)生的彈力為F，這可以根據(jù)力的平衡方程獲得

在插合的過(guò)程中，壓力角α在不斷地變化，設(shè)接觸件初始?jí)毫菫棣?，插合完成后插孔產(chǎn)生的撓度為δ。則收口后，插孔倒角的圓心到軸線的距離為r0=r1+r2-δ，根據(jù)圖4可得到下式：

4 接觸件接觸性能有限元分析

根據(jù)重慶某研究所所給數(shù)據(jù)應(yīng)用SOLIDWORKS建立型號(hào)為22D#插針插孔的3D模型，如圖5所示。

圖5 接觸件3D模型

插針半徑為1mm，插孔半徑為1.05mm，插孔為雙開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，基體材料為錫青銅，接觸件材料參數(shù)見(jiàn)表1。接觸件表面鍍金，但由于鍍金層非常薄，對(duì)插針插孔的插合過(guò)程中的機(jī)械性能影響較小，對(duì)影響表面接觸摩擦影響較大，因此仿真計(jì)算時(shí)使用鍍金層的摩擦系數(shù)，結(jié)構(gòu)上建模忽略鍍層。

表1 接觸件基體材料參數(shù)

4.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方法為四面體網(wǎng)格，劃分方式為自適應(yīng)方式，網(wǎng)格單元尺寸為0.3mm，接觸區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2mm，為防止網(wǎng)格產(chǎn)生明顯畸變，在插孔簧片外圓弧面和插針頭部倒角半圓面這些接觸區(qū)域的相鄰面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化程度系數(shù)設(shè)為1，模型的網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 模型網(wǎng)格劃分圖

插針頭部半圓面和外圓柱面與插孔簧片頭部倒角面和內(nèi)圓弧面為一對(duì)接觸對(duì)，插孔內(nèi)表面為目標(biāo)面，所以將接觸類(lèi)型設(shè)置為摩擦（Frictional），并且將接觸極限設(shè)置為摩擦。接觸面與目標(biāo)面明顯，因此接觸形狀為非對(duì)稱接觸，摩擦系數(shù)為0.2。法向接觸剛度是影響接觸精度和收斂速度的重要參數(shù)，摩擦接觸通常設(shè)置為1。法向接觸剛度越高，接觸滲透率越低，并且接觸精度越高。但計(jì)算結(jié)果不容易收斂；法線接觸剛度計(jì)算越小，收斂越容易，計(jì)算速度越快，但是接觸滲透率越高，誤差越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際仿真調(diào)試，法向剛度因子為0.1，該模型仿真結(jié)果比較精確，收斂容易。

接觸算法為增強(qiáng)拉格朗日算法，在不需要很大法向接觸剛度時(shí)，就可以保證較小的穿透，計(jì)算結(jié)果容易收斂。Pinball設(shè)置用來(lái)識(shí)別面與面之間開(kāi)始接觸的距離，可以提高計(jì)算精度和速度，Pinball Region半徑設(shè)為0.01mm。接觸對(duì)的界面處理方式（Interface Treatment）設(shè)為接觸面與目標(biāo)面剛好接觸（Adjust to Touch）。

4.2 設(shè)置載荷及求解

仿真過(guò)程分為三個(gè)步驟：第一步，在插孔簧片外緣施加10N收口力，使插孔模型產(chǎn)生0.16mm的收口量，將插孔形變后的結(jié)果用靜力學(xué)分析中的Beta功能更新到模型中，如圖7所示。經(jīng)過(guò)多次仿真分析，0.16mm的收口量最能滿足要求。第二步，在插針底部添加位移載荷使得插針保持勻速直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入插孔，插針進(jìn)入插孔中2.5mm。第三步，在插針底部添加位移載荷使得插針勻退出插孔，直到插針與插孔完全分離。

圖7 插拔力

插拔速度為勻速，Large Deflection設(shè)置為on。插拔兩個(gè)過(guò)程，總共兩個(gè)加載步驟，關(guān)閉自動(dòng)時(shí)間步，為每個(gè)加載步驟設(shè)置50個(gè)子步驟，選擇直接求解器。插針與插孔通過(guò)安裝在絕緣壓板的定位孔中進(jìn)行固定，因此將中部凸臺(tái)的圓柱面設(shè)為固定約束。為插針提供位移載荷，在x軸的負(fù)方向上移動(dòng)3.5mm，載荷時(shí)間為4s。

4.3 仿真結(jié)果及分析

載荷步一仿真的是插針插入插孔的過(guò)程，載荷步時(shí)間為0s～2s，插針從0s開(kāi)始向x軸負(fù)方向勻速直線運(yùn)動(dòng)。在0.68s時(shí)，插針開(kāi)始與插孔簧片接觸，插針頭部圓形倒角和插孔簧片唇口倒角開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力，插針插入受阻，插入力從0開(kāi)始快速上升；在0.8s時(shí)，插針圓形倒角剛好完全進(jìn)入簧片收口端倒角，此時(shí)插入力為最大值2.8N，此后插針在進(jìn)入插孔的過(guò)程中插拔力不斷起伏，插拔力動(dòng)態(tài)變化如圖8所示。在0.88s時(shí)，插針與插孔間壓力達(dá)到最大值為120.89MPa，接觸壓力動(dòng)態(tài)變化如圖9所示。在0.96s時(shí)，插針圓形倒角完全插入插孔簧片倒角，簧片變形量達(dá)到最大值0.08mm，這時(shí)插針在插孔中的位移量為0.42mm，插拔力為1.87N。當(dāng)插針與插孔穩(wěn)定配合后，插孔簧片變形量不再增加，這與上一章節(jié)所分析的數(shù)學(xué)模型吻合?；善冃瘟咳鐖D9。

圖8 接觸壓力

圖9 簧片變形

載荷步二仿真插針拔出插孔的過(guò)程，對(duì)應(yīng)仿真時(shí)間為2s～4s，第2s時(shí)刻插針開(kāi)始沿x軸正方向離開(kāi)插孔，拔出力為1.8N；從第3s開(kāi)始，插針與插孔之間配合不再緊密，接觸面積變小，摩擦力隨之變??；從3.2s開(kāi)始，拔出力出現(xiàn)負(fù)值，在拔出過(guò)程中插孔為插針提供一定推力來(lái)抵消簧片收口端對(duì)插針的彈力；在3.32s，插針與插孔完全分離，插入力為0。

在插針插入的過(guò)程中，最大應(yīng)力位于簧片根部截面內(nèi)側(cè)開(kāi)槽處，如圖11、12所示。插針完全插入后，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，應(yīng)力變化表現(xiàn)為階梯狀，在簧片根部最大值為529MPa，如圖11。插孔應(yīng)力集中現(xiàn)象集中在截面內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊緣，插孔內(nèi)部及中間區(qū)域應(yīng)力變化甚微。原因是在插針插入的過(guò)程中，插孔簧片的內(nèi)側(cè)受到拉伸作用，外側(cè)受到擠壓作用。

圖10 接觸件剖面等效應(yīng)力分布云圖

圖11 簧片根部等效應(yīng)力分布云圖

圖12 接觸區(qū)域應(yīng)力情況

接觸對(duì)的界面處理方式（Interface Treatment）設(shè)為接觸面與目標(biāo)面剛好接觸（Adjust to Touch），因此接觸區(qū)域無(wú)滲透現(xiàn)象。接觸區(qū)域的應(yīng)力分布如圖10所示。接觸開(kāi)始時(shí)，接觸區(qū)域位于簧片唇口處，應(yīng)力分布近似圓形。隨著插針的插入，接觸區(qū)域向簧片唇口內(nèi)側(cè)移動(dòng)。插針圓形倒角完全進(jìn)入唇口后，接觸區(qū)域位置相對(duì)固定，位于簧片唇口內(nèi)側(cè)，應(yīng)力分布為火焰狀。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡明，軍用航空電連接器的故障模式主要是接觸故障，并說(shuō)明了電連接器接觸故障的原因。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，可以分析電連接器在插入和拔出期間的電壓，以計(jì)算正常工作條件下電連接器的參數(shù)。最后，基于重慶某研究所的數(shù)據(jù)應(yīng)用SOLIDWORKS程序建立了22D＃插針插孔3D模型，ANSYS模擬了電連接器接觸件插入和移除過(guò)程。