Simulation elektrischer und mechanischer Kennwerte von Steckverbinder Kontaktpunkten

Abstract:
Basierend auf Papkowich-Neuber-Potentialen werden numerische Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe sowohl die elastisch-plastische Deformation, die Verteilung der inneren Spannungen, als auch der Engewiderstand sowie die Stromdichteverteilung im Kontaktpunkt realer elektrischer Kontakte simuliert werden kann. Die Verfahren erlauben neben der Analyse gemessener 3D-Oberflächen auch die Simulation virtueller Oberflächentopographien mit vorgegebenen Rauheiten, fraktalen Eigenschaften bzw. Oberflächen-Anisotropien. Aufwendige FEM-Modelle zur Abbildung der Oberflächentopographie werden daher nicht benötigt. Die Kontaktpartner können wahlweise als Ein-, Zwei- oder Dreifachschichtsysteme unterschiedlicher Materialpaarungen modelliert werden. Die mechanische Kontaktbelastung lässt sich sowohl durch Normalkraft als auch durch zusätzliche statische Reibkraft vorgeben. Aufgrund der verwendeten FFT (Fast Fourier Transformation) und Multigrid Algorithmen wurden die erforderlichen Rechenzeiten so weit minimiert, dass mittels gängiger PC Hardware Berechnungen mit Auflösungen von 124*124*64 Raumpunkten innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden können. Die mit dem vorgestellten Verfahren simulierte Abhängigkeit zwischen Normalkraft und Kontaktwiderstand zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentell gemessenen Werten. Sämtliche Verfahren wurden in einer einfach zu bedienenden Software implementiert. Simulationsparameter und Ergebnisse lassen sich mittels einer Datenbank verwalten und dreidimensional visualisieren.