Finite element simulation for the cold-joining of high power connectors

Aristizabal Tolosa, Ekine GND

A method for the Finite-Element (FE) simulation of the Cold-Joining-Process (CJP) of massive copper contacts is developed in this thesis. The standard procedure for the calculation of interference fit connectors is not applicable to the joining process of massive copper components, since the contact area builds up in a context of considerable plastic deformation and high frictional loads. The new FE model not only shortens and optimizes the design cycle for novel High-Power-Connectors (HPCs), but also allows a deeper understanding of the CJP and the connector. The FE model is rolled out to real HPCs. The comparison between calculated and real features of the connector nails down the validity of the simulation. By means of this real example the capability of the new simulation method to set the ground for the design of future CJCs is demonstrated.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Beschreibung von massiven Kupfer-Einpresskontakte entwickelt. Die Berechnung von Pressverbänden nach DIN 7190 ist bei der Auslegung von massiven Kupferkontakten nicht anwendbar da während des Fügevorganges hohe Verformungsgrade und Reibspannungen auftreten. Das neue Modell bietet nicht nur verkürzte und effiziente Auslegungszyklen für neue Hochleistungskontakte (HLK) an, sondern vertieft auch das Grundverständnis des Fügeprozesses und der Kontakteigenschaften. Nach einer kurzen Motivation des Themas und einer Einführung in die kalte Kontaktiertechnik, werden im dritten Kapitel die Grundlagen der experimentellen Arbeiten sowie der Simulationsmethoden erarbeitet. Die Herausforderungen bei der Modellierung von Fügeprozessen liegen in der Materialbeschreibung und Reibungscharakterisierung. Deshalb werden die beiden Themen in zwei eigenständigen Kapiteln vorgestellt, ausgehend vom jeweiligen Stand der Technik bis zur Validation der entwickelten Methoden und Modelle. Das vierte Kapitel beschäftigt sich mit der Materialbeschreibung und beinhaltet zwei neue Methoden zur bauteilnahen Ermittlung der Fließeigenschaften von Kupferwerkstoffen. Das Reibverhalten in einem Einpressvorgang wird im fünften Kapitel untersucht. Hierzu wurde ein neuer Prüfstand zur Ermittlung von Reibkoeffizienten und Beschreibung der auftretenden Verschleißmechanismen aufgebaut. Die Materialbeschreibung und die Reibungscharakterisierung sind eng miteinander verknüpft. Beide Modelle wurden deshalb in ein Finiten-Elementen (FE)-Tool zusammengeführt, um die komplexen Wechselwirkungen beschreiben zu können. Für eine genaue aber mit möglichst wenig Aufwand verbundene FE-Beschreibung von Einpressvorgängen werden Richtlinien erarbeitet und vorgeschlagen. Auf Basis des FE-Modells werden neue Hochstromkontakte entwickelt. Über den Vergleich der simulierten und der realen Eigenschaften wurde das Modell erfolgreich validiert und seine Aussagekraft eindrücklich nachgewiesen.

A method for the Finite-Element (FE) simulation of the Cold-Joining -Process (CJP) of massive copper contacts is developed in this thesis. The standard procedure for the calculation of interference fit connectors is not applicable to the joining process of massive copper components, since the contact area builds up in a context of considerable plastic deformation and high frictional loads. The new FE model not only shortens and optimizes the design cycle for novel High-Power-Connectors (HPCs), but also allows a deeper understanding of the CJP and the connector. After a short introduction into the cold-joining technology and its relevance, the experimental details for the CJP and the general settings of the FE model are presented in the third chapter, as well as an overview of characteristic CJPes. The main challenges of the FE simulation of CJPes arise in the fields of material and friction characterization. Therefore each of the two areas will be developed in a separate chapter, beginning with the state of the art in the field, and ending with the assessment of the impact of the new methodology developed. The fourth chapter addresses the material characterization and includes two novel methods for the determination of flow curves and the characterization of the inhomogeneity at punched edges. The friction behavior during cold-joining is studied in chapter five. A new test bench is developed for the determination of friction coefficients and the study of wear disposition. Both material properties and friction behavior showed to be closely connected and interdependent. To cope with this complex interaction, both models were integrated in a FE tool. Guidelines are developed and proposed for an accurate FE representation of a certain CJP with the minimum modeling complexity. The FE model is rolled out to real HPCs. The comparison between calculated and real features of the connector nails down the validity of the simulation. By means of this real example the capability of the new simulation method to set the ground for the design of future CJCs is demonstrated.

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Aristizabal Tolosa, Ekine: Finite element simulation for the cold-joining of high power connectors. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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