连接器插拔力/预应力模态/振动脱落CAE仿真

本文介绍连接器振动测试相关的CAE分析。包括：端子插拔力，在预应力基础上进行模态分析和动态分析，模拟连接器振动脱落的过程。展示Abaqus软件重启动分析以及显式/隐式算法耦合切换的相关功能。

接插件端子插拔力CAE仿真

插拔力仿真比较简单，不用过多介绍，仿真动画如下：

考虑预应力对模态固有频率的影响

振动分析前，一般需要先做模态分析，了解结构的固有频率。连接器的端子之间是通过接触预压产生的预紧力贴在一起的。对于这样的连接结构，在模态分析中如果直接将端子接触面绑定（tie）在一起，不考虑接触刚度，得到的固有频率一般会偏高，与实际不符。更准确的做法是：先通过一个静态分析步，模拟接触（contact）预压过程；然后再基于前面的初始预应力状态进行模态分析。

分别采用绑定（tie）和接触（contact）进行模态分析。一阶固有频率对比如下：采用绑定方式，结果为164Hz；采用接触方式，结果为104Hz。两者的差异达到60%，区别还是蛮大的。

从振动变形的动画可以看出：采用绑定方式，端子接触的位置完全没有相对运动，像是完全粘牢在一起了，很明显是不符合实际情况的。采用接触方式的结果，更逼真一些。

模拟振动脱落的CAE仿真

下面这张动图展示了连接器的振动试验，图片来源于：https://ecsnz.com/blog/2020-06-18-wago-221-splicing-connector-vibration-test

通过有限元仿真，我们可以分析接插件连接是否牢靠，振动过程中是否会脱开。

第一步：采用Static implicit静态隐式算法，模拟端子插入的过程，得到预应力。
设置重启动，便于后面的分析步调用这一步的结果，inp代码如下：
*Restart, write, frequency=9999

第二步，基于前一步的结果，进行Dynamic动态分析。
调用前一步的结果，inp代码如下：
*IMPORT, UPDATE=YES
列出要调用的单元set集（多个set用逗号隔开）
这一步既可以采用implicit隐式算法，也可以采用explicit显式算法。建议：优先考虑隐式算法，模型太大或者不收敛的情况下，再试试显式算法。

下图是关于*IMPORT（导入）用法的总结。哪些可以导入，哪些不能导入，哪些需要重新定义，都做了说明。

注意：如果在第二步采用explicit显式算法，部分单元类型不适用。具体哪些单元可以通过*IMPORT在 implicit和explicit算法之间通用，帮助文档中说明如下：

本案例施加的简谐振动加速度波形为：幅值30g，频率100Hz。
Abaqus可以采用Periodic周期函数来定义这个波形。关键字手册中，关于周期函数的定义如下。可以根据该定义，写出函数表达式，在Excel中画出函数曲线，或采用Abaqus CAE自带的Amplitude plotter工具绘制曲线。

上图所示的函数曲线，对应的inp代码如下：
*Amplitude, name=Amp-1, definition=PERIODIC
1, 628.318530717959, 0.0, 0.0
1.0, 0.0

第一步计算完成后，用下面的命令运行第二步：
ABAQUS JOB=Job-2(第二步inp文件名) OLDJOB=Job-1(第一步inp文件名) CPUS=8 INT

可以先计算10个周期的振动波，看看接插件会不会脱落。对于100Hz的波形，1个周期的时间是0.01s，10个周期就是0.1s。仿真动画如下：

从这个动图来看，接插件端子并没有脱落。别急，冰冻三尺非一日之寒。光看动图看不出啥问题，咱得看数据才能明察秋毫。检查一下左侧端子的横向位移，看看振动过程中有没有向外挪动。

从这个位移曲线可以看出：振动过程中，端子一直在向外挪动。0.1s的时间，总共移动了0.018mm，向外挪动的平均速度大约是0.18mm/s。
如果端子插入深度是4mm，4/0.18=22s，可以预测：大约经过22s，端子就会脱落。

振动频率是100Hz，如果仿真计算20s的振动过程，需要计算2000个周期，非常耗时。我们拖动一下进度条，直接对端子快要脱出的瞬间进行仿真，效果如下：