基于ABAQUS软件的插座端子应力分析

陈望， 曾晶晶

（1.番禺得意精密电子工业有限公司，广州 511458；2.清远职业技术学院，广东 清远 511510）

1 引言

USB连接器是我们日常生活中最常用的I/O类连接器之一，通过USB连接器，我们可以很方便地将电脑、打印机、手机、随声听、照相机等等相互连接，而且彼此之间还能相互传递数据。随着电子技术的进步，一方面，人们对USB连接器提出了更高的要求，传递速率也越来越高；另一方面，USB连接器的硬件开发向成本更低、性能更高、使用寿命更长的趋势发展。

由于计算机集成技术和仿真技术的迅猛发展，3C系列产品的CAE仿真越来越受到大家的关注，而有限元方法正是该领域中最为成熟的分析手段之一，在3C领域中发挥着巨大的作用，ABAQUS软件被认为是功能最强大的有限元分析软件之一，可以分析各种复杂的固体力学、结构力学问题，特别是能够驾驭庞大且复杂的高度非线性问题［1］。USB插座端子的结构和性能是保证USB连接器可靠性的重要因素之一，因此USB连接器的插座端子的应力分析一直是人们在设计过程中关注的热点之一，本文以ABAQUS有限元分析软件为平台，对某USB插座端子进行有限元应力分析。

2 USB插座端子有限元分析模型的建立

在建立USB插座端子接触有限元模型时，对其受力状况作出一定的假设和简化，它是在保证所研究对象的基本特征和受力状态尽量真实的前提下进行的。

USB插座端子有限元模型的假设和简化包括：（1）为减少不必要的分析运算，不考虑对USB插座端子应力分析结果影响很小的插头插入过程。（2）将与插座端子接触的塑胶假想为刚性体，插头接触端子假想为刚性体。（3）只考虑USB插座端子在插头端子刚性体的作用下，下压行程为USB插头和插座端子分别处于自由状态时二者的干涉值。（4）由于USB插座端子的结构形状大致相同，故只考虑1片端子的应力情况。

2.1 建立ABAQUS有限元模型

本文USB插头和插座的实体模型是在三维建模软件SolidWorks中建立的，同时利用软件的装配功能将二者装配在一起，其装配图如图1所示，左边接头为插头，右边接头为插座。而后将其装配图导入ABAQUS软件，利用ABAQUS软件的模型功能，删除一些对分析无用的部分，甚至有时候还需自己创建一些边和面，同时修复几何模型中可能存在的如小尖角、自由边等几何缺陷。如此采用SolidWorks和ABAQUS相结合的建模方法，得到与实际产品状况较为接近的分析模型。

图1 USB插头和插座的装配图

2.2 定义材料

USB插座端子采用黄铜（铜锌合金），弹性模量E=1.1×105MPa，泊松比 μ=0.33。

2.3 网格划分

ABAQUS提供了大量不同种类的单元类型以满足各种分析类型的需要，本文USB插座端子采用C3D8R单元类型，即实体三维八节点六面体线性缩减积分单元类型。使用C3D8R单元类型可以得到较为精确的求解结果，且当网格存在扭曲变形时有限元分析的精度不会受到较大的影响［2］。插头端子刚性体部件采用R3D4单元类型，即三维四边形刚性单元类型，用来模拟三维刚性体的二维表面。

网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，网格的大小和数量的多少将影响计算结果的精度和计算时间，在确定网格数量时应综合考虑。如图2中某USB插座端子的网格所示，端子模型共有2种结构方案，一种为有凸包的结构，一种为无凸包的结构，网格划分时，需要对凸包和应力集中区域的网格适当进行细化。

图2 USB插座端子的网格

2.4 接触关系的处理

接触是一种极度不连续的约束状态，属于高度非线性力学问题，接触过程常常会涉及到3种非线性，即材料非线性、几何非线性和接触面非线性［3］。而本文研究的USB插座端子的接触分析属于大变形问题，涉及包含3种非线性关系，其接触状况尤为复杂。

ABAQUS/Standard在分析接触问题上采用的是主-从接触算法，用Newton-Raphson方法求解非线性方程组［1］，因此能够很好地模拟大变形问题。在ABAQUS/Standard中，需将几何非线性开关Nlgeom设为ON，同时在滑移公式中选择有限滑移模式，它允许接触面之间发生较大的相对位移和转动。

2.5 边界条件和载荷

进入Load模块，在主菜单中选择BC-Create命令，对模型施加边界条件，对USB插座端子与塑胶干涉的区域施加全部约束，同时对USB插头端子刚性体施加位移载荷。

图3 USB插座端子的Mise应力分布云图（单位：MPa）

3 有限元分析结果

3.1 最大应力分析结果

图3是USB插座端子的Mise应力分布云图，应力值的大小分别用不同灰度代表，灰度值大代表应力值大。从图3中可以直观地看出，有凸包结构的端子Mise应力的最大值为 516.6MPa，接近材料的屈服强度；无凸包结构的端子Mise应力的最大值为299.1MPa，还不到有凸包结构的3/5，远低于材料的屈服强度。

3.2 USB插座端子接触区域所受应力的大小

USB插座端子接触区域所受应力的大小见图4，从曲线可以看出，USB插座端子正常工作时所受的正向力大小应为其接触区域所受应力的最大值，故有凸包结构的端子正向力为0.4281N，无凸包结构的端子正向力为0.3973N，其中有凸包结构的端子正向力增幅为无凸包结构的8%左右。

图4 USB插座端子接触区域所受应力曲线

3.3 有限元分析结果与试验结果的比较

取无凸包的USB插座样品在自动插拔力测试机上测试，将其端子所受应力结果与有限元分析结果进行对比，对比结果见表1。由表1可以看出有限元分析结果与试验结果比较相近。

表1 有限元分析结果与试验结果比较

4 结论

（1）本文利用ABAQUS软件建立USB插座端子的简化模型进行接触分析，有限元分析所得到的结果与实测结果相近，说明了有限元模型的简化和边界条件的设定是合理的，为后续类似产品的有限元分析提供了依据。

（2）从分析结果来看，有凸包结构的端子Mise应力的最大值接近材料的屈服强度，可优化的空间不大；反之，无凸包结构的端子Mise应力的最大值还不到有凸包结构的3/5，远低于材料的屈服强度，端子还有进一步优化的空间，可以进一步减少端子的体积，从而节约金属材料和降低成本。

（3）从分析结果来看，有凸包结构的端子正向力增幅为无凸包结构的8%左右，当对正向力大小有特别要求时，可以采用有凸包结构。

（4）从分析结果来看，无凸包结构的端子正向力试验结果比有限元分析的结果要大。初步分析是由于有限元分析中材料的设定值通常是偏下限的，而实际材料的属性通常要大于此设定值。

（5）由上可知，基于现代设计理论，对USB端子进行有限元分析，对指导和完善USB连接器的设计具有重要的理论和实际意义。

［1］ 庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例［M］.北京：科学出版社，2005.

［2］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］ 宫龙颖.ABAQUS 接触问题浅析［J］.煤炭科技，2009，35（7）：66-68.