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        22. 汽車高壓連接器屏蔽環應力分析

          2020-09-10 1279次 返回

          1.異常描述

          1.1連接器在震動測試過程中,屏蔽出現瞬斷現象。  

          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)通過屏蔽環端子連接(見圖2),此連接屬于簡支梁連接,在震動過程中,屏蔽端子出現屈服(見圖3),使得端子不再與插座接觸,造成屏蔽出現瞬斷。


          圖片1

          圖片2

          圖片3

          2.金屬材料特性介紹

          2.1應力應變曲線

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

          圖片4

          從圖4中我們可以看出材料的應變可以分為4個階段

          2.1.1 彈性階段  ob

          σp為比例極限,σe為彈性極限

          oa為直線,應力與應變在此階段成正比關系,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***高點所對應的應力值,記作σp,稱為材料的比例極限。曲線超過a點,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段內卸載,變形也隨之消失,說明ab段也發生彈性變形,所以ab段稱為彈性階段。b點所對應的應力值記作σe,稱為彈性極限。彈性極限與比例極限非常接近,工程實際中通常對二者不做嚴格區分,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,力達到此線階段叫做“屈服”

          曲線超過b點后,出現一段鋸齒形曲線,這一階段應力沒有增加,材料好像失去了抵抗變形的能力,把這種應力不增加而應變顯著增加的現象稱作屈服,bc段稱為屈服階段。屈服階段曲線***低點對應的用力σs稱為屈服點(或屈服極限)。在屈服點卸載,將出現不能消失的塑性變形。工作上一般不允許構件發生塑性變形,并把塑性變形作為塑性材料破壞的標志,所以屈服點σs是衡量材料強度的一個重要指標。

          2.1.3 強化階段ce(恢復抵抗變形的能力,此階段為均勻塑性變形)

          σb為強度極限

          經過屈服階段后,曲線從c點又開始逐漸上升,說明要使應變增加,必須增加應力,材料又恢復了抵抗變形的能力,這種現象稱作強化,ce稱為強化階段(加工硬化)。曲線***高點所對應的應力值記作σb,稱為材料的抗拉強度(或強度極限)。σb是衡量材料強度的又一個重要指標。

          2.1.4 局部緊縮階段 ef

          曲線到達e點前,材料的變形是均勻發生的,曲線到達e點,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,出現了縮頸現象,材料很快被拉斷,所以ef段稱為縮頸斷裂階段。

           

          3.應力計算及分析

          3.1材料應力可以用普通公式計算,但是普通公式對處于彈性階段的應力計算比較準確,而對于屈服階段及往后的階段不太準確,必須通過微積分進行計算,但如果高等數學沒學好的或者沒有高等數學基礎的人來講有點難度。不過普通計算公式可以為設計者指明改善的方向,在結合計算機輔助設計軟件(CAE)進行分析驗證。圖5為普通計算公式。

          圖片5

           

          4.屏蔽環應力分析

          4.1屏蔽環材料屬性

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

          3.2應力分析結果

          6模擬屏蔽環彈片下壓0.50mm,CAE軟件分析得出材料的***大應力為661.3Mpa。已經大于材料的屈服強度557Mpa,因此會出現永久塑性變形。圖7為端子的位移力量曲線,可知端子在0點下壓0.50mm時,可返回至離原點0.34mm,屈服率68%0.34/0.50)。

          圖片6圖片7

           

          5.改善對策

          5.1根據應力公式圖片13,通過加長力臂L及增大材料的屈服強度,使得端子在***大變形時的應力小于材料的屈服強度,這樣可降低端子的屈服,來改善屏蔽瞬斷情況。

          增大材料的屈服強度:現將材料由磷青銅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,同時適當再增加力臂,見圖8

          圖片8

          5.2改后應力分析

          改后結構分別分析下壓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構是否可靠。

          9為端子下壓0.50mm時的應力云圖,我們可以看到材料的***大應力為612.1Mpa,小于屈服強度1035Mpa,所以在***大變形情況下處于彈性階段,不會屈服,結構可靠。

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

          圖片9圖片10圖片11

           圖片12

          6.總結

          我們通過軟件應力分析,有效的解決了金屬端子的屈服問題,有效改善了屏蔽端子的接觸問題。如果在產品設計初期及開模前能很好的去應用,可以大大的減少產品的改模費用,及縮短產品的開發周期。


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