公母连接器摇杆轨迹设计和强度仿真优化案例

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：公母连接器之间的连接部分零部件摇杆，在使用过程中发生了断裂，需要根据实际的产品结构和使用方式，做合适可行的强度加固优化。众所周知，大尺寸的公母连接器，由于尺寸大和核心部件的插拔力大，如插拔力超过了200N就会导致插拔困难，此时不能采用常规的手工插拔方式，需要借助摇杆这种零部件辅助对配。借助摇杆的结构设计，将插拔力转化为摇动摇杆旋转的转矩。旋转的角度从60度到90度之间不等，根据实际产品结构来设计相应的摇杆行程和角度。

图1. 典型摇杆操作运动过程

在连接器本身的插拔力变大时，摇杆在摇合、摇开过程中承受到的力也会对应的变大。当摇杆本身的结构设计不合格时，容易产生变形过大、破损甚至断裂的失效。

摇杆的其他部分的结构在遭受到粗暴操作时，也有产生断裂破坏风险，如图2所示的卡扣断裂。其部位需要有足够的强度才能适应实际的使用环境。

图2. 摇杆受力强度不足导致损坏情况

一、摇杆的轨迹受力分析

首先我们需要分析摇杆本身的使用轨迹，找出各个关键节点的受力区域。如图3所示，我们根据受力均衡的概念分析出的摇杆受力情况。

图3. 摇杆受力情况图示

注意：插拔力的方向永远跟轨迹中心点与固定圆心点连线一致。

我们来看看此类连接未设置摇杆时，自身的插拔力曲线。可知插拔力是逐渐增大的，最大的插拔力发生在插入到位的前端位置处。如图4的插拔力曲线图所示。故连接器插拔过程中，摇杆承受最大力量的部位，可能是入口处（见图5红色圆圈处），也可能是出口处（图5绿色圆圈处），还可能是凸点区域（图5蓝色圆圈处），此三区域是我们的重点评估对象。

图4. 连接器的插拔曲线图

我们先来根据摇杆的轨迹受力分析方法来计算此摇杆在操作过程中的受力情况。

由于此摇杆属于较大尺寸连接器的零部件，根据此连接器的插拔力测试，可知此连接器的插拔力最大值为300N左右，我们采用较高的插拔力即800N，评估摇杆的受力。

根据插拔力曲线图中（图4）中显示的最大插拔力发生在插入末期、拔出初期阶段，入口处的插拔力大概是最大插拔力的三分之一，可知在插拔力最大为800N的情况下，插拔行程行进到入口处和拔出末端时的受力大概是267N，为提高安全系数，我们采用插拔力的二分之一即400N去评估。

图5 破损摇杆的受力情况图示

此破损摇杆的受力分析结果如下：

计算轨迹初始入口处（见图5的红色圆圈区域）的受力。在其时插入力为400N时，才到达228N，其时摇杆部分承受力33*2=56N；

在摇杆的滑行轨迹的凸点区域（见图5的蓝色圆圈区域），其时插入力为800N时，凸点区域受力到412N，其时摇杆部分承受力15*2=30N；

在摇杆拔出过程的滑行轨迹的末端（见图5的绿色圆圈区域），假设拔出最末端的拔出力为400N时，末端区域受力为283N，其时摇杆部分承受力为60*2=120N。

二、摇杆强度的CAE分析

由于摇杆本身结构较复杂，需要采用CAE仿真来评估具体的受力情况下的应力和变形情况。如图2摇杆右图所示的断裂失效情况，很明显就是强度不足，其中或许还有粗暴操作造成的损坏。

我们采用轨迹受力分析的结果，对摇杆进行对应的静力学受力分析，来求出对应的应力和变形结果。

需要注意的是，摇杆的固定区域是固定圆心处（见图5紫色圆圈处），实际操作中摇杆的行程是绕着固定的圆心区域旋转。

根据摇杆理论计算出的承受力，我们采用入口处承受力为228N法向力，凸点区域承受力为412N法向力，拔出最末端承受力为283N法向力，去进行摇杆的强度评估。圆心固定区域（图5中的紫色圆圈处）采用局部柱坐标位置限制：X、Z方向固定，旋转Y方向自由；入口处、凸点处、拔出末端的局部面处直接施加对应的法向力。

图6 破损摇杆承受最大插拔力800N下的应力分布图

由计算结果可知：

1)原设计入口处在受228N的法向力下的最大应力达到190.4MPA，接近断裂应力200MPA；
2)凸点处承受412N法向力下的最大应力达到204.6MPA，超过断裂应力200 MPA；
3)出末端区在承受283N法向力下，摇杆的最大应力达到164.1MPA，未到断裂应力。

根据此仿真结果，可知入口处、凸点区域都需要进行结构强度优化。为了安全系数考虑，拔出末端区域也可做对应的强化处理。

我们进行增加对应加强筋及结构优化方式，优化点如下（见图7）：

1) 将入口区的厚度增加了0.5mm;
2) 在入口区域增加了结构；
3) 新增了四个加强筋，并将原本的一个加强筋加厚了1mm。

图7 破损摇杆的原设计 & 优化设计

对摇杆的优化设计进行对应的受力仿真，可知：

1)优化设计在入口处在受228N的法向力时，最大应力达到150MPA，远低于断裂应力200MPA，且比原始设计的190.4MPA降低了21%的应力值；
2)优化设计在凸点处承受412N法向力时，最大应力达133.3MPA，远低于断裂应力200 MPA，且比原始设计的204.6MPA降低了44.6%；
3)优化设计在拔出末端区承受283N法向力下，摇杆的最大应力达到128.1MPA，未到断裂应力，且比原始设计的164.1MPA降低了近22%。

图8 优化摇杆承受800N插拔力下的应力分布图

从摇杆的优化设计的应力结果来看，优化设计显著提高了摇杆本身的强度，改善了在插拔使用过程中因强度不足造成的损坏现象。优化后的设计可以满足最大插拔力为800N的摇杆强度需求，不会发生断裂状况。

三、摇杆分析和优化的总结

在承受插拔力转化的法向方向力时，摇杆自身结构能否承受此力，以及结构需要做出多少的强度加固，我们都可以采用CAE软件进行对应的分析，来确认摇杆自身结构强度设计是否合格。同时也可利用此手段，来进行对应的优化。

摇杆的分析优化流程通常如下：

1) 确认无摇杆情况下的插拔力大小和行程曲线；

2) 理论计算摇杆轨迹各阶段的受力大小；

3) CAE分析摇杆各阶段受力的应力结果；

4) 根据分析的应力结果进行对应的结构改进。

根据我们分析出的摇杆轨迹受力与插拔力之间的关系，我们还可以采用优化摇杆轨迹的方式，优化后的摇杆轨迹凸点区域受力方向，可以跟插拔力方向有更合适的夹角，以便减少此区域的受力大小。

较好的摇杆设计，轨迹线与固定圆心的连线，会与轨迹法向方向力方向夹角较小（建议小于45度），进而可获取较小的轨迹结构受力，和较小的摇杆施加力。如果插拔阶段的初始插拔力较小，可考虑入出处的夹角稍大一些。

四、工业品结构/电流/热多场耦合仿真

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作者简介：杨晓木仿真秀专栏作者

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首次发布时间：2022-04-16