隨著新能源汽車的崛起，電連接、馬達等核心部件的連接器也在迅猛發展，2025年市場規模預計達數百億元，同比增長率超20%；區別于傳統的3C行業連接器，新能源領域的連接器一般都是含銅排或者鋁排的塑膠零部件，塑膠材料以PA6/PA66/ PBT/PPA/PPS為主，一般含30%左右的玻纖材料，由于工作環境比較惡劣，隨著應用經驗的積累，現在此類零部件開發過程的大都要進行冷熱沖擊試驗，從-40°到150°不等，循環次數50+，一般在200次左右，這對產品的設計、材料的選型、塑膠注塑工藝等的開發提出了更高的要求。

因為塑膠材料和銅/鋁的熱膨脹系數差異較大，比如PA6兩者的差異最大能到10倍左右，PPS略好在1.5-3倍，如果基體材料不添加玻璃纖維或者彈性體及增韌劑做改性，冷熱沖擊試驗的過程，塑膠有開裂風險；

如何有效的預測此類產品是否會在冷熱沖擊過程中有開裂風險是目前行業的一大痛點，傳統的開發過程，需要在樣件階段進行冷熱沖擊物理試驗，如果試驗開裂，結構變更、模具變更、材料變更等周期長，成本高，如果在開發前期，通過CAE仿真的對產品結構、注塑工藝、材料選型等進行仿真計算，精確的預測開裂風險，可以有效的降低產品后期的變更風險，節省成本并縮短開發周期。

筆者在新能源電連接器領域深耕10年+，此領域CAE仿真分析的方法和過程經過多次迭代，基于最新的仿真分析方法，分析過程主要考慮的因素有：

a. 不同材料之間的接觸界面,

b. 注塑后塑膠收縮的殘余應力、

c. 注塑后玻纖分布、

d. 注塑后熔接線

e. 塑膠材料精確的材料參數（彈性模量、熱膨脹系數、應力應變曲線等）、

下面針對以上要素，進行了簡單開裂模型的研究，總結如下：

1.分析模型及模流結果信息：

模型參考，銅材板厚5mm，塑膠材料厚度1mm

模流分析結果

模流分析結果PA6-GF30玻纖排布結果

模流分析結果PA6-GF30含玻纖熔接線

模流分析結果PA6-GF30殘余應力

模流分析結果 PP-GF40玻纖殘余應力結果

模流分析結果 PPS-GF30玻纖殘余應力結果

所有材料，熔接線及玻纖排布基本一致，不再重復展示；

冷熱沖擊試驗要求

-40℃到120℃，每個溫度持續30分鐘，中間切換10分鐘；共200個循環

2.常規分析結果

按照常規的結構分析，默認塑膠與嵌入件緊密結合，不考慮塑膠材料的殘余應力，也不考慮玻纖方向導致的模量和熱膨脹系數的變化，分析結果如下：

PA6-GF30材料界面綁定分析結果(不考慮殘余應力和玻纖分布)

從分析結果可以看出，等效總應變較小，無明顯開裂趨勢，整體安全；

3.嵌入件與塑膠材料界面研究；

電連接器零部件在注塑完成后，除非某些特殊情況，初期塑膠與嵌入件為緊密結合，所以冷熱沖擊試驗初期可默認為綁定（粘結），隨著試驗次數的增加，熱膨脹系數差異導致的應力會隨著試驗在個別區域兩者逐步剝離，所以分析過程需要考慮兩者界面變化導致的分析結果的差異,考慮界面剝離后的分析結果如下：

PA6-GF30材料界面分離分析結果(不考慮殘余應力和玻纖分布)

考慮界面剝離后，分析結果有明顯變化，等效總應變最大數值在孔周邊均布，假如開裂則位置塑膠在孔周邊，但是方向不能確定；

4.注塑后殘余應力的影響

在實際的冷熱沖擊試驗中，產品的開裂結果基本一致，所以前兩種的開裂預測是不準確的，要想準確精確預測開裂區域，還需要考慮塑膠成型后的殘余應力的影響，分析結果如下：

PA6-GF30材料界面分離&注塑殘余應力分析結果

從上面的分析結果可以看出，PA6-GF30材料的開裂趨勢為圖中紅色所示，雙孔區域，平行于長邊，且分析結果顯示，有潛在開裂風險。

5.綜合殘余應力、玻纖排布、熔接線結果

對于含玻纖的產品，還需要考慮玻纖方向、熔接線對分析結果的影響；玻纖的分布會導致塑膠材料的模量、熱膨脹系數各向異性；熔接線區域的抗拉應力較小（基體材料的約30%-60%），所以需要綜合考慮：界面分離、殘余應力、玻纖排布、熔接線等多個因素的影響，分析開裂趨勢與風險，結果如下：

PA6-GF30考慮多因素分析結果

PP-GF40考慮多因素分析結果

PPS-GF30考慮多因素分析結果

從上面的分析結果可看出，當綜合考慮了界面剝離、殘余應力、玻纖排布、熔接線后的分析結果與實際開裂結果更接近；

對于含30%玻纖的PA6材料，在考慮多種因素后，累積總應變增加至4%左右，不考慮玻纖總應變約3%，在反復冷熱沖擊下，此模型沿著孔周圍平行于長邊方向（熔接線處）有開裂風險。

對于含40%玻纖的PP材料，在考慮多種因素后，累積總應變增加至15%左右，反復冷熱沖擊下，此模型沿著孔周圍平行于長邊方向開裂風險極高（沿孔周邊熔接線開裂）。

對于含30%玻纖的PPS材料，在考慮多種因素后，累積總應變增加至0.3%左右，反復冷熱沖擊下，此模型總應變較小，開裂風險較??；（熔接線處開裂風險較?。?。

總結：

綜上所述，電連接器領域的冷熱沖擊仿真分析，需要考慮界面接觸、注塑殘余應力、玻纖方向、熔接線的影響，對于有玻纖的材料，需要使用Digimat等軟件進行復合材料擬合，與模流軟件及結構類軟件進行聯合仿真，CAE仿真分析結果可能才會趨于實際試驗結果；

此次分析結果沒有考慮嵌入件在合模、注塑過程的預應力影響，在實際產品注塑過程中，嵌入件合模受壓或者注塑過程因為注塑壓力不均導致嵌入件有預應力存在，也會影響冷熱沖擊試驗的結果；

小結：本文基于一個簡單的開裂測試模型，綜合分析了CAE分析冷熱沖擊試驗過程的影響因素，實際產品的分析過程會更加復雜，還需要進一步的探索與積累；

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