軍用航空電連接器接觸件力學性能仿真*

（海軍航空大學 煙臺 264000）

1 引言

在對電連接器進行測試和模擬時，歐美發達國家起步最早，研究內容最深，與電連接器性能退化相關的研究在20世紀30年代便出現了［1］。70年代開始，美國就開始提出可靠性試驗方法MIL-STD-1344A［2］，制定了軍事標準，用平均無故障工作周期MCBF（Mean Cycle Between Failure）規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，以研究接觸件微動腐蝕的機械性能和接觸性能，并提供了一種評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研究對象。本文采用某軍機使用的J5999III系列電連接器，22D#插針插孔為研究對象。此型號電連接器結構是圓柱開槽式結構，應用廣泛具有代表性。首先分析電連接器失效模式，給出該型號接觸件的數學模型。然后使用SOLIDWORKS與ANSYS WORKBENCH建模和仿真來分析電連接器的性能，這對于優化電連接器的性能至關重要。

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、機械聯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的一種［7］。經統計，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接觸電阻逐漸增加和接觸對瞬斷。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生接觸壓力。在多次插拔后插針和插孔之間會造成比彈性變形更加嚴重的塑性變形，這會導致接觸件的疲勞和應力松弛。如果由于環境因素在接觸件間產生的合力大于接觸壓力太多，插孔和插針可能會突然分離，造成接觸件瞬斷現象。在高溫條件下工作時，接觸部分會蠕變，并且插孔中更容易出現疲勞和應力松弛，從而導致接觸壓力不足。

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。接觸表面的氧化會形成氧化膜，從而增加接觸電阻并影響可靠性。接觸表面的鍍金層在長期使用中會出現一種網狀結構，這個結構在溫度變化時會產生表面應力，鍍金層中出現裂紋，從而增加了接觸電阻。

3）接觸磨損

因為接觸部件不能完全光滑，所以插拔時接觸部件會由于接觸壓力而產生摩擦。在存在摩擦的情況下，電連接器的插針和插孔會發生相對位移［9］。摩擦和相對位移會使表面材料收到磨損，鍍層遭到破壞，從而導致基體暴露，這稱為微動磨損［10～14］。接觸件接觸表面的粗糙度、接觸件鍍層的種類、接觸件鍍層的質量、收口量的大小、插孔的制造形狀都會影響接觸件表面磨損的程度，過度磨損會縮短電連接器的機械壽命。

4）接觸件斷裂

工廠加工制造電連接器接觸件時會有加工工藝偏離預估要求、選擇材料出現質量問題、裝備運輸時出現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致應力集中。由于應力集中現象，接觸部分上的應力將大大高于所選材料的屈服極限，并且接觸部分會破裂。

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程中會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產生一定的形變量。在工作時由于環境振動等影響，插針插孔會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 接觸性能的數學模型

插孔經過收口處理之后，在插針與插孔插合時簧片會發生形變，因此插孔與插針之間為過盈配合，接觸力便應運而生。數學分析時可以將簧片看作懸臂梁結構，這樣可以更容易研究接觸件受力問題，如圖1所示，產生的接觸壓力滿足公式：

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

3.1 雙開槽結構截面慣性矩

本文分析的插孔為雙開槽插孔，截面平行于對稱面。雙開槽接觸件結構的截面圖形如圖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。

查閱機械設計手冊后可知重心與x1軸（即穿過圓心的軸）之間的距離為

圖2（b）和圖2（c）的面積分別為

3.2 動態接觸模型

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

考慮到環境因素對接觸件產生的影響，為簧片的添加一個加速度a來分析外界因素的影響，從而對接觸件進行靜態分析。慣性力可用下式求得：

3.3 插拔力理論計算模型

接觸件插合過程可以簡化為圖3所示情況。

圖3 接觸件受力簡圖

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

圖4 接觸件接觸簡圖

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

在插合的過程中，壓力角α在不斷地變化，設接觸件初始壓力角為α0，插合完成后插孔產生的撓度為δ。則收口后，插孔倒角的圓心到軸線的距離為r0=r1+r2-δ，根據圖4可得到下式：

4 接觸件接觸性能有限元分析

根據重慶某研究所所給數據應用SOLIDWORKS建立型號為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，插孔為雙開槽結構，基體材料為錫青銅，接觸件材料參數見表1。接觸件表面鍍金，但由于鍍金層非常薄，對插針插孔的插合過程中的機械性能影響較小，對影響表面接觸摩擦影響較大，因此仿真計算時使用鍍金層的摩擦系數，結構上建模忽略鍍層。

表1 接觸件基體材料參數

4.1 網格劃分

網格劃分方法為四面體網格，劃分方式為自適應方式，網格單元尺寸為0.3mm，接觸區域網格尺寸設置為0.2mm，為防止網格產生明顯畸變，在插孔簧片外圓弧面和插針頭部倒角半圓面這些接觸區域的相鄰面進行網格細化，細化程度系數設為1，模型的網格如圖6所示。

圖6 模型網格劃分圖

插針頭部半圓面和外圓柱面與插孔簧片頭部倒角面和內圓弧面為一對接觸對，插孔內表面為目標面，所以將接觸類型設置為摩擦（Frictional），并且將接觸極限設置為摩擦。接觸面與目標面明顯，因此接觸形狀為非對稱接觸，摩擦系數為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，摩擦接觸通常設置為1。法向接觸剛度越高，接觸滲透率越低，并且接觸精度越高。但計算結果不容易收斂；法線接觸剛度計算越小，收斂越容易，計算速度越快，但是接觸滲透率越高，誤差越大。根據經驗和實際仿真調試，法向剛度因子為0.1，該模型仿真結果比較精確，收斂容易。

接觸算法為增強拉格朗日算法，在不需要很大法向接觸剛度時，就可以保證較小的穿透，計算結果容易收斂。Pinball設置用來識別面與面之間開始接觸的距離，可以提高計算精度和速度，Pinball Region半徑設為0.01mm。接觸對的界面處理方式（Interface Treatment）設為接觸面與目標面剛好接觸（Adjust to Touch）。

4.2 設置載荷及求解

仿真過程分為三個步驟：第一步，在插孔簧片外緣施加10N收口力，使插孔模型產生0.16mm的收口量，將插孔形變后的結果用靜力學分析中的Beta功能更新到模型中，如圖7所示。經過多次仿真分析，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動進入插孔，插針進入插孔中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設置為on。插拔兩個過程，總共兩個加載步驟，關閉自動時間步，為每個加載步驟設置50個子步驟，選擇直接求解器。插針與插孔通過安裝在絕緣壓板的定位孔中進行固定，因此將中部凸臺的圓柱面設為固定約束。為插針提供位移載荷，在x軸的負方向上移動3.5mm，載荷時間為4s。

4.3 仿真結果及分析

載荷步一仿真的是插針插入插孔的過程，載荷步時間為0s～2s，插針從0s開始向x軸負方向勻速直線運動。在0.68s時，插針開始與插孔簧片接觸，插針頭部圓形倒角和插孔簧片唇口倒角開始出現應力，插針插入受阻，插入力從0開始快速上升；在0.8s時，插針圓形倒角剛好完全進入簧片收口端倒角，此時插入力為最大值2.8N，此后插針在進入插孔的過程中插拔力不斷起伏，插拔力動態變化如圖8所示。在0.88s時，插針與插孔間壓力達到最大值為120.89MPa，接觸壓力動態變化如圖9所示。在0.96s時，插針圓形倒角完全插入插孔簧片倒角，簧片變形量達到最大值0.08mm，這時插針在插孔中的位移量為0.42mm，插拔力為1.87N。當插針與插孔穩定配合后，插孔簧片變形量不再增加，這與上一章節所分析的數學模型吻合?；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程，對應仿真時間為2s～4s，第2s時刻插針開始沿x軸正方向離開插孔，拔出力為1.8N；從第3s開始，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開始，拔出力出現負值，在拔出過程中插孔為插針提供一定推力來抵消簧片收口端對插針的彈力；在3.32s，插針與插孔完全分離，插入力為0。

在插針插入的過程中，最大應力位于簧片根部截面內側開槽處，如圖11、12所示。插針完全插入后，應力值趨于穩定，應力變化表現為階梯狀，在簧片根部最大值為529MPa，如圖11。插孔應力集中現象集中在截面內側和外側邊緣，插孔內部及中間區域應力變化甚微。原因是在插針插入的過程中，插孔簧片的內側受到拉伸作用，外側受到擠壓作用。

圖10 接觸件剖面等效應力分布云圖

圖11 簧片根部等效應力分布云圖

圖12 接觸區域應力情況

接觸對的界面處理方式（Interface Treatment）設為接觸面與目標面剛好接觸（Adjust to Touch），因此接觸區域無滲透現象。接觸區域的應力分布如圖10所示。接觸開始時，接觸區域位于簧片唇口處，應力分布近似圓形。隨著插針的插入，接觸區域向簧片唇口內側移動。插針圓形倒角完全進入唇口后，接觸區域位置相對固定，位于簧片唇口內側，應力分布為火焰狀。

5 結語

本文闡明，軍用航空電連接器的故障模式主要是接觸故障，并說明了電連接器接觸故障的原因。通過建立數學模型，可以分析電連接器在插入和拔出期間的電壓，以計算正常工作條件下電連接器的參數。最后，基于重慶某研究所的數據應用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程。