铜基针眼结构与PCB板圆孔压装力学行为研究

2014-12-18叶煜松尹飞鸿王晨峰何伟杰

制造业自动化 2014年21期

叶煜松，尹飞鸿,2，王晨峰，何伟杰

（1.常州工学院机电工程学院，常州 213002；2.江苏省数字电化学加工重点实验室，常州 213002；3.常州工学院延陵学院，常州 213002）

0 引言

电子系统是由许多互通互联的连接器构成，通过连接器实现传输电流或信号的作用，并能完成电路预定的功能。因其具有快速插拔、易分离、节省空间、高密度安装、锁定提示、锁定安全可靠、低插拔力、可实现机械化自动操作、外壳易清洁等优点，广泛应用于电子、航空、航天、计算机、船舶、通讯、家电等领域。连接器连接端子的截面几何拓扑形态不仅决定了其接触弹性，还决定了正向接触力和接触面的大小，最终将影响信号或电力传输的稳定性和可靠性。就力学角度看，连接器微小的结构和材料结构的多样性、动态接触时的复杂性、接触形态参数同接触性能的非线性以及拔插连接的可靠性等特征，决定了连接器设计计算的复杂性。因此，对于连接端子的设计目前还停留在依靠经验和试验的研究阶段[1～3]。随着产品设计与更新周期的加快，产品不断高速化及微型化，经验型设计已经不能满足需要。现代CAE设计与优化技术的快速发展，连接器的性能可借助于计算机在设计时加以模拟分析，从而极大地提高了设计效率，减少了设计过程中产生的失误。因此，开展连接器压装力学行为及风险评估研究，找到其诸多设计参数中的主要问题，对提高连接器的连接可靠性、简化问题的复杂性，具有重要的理论价值和应用价值。

1 铜基针眼结构简介

铜基针眼相当于简支梁结构，在插入印刷电路（简称为PCB）板的电镀套孔的过程中，两侧梁结构与电镀套孔内壁接触时，会受力并向内侧变形，在孔内壁与针眼之间形成足够的正向压力，从而保证针眼结构在变形后可以保持可靠的接触。在结构上，铜基针眼结构可以划分成预插区、插入区、过渡区、保持力区、端子强度区，其具体划分如图1所示。预插区主要用于将针眼端子头部导入电镀套孔内。在插入区内针眼形成两个简支梁，针眼端子与PCB板圆孔开始产生干涉。过渡区主要起连接插入区与保持力区的作用。在保持力区，内外针眼可形成力学中两个结构复杂的简支梁，针眼端子和PCB板圆孔产生干涉，针眼端子压入完毕，提供保持力。针眼端子强度区主要提供针眼端子根部强度，防止插入时折断或压弯[4]。

2 铜基针眼结构与PCB板圆孔基座压装工程实例

2.1 工程概况

图1 铜基针眼结构区域划分

根据工程要求，依据《最新连接器选型设计制造新工艺、新技术与质量检验使用调试标准规范实用手册》，设计了某工程需求的电连接器，在该连接器中铜基针眼结构材料取导电性能、耐热性能(2200C)和机械性能均良好的耐腐蚀性的铜-镍-锌合金(Cu65%,Ni12%,Zn23%)，铜基针眼结构如图2所示。铜基针眼结构的连接和支撑载体取PCB板，在PCB板上钻一系列对应于针眼间距的φ0.41 mm的孔，孔内壁沉积一层薄铜，PCB板厚度0.295 mm。要求分析该结构压装时的应力情况及插入和拔出力。

图2 铜基针眼结构

2.2 实体模型创建

有限元分析的基础是三维实体模型的创建，为了简化建模的工作量、减少计算时间，建模时取单个铜基针眼结构与PCB板圆孔局部区域为压装过程的研究对象，将PCB板圆孔基座模型上压装口倒R=0.02的圆角，在大型有限元分析软件ANSYS中，运用命令流的形式创建如图3所示的求解分析实体模型。

图3 铜基针眼结构与PCB板圆孔基座模型

2.3 铜基针眼结构压装有限元分析

2.3.1 有限元模型构建

建模时,假定所有材质均匀且是完全各向同性，其变形是弹塑性的，工件已消除了初始残余应力,模型中的所有结构全部采用ANSYS软件中的8节点3维动态显式结构3DSolid164实体单元模拟。设置铜基针眼结构材料模型为非线性非弹性双线性随动硬化模式，密度取7.0×10-9t/mm3，弹性模量取1.0×105Mpa，泊松比取0.3，屈服强度取200Mpa，剪切模量取60Mpa[5～9]。对于PCB板圆孔基座则设置为线性弹性，密度取7.8×10-9t/mm3，弹性模量取2.0×105Mpa，泊松比取0.3。网格划分时，铜基针眼结构设定网格单元边长为0.05mm，PCB板圆孔基座以扫掠的方式划分网格，圆环面的所有圆弧线分成15份，内外圆柱面的高度方向分成25份，该模型共有单元18493个，节点15886个。网格划分结果如图4所示。

图4 网格划分结果

2.3.2 铜基针眼插拔时的应力分析

分析时，根据非线性接触分析的理论，通过命令流的形式定义铜基针眼插入区、过渡区和保持力区的外壁与PCB板圆孔基座的内圆柱面为接触对，在PCB板圆孔基座的外圆柱面施加全约束。设置插入时间为0.0001s，拔出时间为0.0001s，插入距离为2.5mm，拔出距离为2.5mm,在铜基针眼结构的上平面施加了y方向的位移，PCB板圆孔基座的外圆柱面为全约束[10]。通过对针眼压装过程的动态显式分析后，得到如图5所示的最大应力随时间的变化情况。插入时，随着时间的变化，应力逐步增大，当时间为0.00005s时，产生的应力最大值为621.003Mpa，如图6、7所示，之后有所波动后逐渐减小，当时间为0.0001s时，铜基针眼插入到最大位置，插入过程结束，此时仍存在应力，最大值为201.941Mpa。拔出过程中最大应力逐渐减，当时间为0.000106s时，产生的应力最大值为237.098Mpa，如图8、图9所示，之后残余最大应力基本在200Mpa上下有微小波动，当时间参数为0.0002s时，铜基针眼回到初始位置，此时结构中存在的应力最大值为188Mpa。