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摘 要
弹簧触指结构是以斜圈弹簧为核心部件的一种新型电连接器，广泛应用于各高、中、
低压电气连接设备。其中，插拔力与接触电阻分别是指导弹簧触指结构电连接器设计的重
要机械参数与电气参数，直接影响连接器的使用寿命与电气性能。本文以弹簧触指结构为
研究对象，分析其插拔力与接触电阻变化特性，主要有以下研究内容：
（1） 弹簧触指结构插入过程中接触特性的仿真计算。应用有限元软件建立了触指结
构插入过程的有限元模型，得到实际应用中难以发现的触指的变形特性以及试验中难以测
V
量的触指与触头座 型槽间接触特性，分析了不同压缩量下触指与配合件接触压力、插
V
入力及应力变化情况，还得到了动触头导向端、触头座 型槽底角角度与弹簧几何参数
对其机械接触特性的影响。
（2） 建立适用于弹簧触指结构的分形接触电阻模型。基于电接触理论与分形理论，
建立了考虑粗糙表面微凸体弹性与塑性变形的分形接触电阻模型，用于触指结构接触电阻
的计算，并基于开尔文四线接法使用回路电阻测试仪测量不同压缩量下触指结构的微小接
触电阻，验证理论模型计算的准确性。
（3） 弹簧触指结构的电热耦合场仿真分析。针对目前触指结构电热场仿真分析中模
型改动大、电接触对难建立的问题，建立了一种新的触指有限元模型，不仅得到了接触电
阻的有限元解，还得到了在正常负载与短路冲击下触指结构的稳态与瞬态热分布云图、电
流密度等电学特征分布，同时分析了多条并联触指结构在直流电下不同位置触指的发热功
率变化，最后借助COMSOL Multiphysics 软件中App 开发器，为触指结构创建了定制化
电热分析界面。
关键词：弹簧触指结构；插入力；接触压力；分形理论；接触电阻；电热耦合
本研究得到国家自然科学基金项目 （编号）的资助。
I
目录
目 录
1 绪论1
1.1 研究背景与意义1
1.2 国内外研究进展3
1.3 本文主要研究内容5
2 弹簧触指结构接触特性的数值计算7
2.1 弹簧触指结构的有限元模型7
2.1.1 弹簧触指结构的建模及简化7
2.1.2 弹簧触指结构有限元模型的前处理9
2.2 仿真结果分析10
2.2.1 Mises 应力与接触应力 10
2.2.2 插入力与接触压力12
2.2.3 V 型槽两侧接触压力的理论解与数值解 15
2.3 弹簧触指结构的参数化分析16
2.4 试验分析17
2.5 本章小结19
3 弹簧触指结构的接触电阻计算方法研究2 1
3.1 电接触理论2 1
3.2 基于经验公式的触指结构接触电阻计算方法22
3.3 基于G-W 模型的触指结构接触电阻计算方法24
3.4 基于微凸体弹性与塑性变形的分形接触电阻模型26
3.4.1 分形理论26
3.4.2 接触点的变形性质27
3.4.3 真实接触面积与接触载荷28
3.4.4 分形接触电阻29
3.4.5 数值分析30
3.4.6 分形参数的计算31
3.5 弹簧触指结构接触电阻的实验测量32
3.5.1 接触电阻试验设备与接线方法32
3.5.2 接触电阻测试结果分析33
3.6 不同接触电阻计算方法比较34
3.7 本章小结35
4 弹簧触指结构的电热耦合
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