汽車(chē)高壓連接器屏蔽環(huán)應力分析

1.異常描述

1.1連接器在震動(dòng)測試過(guò)程中，屏蔽出現瞬斷現象。  

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

2.金屬材料特性介紹

2.1應力應變曲線(xiàn)

見(jiàn)圖4，金屬材料在拉伸變形過(guò)程中，存在以下應力應變曲線(xiàn)。

從圖4中我們可以看出材料的應變可以分為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(xiàn)，應力與應變在此階段成正比關(guān)系，材料符合胡克定律。直線(xiàn)oa的斜率就是材料的彈性模量（有些也叫楊氏模量），直線(xiàn)部分的***高點(diǎn)所對應的應力值，記作σp，稱(chēng)為材料的比例極限。曲線(xiàn)超過(guò)a點(diǎn)，圖上的ab段不再是直線(xiàn)，說(shuō)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(shuō)明ab段也發(fā)生彈性變形，所以ab段稱(chēng)為彈性階段。b點(diǎn)所對應的應力值記作σe，稱(chēng)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(xiàn)階段叫做“屈服”

曲線(xiàn)超過(guò)b點(diǎn)后，出現一段鋸齒形曲線(xiàn)，這一階段應力沒(méi)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(zhù)增加的現象稱(chēng)作屈服，bc段稱(chēng)為屈服階段。屈服階段曲線(xiàn)***低點(diǎn)對應的用力σs稱(chēng)為屈服點(diǎn)（或屈服極限）。在屈服點(diǎn)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(fā)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(diǎn)σs是衡量材料強度的一個(gè)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(jīng)過(guò)屈服階段后，曲線(xiàn)從c點(diǎn)又開(kāi)始逐漸上升，說(shuō)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(chēng)作強化，ce稱(chēng)為強化階段（加工硬化）。曲線(xiàn)***高點(diǎn)所對應的應力值記作σb，稱(chēng)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(gè)重要指標。

2.1.4 局部緊縮階段 ef

曲線(xiàn)到達e點(diǎn)前，材料的變形是均勻發(fā)生的，曲線(xiàn)到達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(zhù)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(chēng)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(guò)微積分進(jìn)行計算，但如果高等數學(xué)沒(méi)學(xué)好的或者沒(méi)有高等數學(xué)基礎的人來(lái)講有點(diǎn)難度。不過(guò)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(jìn)行分析驗證。圖5為普通計算公式。

4.屏蔽環(huán)應力分析

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，屈服強度為557Mpa，抗拉強度590~685Mpa，泊松比為0.33

3.2應力分析結果

圖6模擬屏蔽環(huán)彈片下壓0.50mm，CAE軟件分析得出材料的***大應力為661.3Mpa。已經(jīng)大于材料的屈服強度557Mpa，因此會(huì )出現永久塑性變形。圖7為端子的位移力量曲線(xiàn)，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根據應力公式，通過(guò)加長(cháng)力臂L及增大材料的屈服強度，使得端子在***大變形時(shí)的應力小于材料的屈服強度，這樣可降低端子的屈服，來(lái)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(jiǎn)支梁改為懸臂梁，同時(shí)適當再增加力臂，見(jiàn)圖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(guò)壓0.10mm），下壓0.70mm（過(guò)壓0.20mm）三種情況，用來(lái)評估改善后的結構是否可靠。

圖9為端子下壓0.50mm時(shí)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(huì )屈服，結構可靠。

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

6.總結

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