汽車(chē)高壓連接器屏蔽環(huán)應(yīng)力分析
1.異常描述
1.1連接器在震動(dòng)測(cè)試過(guò)程中,屏蔽出現(xiàn)瞬斷現(xiàn)象。
1.2連接器在公母端對(duì)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(xiàn)屈服(見(jiàn)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(jiàn)圖4,金屬材料在拉伸變形過(guò)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?cè)诖穗A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(duì)應(yīng)的應(yīng)力值,記作σp,稱(chēng)為材料的比例極限。曲線超過(guò)a點(diǎn),圖上的ab段不再是直線,說(shuō)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(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(duì)應(yīng)的應(yīng)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(duì)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(guò)b點(diǎn)后,出現(xiàn)一段鋸齒形曲線,這一階段應(yīng)力沒(méi)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(chēng)作屈服,bc段稱(chēng)為屈服階段。屈服階段曲線***低點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(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(guò)屈服階段后,曲線從c點(diǎn)又開(kāi)始逐漸上升,說(shuō)明要使應(yīng)變?cè)黾?,必須增加?yīng)力,材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力,這種現(xiàn)象稱(chēng)作強(qiáng)化,ce稱(chēng)為強(qiáng)化階段(加工硬化)。曲線***高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值記作σb,稱(chēng)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(chēng)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(duì)處于彈性階段的應(yīng)力計(jì)算比較準(zhǔn)確,而對(duì)于屈服階段及往后的階段不太準(zhǔn)確,必須通過(guò)微積分進(jìn)行計(jì)算,但如果高等數(shù)學(xué)沒(méi)學(xué)好的或者沒(méi)有高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的人來(lái)講有點(diǎn)難度。不過(guò)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
3.2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)***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(duì)策
5.1根據(jù)應(yīng)力公式,通過(guò)加長(zhǎng)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(lái)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(jiǎn)支梁改為懸臂梁,同時(shí)適當(dāng)再增加力臂,見(jiàn)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(guò)壓0.10mm),下壓0.70mm(過(guò)壓0.20mm)三種情況,用來(lái)評(píng)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(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(yù)知,改后結(jié)構(gòu)OK。
6.總結(jié)
我們通過(guò)軟件應(yīng)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(shè)計(jì)初期及開(kāi)模前能很好的去應(yīng)用,可以大大的減少產(chǎn)品的改模費(fèi)用,及縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。