某天線系統(tǒng)連接用簧片電接觸故障分析

楊 靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

某星載天線系統(tǒng)由多個相同的電子設(shè)備搭接而成，每個電子設(shè)備均為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，相鄰兩個電子設(shè)備間通過簧片實現(xiàn)電信號連接。因為鈹青銅具有優(yōu)良的機(jī)械性能，能夠制造成不同的形狀，用于配合不同的使用要求和安裝方式，所以選用鈹青銅簧片作為天線系統(tǒng)連接用的彈性接觸件?；善趦稍O(shè)備間搭接時應(yīng)為良好的導(dǎo)體，在對天線系統(tǒng)電測時發(fā)現(xiàn)，某簧片搭接區(qū)域的電信號出現(xiàn)異常。拆下簧片后觀察，電信號差的區(qū)域內(nèi)簧片出現(xiàn)明顯的變形，而其他位置的簧片無明顯變形。

已有研究表明，簧片接觸可靠性直接影響設(shè)備的電性能[1]。觸點(diǎn)作為簧片上的直接接觸位置，是影響接觸可靠性的一個重要因素[2]，觸點(diǎn)斷開將造成接觸故障[3]。對于本文所研究的天線系統(tǒng)，為了查明故障原因，需要揭示簧片變形與觸點(diǎn)分布的內(nèi)在聯(lián)系，但受現(xiàn)場測試條件的限制，難以實現(xiàn)對搭接后狹小區(qū)域內(nèi)簧片的觸點(diǎn)定量研究，并且簧片搭接是一個動態(tài)過程，不能等效為靜態(tài)載荷處理，這些都給故障分析帶來了困難。

通過仿真手段進(jìn)行動態(tài)接觸研究已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域[4-6]，但關(guān)于鈹青銅簧片的研究目前主要集中在熱處理工藝、熱變形控制[7-9]等方面，對鈹青銅簧片搭接過程的動態(tài)接觸研究較少。為了定量研究簧片接觸可靠性，揭示簧片搭接后變形和觸點(diǎn)、應(yīng)力分布的關(guān)系，本文將采用非線性接觸動態(tài)仿真方法，定量地研究簧片應(yīng)力、觸點(diǎn)分布，并提出改進(jìn)建議，進(jìn)一步提高簧片接觸可靠性。

1 仿真建模

1)模型及安裝形式。

圖1所示為本文研究所用的簧片結(jié)構(gòu)和搭接示意圖，簧片由厚1.5 mm的鈹青銅薄板加工而成。簧片安裝方式為一端用螺釘固定，另外一端通過擠壓壓緊在電子設(shè)備外壁上。

圖1 簧片結(jié)構(gòu)和搭接示意圖

2)建模。

通常情況下，剛度較大的電子設(shè)備采用剛體建模，簧片采用變形體建模。本文根據(jù)結(jié)構(gòu)和搭接形式預(yù)估簧片接觸區(qū)域，采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法處理模型。對預(yù)接觸區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化時，網(wǎng)格大小需能反映觸點(diǎn)的分布特征。建立的簧片有限元模型如圖2所示。

3)接觸對。

對于文中所采用的簧片搭接結(jié)構(gòu)(如圖1(b)所示)，分析時需要同時考慮2組接觸對的情況，即簧片與電子設(shè)備1、簧片與電子設(shè)備2的動態(tài)接觸。

4)邊界條件。

裝配誤差的存在會造成電子設(shè)備間距不一，本文選用3種間距進(jìn)行分析，對應(yīng)的簧片可產(chǎn)生0.8,1.0,1.2 mm 3種壓縮位移。

2 簧片初始變形對觸點(diǎn)的影響

1)簧片無初始變形。

簧片受到壓縮，位移分別為0.8,1.0,1.2 mm時，簧片上觸點(diǎn)的分布如圖3所示，圖中給出的接觸狀態(tài)數(shù)值為量化值，數(shù)值為1時表示已經(jīng)接觸。可以看出，3種壓縮位移條件下，簧片上觸點(diǎn)分布情況相似，沿簧片長度、高度方向呈連續(xù)、均勻的條帶狀分布，接觸區(qū)域內(nèi)無斷點(diǎn)。

2)簧片有初始變形。

經(jīng)測量，簧片預(yù)接觸區(qū)域內(nèi)有0.2～0.3 mm的變形，初始變形較為明顯。本文采用3D掃描儀測量簧片上各點(diǎn)的初始變形數(shù)據(jù)，然后通過三維建模軟件構(gòu)造出簧片幾何模型，如圖4所示。

具有初始變形的簧片搭接后觸點(diǎn)沿簧片長度、高度方向呈分散、不連續(xù)分布，如圖5所示。其中壓縮位移為0.8 mm時，簧片觸點(diǎn)的連續(xù)性、均勻性最差，兩相鄰接觸點(diǎn)沿簧片長度、高度方向的最大距離分別可達(dá)17 mm和7 mm。

圖4 帶有初始變形的簧片幾何模型

圖5 具有初始變形的簧片搭接后的接觸狀態(tài)分布

3 簧片初始變形對應(yīng)力的影響

1)簧片無初始變形。

隨著壓縮位移增大，簧片在保持與電子設(shè)備均勻接觸的同時其上的應(yīng)力也在增大。如圖6所示，對應(yīng)于壓縮位移分別為0.8,1.0,1.2 mm時，簧片上最大應(yīng)力分別為25,31,37 MPa，均出現(xiàn)在簧片開槽邊緣處。

2)簧片有初始變形。

如果簧片自身存在凸凹不平的初始變形，會造成搭接后觸點(diǎn)分布不均勻、觸點(diǎn)附近應(yīng)力較大。隨著受擠壓程度增加，簧片在自身變形協(xié)調(diào)作用下會降低觸點(diǎn)分布的不均勻程度，簧片應(yīng)力也隨之減小。圖7給出了應(yīng)力計算結(jié)果，在壓縮位移為0.8,1.0,1.2 mm時，應(yīng)力最大值分別為143,79,43 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在不同的位置。

圖6 簧片搭接后等效應(yīng)力分布(MPa)

因簧片上的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于鈹青銅的屈服強(qiáng)度1 000 MPa，可斷定搭接過程中簧片僅發(fā)生了彈性變形，沒有出現(xiàn)塑性變形。

4 簧片電接觸故障分析及改進(jìn)措施

根據(jù)分析可知，故障簧片拆后發(fā)現(xiàn)的變形與搭接過程無關(guān)。形狀良好的簧片搭接后觸點(diǎn)呈均勻連續(xù)的分布，相鄰兩觸點(diǎn)之間無斷點(diǎn)；帶有初始變形的簧片觸點(diǎn)分布分散、不連續(xù)，斷點(diǎn)較多。由此可以推斷，簧片初始變形過大是造成電接觸故障的主要原因。為了驗證仿真結(jié)論，更換天線系統(tǒng)搭接用的故障簧片并重新測試電性能，發(fā)現(xiàn)電性能良好，電接觸故障消失，證明了本文的仿真分析可靠有效。

選用形狀良好的簧片可以避免天線系統(tǒng)發(fā)生電接觸故障?？紤]到簧片在加工或運(yùn)輸過程中，受外部因素影響可能會產(chǎn)生不同程度的形狀改變，本文擬采用增大簧片底部折彎角度的改進(jìn)方案，使得簧片在同樣裝配間距的情況下產(chǎn)生更大的壓縮變形，從而減小初始變形帶來的負(fù)面影響。圖8所示為仿真分析得到的電子設(shè)備間距為2.2 mm、簧片底部折彎角增加5°后，與上述初始變形相同的簧片搭接后觸點(diǎn)和應(yīng)力分布情況。沿著簧片長度和高度方向，兩相鄰觸點(diǎn)的最大距離分別為12 mm和5 mm，較原設(shè)計觸點(diǎn)的分散程度(如圖5(a)所示)有所降低?；善献畲髴?yīng)力為190 MPa，雖然較原設(shè)計應(yīng)力(如圖7(a)所示)有所增大，但仍有足夠的安全裕度不至于產(chǎn)生塑性變形。仿真結(jié)果表明，增大簧片底部折彎角度可有效降低觸點(diǎn)分散程度。

圖7 具有初始變形的簧片搭接后等效應(yīng)力分布(MPa)

5 結(jié)論

1)簧片初始變形是影響搭接后觸點(diǎn)分布的一個重要因素，初始變形較大時簧片上觸點(diǎn)分布分散，斷點(diǎn)嚴(yán)重，會造成天線系統(tǒng)搭接后電接觸故障。

2)搭接過程中簧片不會發(fā)生形狀改變，簧片拆后發(fā)現(xiàn)的變形來源于簧片自身。

圖8 簧片改進(jìn)結(jié)構(gòu)接觸分析結(jié)果

3)選用形狀良好的簧片，可以避免天線系統(tǒng)出現(xiàn)電接觸故障，通過簧片結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化也可降低簧片初始變形帶來的不良影響。