汽車高壓連接器屏蔽環(huán)應(yīng)力分析

來源：?作者：線束世界-Jimmy?2021-03-26 22:49

1.異常描述

1.1連接器在震動(dòng)測試過程中，屏蔽出現(xiàn)瞬斷現(xiàn)象。??

1.2連接器在公母端對配后（見圖1），插座與插頭的壓鑄件（鋁合金）通過屏蔽環(huán)端子連接（見圖2），此連接屬于簡支梁連接，在震動(dòng)過程中，屏蔽端子出現(xiàn)屈服（見圖3），使得端子不再與插座接觸，造成屏蔽出現(xiàn)瞬斷。

2.金屬材料特性介紹

2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線

見圖4，金屬材料在拉伸變形過程中，存在以下應(yīng)力應(yīng)變曲線。

從圖4中我們可以看出材料的應(yīng)變可以分為4個(gè)階段

2.1.1?彈性階段? ob

σp為比例極限，σe為彈性極限

oa為直線，應(yīng)力與應(yīng)變在此階段成正比關(guān)系，材料符合胡克定律。直線oa的斜率就是材料的彈性模量（有些也叫楊氏模量），直線部分的***高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值，記作σp，稱為材料的比例極限。曲線超過a點(diǎn)，圖上的ab段不再是直線，說明材料已不符合胡克定律。但在ab段內(nèi)卸載，變形也隨之消失，說明ab段也發(fā)生彈性變形，所以ab段稱為彈性階段。b點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值記作σe，稱為彈性極限。彈性極限與比例極限非常接近，工程實(shí)際中通常對二者不做嚴(yán)格區(qū)分，而近似地用比例極限代替彈性極限。

2.1.2屈服階段? bc（失去抵抗變形的能力）

σs為屈服極限，力達(dá)到此線階段叫做“屈服”

曲線超過b點(diǎn)后，出現(xiàn)一段鋸齒形曲線，這一階段應(yīng)力沒有增加，材料好像失去了抵抗變形的能力，把這種應(yīng)力不增加而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象稱作屈服，bc段稱為屈服階段。屈服階段曲線***低點(diǎn)對應(yīng)的用力σs稱為屈服點(diǎn)（或屈服極限）。在屈服點(diǎn)卸載，將出現(xiàn)不能消失的塑性變形。工作上一般不允許構(gòu)件發(fā)生塑性變形，并把塑性變形作為塑性材料破壞的標(biāo)志，所以屈服點(diǎn)σs是衡量材料強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。

2.1.3?強(qiáng)化階段ce（恢復(fù)抵抗變形的能力，此階段為均勻塑性變形）

σb為強(qiáng)度極限

經(jīng)過屈服階段后，曲線從c點(diǎn)又開始逐漸上升，說明要使應(yīng)變增加，必須增加應(yīng)力，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱作強(qiáng)化，ce稱為強(qiáng)化階段（加工硬化）。曲線***高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值記作σb，稱為材料的抗拉強(qiáng)度（或強(qiáng)度極限）。σb是衡量材料強(qiáng)度的又一個(gè)重要指標(biāo)。

2.1.4?局部緊縮階段?ef

曲線到達(dá)e點(diǎn)前，材料的變形是均勻發(fā)生的，曲線到達(dá)e點(diǎn)，在材料比較薄弱的某一局部（材料不均勻或有缺陷處），變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象，材料很快被拉斷，所以ef段稱為縮頸斷裂階段。

3.應(yīng)力計(jì)算及分析

3.1材料應(yīng)力可以用普通公式計(jì)算，但是普通公式對處于彈性階段的應(yīng)力計(jì)算比較準(zhǔn)確，而對于屈服階段及往后的階段不太準(zhǔn)確，必須通過微積分進(jìn)行計(jì)算，但如果高等數(shù)學(xué)沒學(xué)好的或者沒有高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的人來講有點(diǎn)難度。不過普通計(jì)算公式可以為設(shè)計(jì)者指明改善的方向，在結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAE）進(jìn)行分析驗(yàn)證。圖5為普通計(jì)算公式。

4.屏蔽環(huán)應(yīng)力分析

4.1屏蔽環(huán)材料屬性

屏蔽環(huán)用的材料是普通磷青銅C5191R-H,材料的彈性模量110Gpa，屈服強(qiáng)度為557Mpa，抗拉強(qiáng)度590~685Mpa，泊松比為0.33

4.2應(yīng)力分析結(jié)果

圖6模擬屏蔽環(huán)彈片下壓0.50mm，CAE軟件分析得出材料的***大應(yīng)力為661.3Mpa。已經(jīng)大于材料的屈服強(qiáng)度557Mpa，因此會(huì)出現(xiàn)永久塑性變形。圖7為端子的位移力量曲線，可知端子在0點(diǎn)下壓0.50mm時(shí)，可返回至離原點(diǎn)0.34mm，屈服率68%（0.34/0.50）。

5.改善對策

5.1根據(jù)應(yīng)力公式

通過加長力臂L及增大材料的屈服強(qiáng)度，使得端子在***大變形時(shí)的應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，這樣可降低端子的屈服，來改善屏蔽瞬斷情況。

增大材料的屈服強(qiáng)度：現(xiàn)將材料由磷青銅C5191R-H改為鈹青銅C17200-TM06, 材料的彈性模量110Gpa，屈服強(qiáng)度為1035Mpa，1060Mpa，泊松比為0.33.

增加力臂：端子由簡支梁改為懸臂梁，同時(shí)適當(dāng)再增加力臂，見圖8

5.2改后應(yīng)力分析

改后結(jié)構(gòu)分別分析下壓0.50mm（正常工作），0.60mm（過壓0.10mm），下壓0.70mm（過壓0.20mm）三種情況，用來評估改善后的結(jié)構(gòu)是否可靠。

圖9為端子下壓0.50mm時(shí)的應(yīng)力云圖，我們可以看到材料的***大應(yīng)力為612.1Mpa，小于屈服強(qiáng)度1035Mpa，所以在***大變形情況下處于彈性階段，不會(huì)屈服，結(jié)構(gòu)可靠。

圖10為下壓0.50mm時(shí)的位移力量曲線，圖11為下壓0.60mm是的位移力量曲線，圖12為下壓0,70mm時(shí)的力量位移曲線。我們看到在下壓0.5mm時(shí)，端子無屈服。下壓0.60mm是，端子無屈服。下壓0.70mm時(shí)，端子屈服0.02mm，屈服率（2.8%）。所以我們預(yù)知，改后結(jié)構(gòu)OK。