连接器振动冲击动力学仿真研究

吉宜职，王祖进

(南京康尼科技实业有限有限公司，江苏南京，210046)

1 引言

连接器是用于电路连接的重要机电元件，在航天、航空、通信等各大领域应用广泛，其连接的可靠性对电子设备的安全运行有着重要影响[1-3]。在连接器工作过程中，经常受到振动冲击作用，这对连接器的连接性能提出了更高的要求[4-6]，为此开发出一款改进型连接器。

该改进型连接器主要包括接插件、接触板和壳体，接触板与壳体之间由复位弹簧连接。在工作过程中，连接器两两配合，接触板上的各类接插件相互连接，实现电信号的传输。在连接器受到振动冲击时，接触板与壳体之间的弹簧对接触板产生推动作用，以保证连接器受到振动时接触板上的接插件始终保持密切配合[7-9]。若在振动过程中弹簧力失效，则易导致连接器接触不良等问题，甚至引起整个系统的失效。

针对以上情况，本文基于虚拟样机技术，对连接器冲击工况进行仿真分析，在连接器外壳添加三个不同方向的载荷模拟冲击振动作用，观察在受到冲击振动过程中，复位弹簧是否会与接触板脱离。本研究为后续连接器优化设计与型号选择提供了参考。

2 动力学模型搭建

2.1 模型导入

连接器主要由外壳体、接触板、接插件组成，如图1所示。壳体与接触板之间由弹簧和锥台连接，受到冲击振动时，接触板挤压锥台前后移动，与锥台连接的复位弹簧受到挤压产生弹簧力推动接触板恢复原位，以保证接插件的有效连接。

图1 连接器结构

将连接器模三维模型导入RecurDyn动力学仿真软件[10-11]，由于本文仅研究振动过程中弹簧的作用情况，对接插件磁性连接情况不做研究，因此在模型中可以将接插件与接触板采用merge连接固连在一起，根据三维模型对固连后部件的密度等材料属性进行设置。

2.2 运动关系设置

根据连接器工作要求，在连接器工作过程中，外壳四个点位固定，锥台可以在轴上移动。在模型中定义各零部件之间的运动关系，如表1所示。

表1 运动关系设置

2.3 接触关系设置

对模型接触副进行设置[12-14]，本次计算接触区域设置主要集中在接触板、外壳体、弹簧锥台之间，接触类型选择几何表面接触(Geo Surface Contact)，其中主要接触副及其参数设置如表2所示。

表2 主要接触副及参数设置

2.4 驱动设置

根据GB/T21563-2008中第8条1类B级随机振动参考要求，在连接器外壳添加三个方向的运动副，设置加速度模拟连接器受到的冲击作用，三个方向的加速度如表3所示。

表3 振动冲击条件

如图2所示为轴向(Y轴)冲击时，加速度加载曲线图。

图2 轴向冲击加速度加载曲线图

3 弹簧设置

在动力学模型中添加弹簧力作用。弹簧力选择Spring模块，连接器弹簧属I类载荷弹簧，选用碳素弹簧钢丝(65Mn)，查机械设计手册可知弹簧切变模量G=79000MPa，弹性模量 E=206000 MPa，抗拉强度σb=2250 MPa，许用切应力τp=607.5 MPa。根据试验结果测得弹簧刚度为3.18N/mm，弹簧自由长度28mm，在模型中添加弹簧属性，如图3所示。

最终建立的连接器动力学仿真模型如图4所示。

(a) (b)

4 仿真分析

设置仿真时间为0.15s，对连接器三个方向分别加载，进行冲击仿真分析，选取其中一个弹簧力为研究对象进行分析。

(1)轴向冲击

连接器受到轴向冲击时，弹簧力的变化曲线如图5所示。由图可知，初始弹簧力为15.43N，在受到轴向冲击振动后，弹簧力增大，最大弹簧力为15.68N。之后，弹簧力稳定在15.44N左右，在受到轴向冲击时，弹簧始终保持作用。

图5 轴向冲击弹簧力变化曲线

(2)纵向冲击

连接器受到纵向冲击时，弹簧力的变化曲线如图6所示。由图可知，初始弹簧力为15.43N，在受到纵向冲击振动后，弹簧力减小，最小弹簧力为11.94N。之后，弹簧力稳定在15.32N左右，在受到纵向冲击时，弹簧始终保持作用。

图6 纵向冲击弹簧力变化曲线

(3)横向冲击

连接器受到横向冲击时，弹簧力的变化曲线如图7所示。由图可知，初始弹簧力为15.43N，在受到横向冲击振动后，弹簧力减小，最小弹簧力为11.38N。之后，弹簧力稳定在15.4N左右，在受到横向冲击时，弹簧始终保持作用。

图7 横向冲击弹簧力变化曲线

根据仿真结果可知，复位弹簧安装后，预加载荷约15.43N，在受到轴向载荷冲击时，弹簧力先增大后减小，最终稳定在15.44N左右；在受到纵向和横向冲击载荷时，弹簧力先减小再增大，最小弹簧力分别为11.94N和11.38N。由此可知，在连接器受到冲击振动过程中，弹簧力始终保持作用，未出现与接触板脱离情况。

5 结论

接触板的良好接触是连接器稳定传输电信号的保障，连接器中的复位弹簧可以推动接触板在受到冲击振动时快速复位，若在振动时，弹簧脱离接触板则易造成连接失效导致电信号中断。本文基于RecurDyn软件对连接器的冲击振动工况进行仿真分析，得到复位弹簧在连接器受到不同方向冲击时的弹簧力变化曲线。仿真结果表明，在连接器受到冲击振动过程中，复位弹簧始终保持作用。其中，在受到横向冲击时弹簧力相对较小，但弹簧力始终大于0，未发生弹簧脱离情况。本研究为后续连接器优化设计及复位弹簧选型提供了参考经验。