利用SOLIDWORKS Simulation計算連接器彈力和塑性變形

智誠科技有限公司 楊柳寧

將對于連接器來說，其彈片的彈力和塑性變形非常重要。如果彈片彈力太小可能會導致連接器松動、接觸不良，如果彈力太大則可能會使連接器插拔困難、容易磨損。除此之外，很多連接器在首次使用時會產(chǎn)生塑性變形。而產(chǎn)生塑性變形后是否會影響到后續(xù)的使用也是我們必須要關(guān)心的問題。SolidWorks Simulation Premium的非線性分析可以輕松仿真以上所提到的問題。本文以一個真實連接器模型為例，在Simulation非線性中計算出彈片彈力和彈片產(chǎn)生塑性變形后的殘余形狀。

一、引言

提到連接器，大家并不陌生，它在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜浅Ｖ匾慕巧?。小到插頭，通信設(shè)備，手機充電器，大到船舶，大型工業(yè)設(shè)備，都活躍著連接器的身影。連接器松脫，將導致信號阻斷影響產(chǎn)品正常運行。連接器過于緊實，將導致插拔困難。這些問題都將嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，使得顧客對產(chǎn)品的滿意度大打折扣，因此合理的連接器彈片設(shè)計對連接器使使用壽命和用體驗至關(guān)重要。

彈片的形狀和厚度設(shè)計均可以影響其彈力，甚至一些復雜的彈片設(shè)計，其彈力會根據(jù)變形而隨之改變。傳統(tǒng)的方法需要先把樣機做出然后再進行測試，如果測試結(jié)果不合格則需要反復重復這一過程直到結(jié)果數(shù)據(jù)令人滿意為止。Simulation premium中的非線性可模擬彈片在受壓時的變形的反作用力和變形狀況，也可以隨時在軟件中更改設(shè)計并重新運算，借助這個工具可以大大提高設(shè)計效率減少樣機。

二、問題描述

在生活中，連接器隨處可見，如圖1所示。在本文中我將采用一個處于設(shè)計狀態(tài)的連接器模型為例，該模型由塑料外殼和金屬銅所做成的彈片組裝而成，如圖2所示。本文將模擬銅片在連接狀態(tài)時受壓變形及其反彈力。為了節(jié)省計算資源，仿真時我將單獨對銅件進行分析，如圖3所示。

三、分析模型前處理

圖1日常中的連接器

圖2連接器組裝件

圖3連接器彈片SolidWorks設(shè)計圖

圖4固定不變形的位置

本例中，圖4紅圈所示位置在受力時不會產(chǎn)生變形，可將其簡化成圖5所示形狀。除此之外，本模型為左右對稱模型，為了進一步節(jié)省計算機資源，可以進一步做1/2簡化，圖6所示藍色高亮面為對稱面。

四、Simulation仿真算例設(shè)置

圖5簡化不變形后圖檔

圖61/2簡化后圖檔

圖7材料屬性

連接器在進行連接時，彈片由于端子的接入產(chǎn)生受壓變形，成功連接后彈片受壓變形的距離是固定的。在本例中受壓距離為0.48mm。根據(jù)以往經(jīng)驗彈片在這種變形情況下會產(chǎn)生塑性變形，故需采用非線性分析以模擬塑性變形的過程。

五、Simulation模擬設(shè)定

1.材料屬性

定義彈片材料為CuSn4，模型類型為：塑性-von Mises。如圖7所示。

2.約束設(shè)定

定義對稱約束，選擇藍色高亮面為對稱面，預(yù)覽如圖8所示。

圖8對稱設(shè)置

彈片底面被固定，對該面應(yīng)用固定幾何體，如圖9所示。

圖9添加約束

3.外部載荷

彈片沿豎直方向向下壓0.48mm，如圖10所示。

4.網(wǎng)格劃分

設(shè)置主體網(wǎng)格大小和在藍色高亮面上設(shè)置網(wǎng)格控制，如圖11所示。完成設(shè)置后進行網(wǎng)格劃分，得到圖12所示網(wǎng)格圖解。

圖10添加位移載荷

圖11應(yīng)用網(wǎng)格控制

圖12網(wǎng)格劃分

至此，所有設(shè)置均已完成，直接點擊工具條上“運行此算例”即可。

六、結(jié)果解讀

從結(jié)果中可以看到彈片在受壓時的應(yīng)力與變形圖解

圖13彈片受壓0.48mm后應(yīng)力圖解

從圖14可以看出，彈片在受壓時力是不斷變化的，從圖表中可以得到任意變形所對應(yīng)的反力。當彈片在受壓過程中其應(yīng)力超過材料屈服應(yīng)力時彈片會產(chǎn)生塑性變形，此時再把作用力卸除彈片會產(chǎn)生相應(yīng)的殘余變形。

圖14載荷-位移響應(yīng)圖解

連接器的總壓緊力為：6×1.12=6.72N

圖15彈片總壓緊力

七、其他軟件分析結(jié)果對比

圖16是采用Ansys軟件進行分析后的結(jié)果圖解，從圖中可以看到其分析結(jié)果與Simulation分析結(jié)果幾乎一致（本文所涉案例為優(yōu)化后的產(chǎn)品，如圖16紫線所示載荷-位移響應(yīng)圖）。

圖16Ansys軟件分析結(jié)果

八、結(jié)語

SolidWorks Simulation Premium中的非線性分析可以解決材料非線性，大變形，邊界條件非線性的問題。本例中通過非線性算例模擬了連接器彈片受壓分析的過程，準確得出了彈片反力與變形，對其他連接器的設(shè)計與驗證具有參考意義。