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电连接器是一种连接电气线路的导体设备,主要用于实现对电信号的传输与控制。虽然电连接器被广泛运用到各种电子设备中,但其可靠性不高,一个电连接器的失效可能引起整个系统故障甚至瘫痪,造成事故和经济损失。接触失效是电连接器的失效模式,电连接器插拔接触过程中的接触特性和载流工作所产生的温升均会影响接触可靠性。因此对电连接器的接触可靠性,以及影响接触特性和载流温升的关键因素进行研究。本文以FTP-P-006微型电连接器为研究对象,通过有限元分析的方法对电连接器的接触特性和温度场进行了研究。具体研究内容如下:1.对造成接触失效的因素进行了理论研究分析。研究发现,在接触体发生接触时,接触压力决定接触界面间的接触面积、接触点个数和电导率,接触压力过低是导致接触失效的因素。通过对接触体表面进行电镀处理的方法提高了接触可靠性,接触体的镍-金镀层可以在接触体表面形成耐腐蚀保护层,同时优化接触界面的微观结构,从而起到增强电连接器的接触可靠性的作用。2.利用SolidWorks软件建立了电连接器的接触体、锁紧机构和绝缘基座的实体模型,并装配成电连接器整体模型。通过ANSYS Workbench和LS-DYNA建立了适合非线性、大形变的联合仿真平台,对接触体插拔过程中的接触特性进行了仿真分析,得到了配合后的接触体模型,以及接触体在插拔接触过程中随时间变化的应力、接触压力和插拔力曲线。根据IEC 60512-13-2-2006,当电连接器插拔力值为8N20N时,可以保证其接触可靠性,而仿真拟合的电连接器的插入力为10.118N,拔出力为9.581N,符合插拔力标准。将插拔力试验作为仿真的对比实验,实验发现,插拔力试验的插入力均值为11.59N,拔出力均值为9.06N,与仿真插拔力结果基本一致。对接触体模型进行了参数化仿真,研究了接触体中M型插座的缩口间距和插槽宽度尺寸对接触特性的影响。研究发现,减小缩口间距或增大插槽宽度均可增大接触压力和插拔力,但是当缩口间距大于0.2mm或插槽宽度小于0.18mm时,电连接器的插拔力值不达标,不能保证电连接器的接触可靠性。3.通过ANSYS Workbench软件建立了热电耦合仿真模块,对电连接器在额定工作条件下载流温升的温度场进行了仿真分析。仿真结果表明,在相同载荷条件下,电连接器载流温升与接触体个数成正比,但温升差值随着接触体个数增加而递减。根据IEC 60512-5-1-2002,若载流温升超过30℃,则极易造成电连接器的接触失效,而仿真结果存在温升值超标现象。为了降低电连接器的载流温升,对绝缘体散热结构进行了优化。对优化后的仿真模型进行了二次仿真,结果表明该优化方案可以降低载流温升值,避免了温升值超标现象,提高了电连接器的接触可靠性。
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