某型電子設(shè)備連接鉚釘斷裂分析

肖　濱，常選倉，關(guān)　迪，劉　杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，　四川 成都 610036)

引　言

當(dāng)前，電子設(shè)備正朝向微系統(tǒng)化、一體化方向發(fā)展，但設(shè)備的環(huán)境條件卻變得越來越苛刻，這直接導(dǎo)致相關(guān)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度裕度不斷降低，結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)越來越大。對(duì)機(jī)載設(shè)備而言，飛機(jī)在起降、飛行、機(jī)動(dòng)過程中會(huì)遇到大量的隨機(jī)振動(dòng)和沖擊載荷，如何在滿足結(jié)構(gòu)功能性要求的前提下保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全，就成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亟需解決的課題。文獻(xiàn)[1]利用有限元軟件對(duì)某電子設(shè)備進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，分析了連接鉚釘在沖擊載荷下斷裂的具體原因并提出了改進(jìn)建議；文獻(xiàn)[2-3]分別研究了鋁板在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的疲勞特性和金屬材料的低周疲勞損傷演化模型；文獻(xiàn)[4-6]分別對(duì)具體結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)或仿真分析，為利用有限元計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真提供了思路和方法。但上述工作都是在載荷條件已知的前提下進(jìn)行的，一些實(shí)際使用中發(fā)生的結(jié)構(gòu)破壞的載荷條件往往不明確或難以確定，此時(shí)上文中的方法就不再適用，只能尋求其他手段來對(duì)結(jié)構(gòu)的失效原因進(jìn)行判斷、驗(yàn)證。

某電子設(shè)備在裝機(jī)飛行一段時(shí)間后出現(xiàn)了大范圍的鉚釘斷裂現(xiàn)象，在無法獲得外部載荷的情況下，本文通過斷面特征反推了載荷條件，并對(duì)鉚釘失效過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，重點(diǎn)從靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等方面對(duì)比說明了鉚釘斷裂的原因。

1　問題描述

圖1為某型機(jī)載電子設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)物及安裝示意。圖1(a)圓盤中部是不銹鋼自制螺母，通過4個(gè)自制鉚釘鉚接在圓盤上。使用時(shí)先將2個(gè)圖1(a)所示圓盤分別通過螺釘安裝在設(shè)備的上下內(nèi)表面，然后用一個(gè)長度為80 mm的不銹鋼自制螺桿從設(shè)備上表面自上而下穿過第一個(gè)自制螺母，再從第二個(gè)自制螺母的反向旋入，通過該自制螺桿對(duì)設(shè)備上下表面起到固定支撐作用。

圖1　某設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)實(shí)物及安裝示意

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)安裝比較困難，并且連接自制螺母和圓盤的4個(gè)鉚釘出現(xiàn)了大量破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)破壞后的照片如圖2所示。

圖2　破壞后的圓盤與自制螺母

分析后認(rèn)為，該設(shè)計(jì)至少存在兩個(gè)問題：1)上、下圓盤的自制螺母孔中心很難對(duì)準(zhǔn)，這導(dǎo)致自制螺桿在反向旋入下表面的自制螺母時(shí)偏心，這一點(diǎn)從圖2(a)中心處螺紋孔的磨損情況也可得到證實(shí)，偏心會(huì)讓鉚釘在安裝后承受較大的剪力作用。2)無法保證上、下圓盤上自制螺母的距離恰好就是其螺距的整數(shù)倍，這會(huì)導(dǎo)致安裝完成后上、下圓盤不可避免地承受沿其表面法線方向的拉載荷，載荷傳遞到鉚釘上就表現(xiàn)為沿鉚釘軸向?qū)︺T釘?shù)睦ψ饔?。由此可知，鉚釘在整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)安裝完成后需承受軸向的拉應(yīng)力和橫截面內(nèi)剪切應(yīng)力的雙重作用，本文將基于此進(jìn)行仿真分析，給出導(dǎo)致鉚釘斷裂的真正原因。

2　仿真分析

2.1　有限元建模及邊界條件設(shè)置

在保證外形尺寸、對(duì)外接口、連接關(guān)系與真實(shí)結(jié)構(gòu)相同的前提下，考慮支撐結(jié)構(gòu)的上下對(duì)稱關(guān)系，只對(duì)上表面的圓盤、自制螺母、鉚釘及連接上下表面的螺桿進(jìn)行建模，由Catia V5完成包含所有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的全尺寸三維建模，由Abaqus和Fesafe軟件完成仿真計(jì)算。采用適應(yīng)性較好的六面體單元C3D8R對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格總量為73 937個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為92 147個(gè)。完整的有限元模型如圖3所示。

圖3　有限元計(jì)算模型

根據(jù)該支撐結(jié)構(gòu)對(duì)外的真實(shí)連接形式，在圓盤的4個(gè)對(duì)外安裝孔孔邊固支以模擬外部結(jié)構(gòu)對(duì)圓盤的位移約束，同時(shí)采用“面-面接觸”來定義螺桿與螺母之間、螺母與圓盤之間、鉚釘與螺母和圓盤之間的接觸關(guān)系，在螺桿的下端面施加位移條件以模擬實(shí)際安裝中的偏心和拉/壓載荷作用。螺桿和自制螺母材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，鉚釘材料為L4，圓盤材料為鋁合金LY12。

2.2　有限元計(jì)算

由于缺乏明確的位移/載荷輸入，在此需先對(duì)圓盤所處的安裝環(huán)境做必要分析，以確定仿真計(jì)算所需的位移/載荷條件。通過觀察圖2(a)中螺紋孔磨損區(qū)域中心與孔中心線的距離，確定螺桿中心線與螺紋孔中心線偏移量最大約為0.9 mm；通過分別測(cè)量上、下圓盤在自然狀態(tài)下和螺桿擰緊狀態(tài)下的間距，確定螺桿擰緊后上、下圓盤間距縮減量為0.7 mm。以此作為圖3模型中螺桿端面的位移條件進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果示意如圖4～圖6所示。

圖4　支撐結(jié)構(gòu)整體變形

圖5　支撐結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力分布

圖6　連接鉚釘?shù)腗ises等效應(yīng)力分布

各零件的最大計(jì)算Mises等效應(yīng)力Smax見表1。其中：σy為材料屈服強(qiáng)度；σb為強(qiáng)度極限。

表1　各零件的最大計(jì)算Mises等效應(yīng)力

由表1中計(jì)算結(jié)果可知，螺桿與螺母的最大Mises等效應(yīng)力均低于其屈服強(qiáng)度，并有較大的安全裕量；圓盤和鉚釘局部的最大Mises等效應(yīng)力均已超過其屈服強(qiáng)度，但并未達(dá)到強(qiáng)度極限；說明整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)在安裝完成后局部已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，但并未發(fā)生破壞，因此可以排除結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度破壞的可能。

考慮到該設(shè)備的安裝環(huán)境是機(jī)載平臺(tái)，在使用中不可避免地會(huì)受到來自載機(jī)的振動(dòng)載荷作用，因此不能排除裝配應(yīng)力和來自載機(jī)的振動(dòng)載荷共同作用導(dǎo)致鉚釘疲勞破壞的可能。同時(shí)根據(jù)圖2(a)中螺紋孔的磨損情況及載荷與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，該設(shè)備在實(shí)際使用中螺桿中心線與螺紋孔中心線的偏移量最大不會(huì)超過0.9 mm，因此其所承受的最大應(yīng)力幅值也不會(huì)超過Smax。按最嚴(yán)重情況計(jì)算，假定Smax就是設(shè)備各零件在實(shí)際使用中承受的最大應(yīng)力幅值，將上述有限元計(jì)算的結(jié)果文件導(dǎo)入Fesafe軟件，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，以對(duì)該設(shè)備鉚釘斷裂的原因做出進(jìn)一步分析，計(jì)算結(jié)果示意如圖7～圖8所示。

圖7　結(jié)構(gòu)整體對(duì)數(shù)疲勞壽命

圖8　鉚釘完全斷裂對(duì)應(yīng)的疲勞壽命(5 489次循環(huán))

對(duì)比圖7、圖8和圖2(b)可以看出，疲勞計(jì)算得到的鉚釘疲勞斷裂過程及最終斷裂位置和真實(shí)情況高度一致，鉚釘都是在圓盤與自制螺母接觸面處斷裂，說明仿真計(jì)算較好地還原了鉚釘斷裂過程。此外根據(jù)表1結(jié)果可知，裝配應(yīng)力單獨(dú)作用不可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，因此結(jié)合斷面和上述分析結(jié)果可知，鉚釘斷裂的主要原因就是較大裝配應(yīng)力和來自載機(jī)的振動(dòng)載荷共同作用下的疲勞破壞。從上述計(jì)算結(jié)果也可很直觀地看出，連接圓盤與螺母的鉚釘是整個(gè)結(jié)構(gòu)失效的危險(xiǎn)細(xì)節(jié)，在當(dāng)前載荷下其疲勞裂紋出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命僅為2 228次循環(huán)，至完全斷裂的疲勞壽命也僅為5 489次循環(huán)。假定整個(gè)結(jié)構(gòu)工作時(shí)所承受的載荷頻率為1 Hz，這意味著鉚釘在承載37 min后即開始產(chǎn)生疲勞裂紋，在大約1.5 h后就會(huì)完全疲勞失效。

3　結(jié)束語

在缺乏明確載荷輸入的前提下，本文利用斷面特征定量反推了結(jié)構(gòu)上、下表面的相對(duì)位移量，并據(jù)此對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了該設(shè)備連接鉚釘?shù)臄嗔盐恢?，還原了鉚釘疲勞斷裂過程并給出了鉚釘?shù)钠趬勖?，?jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

一般來說，裝配應(yīng)力不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成太大影響，但文中情況是一次典型的過大裝配應(yīng)力與來自載機(jī)的振動(dòng)載荷疊加引起的結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。在裝配精度無法通過加工保證的類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)增加柔性部件，同時(shí)提高不同金屬部件之間的剛度匹配度，可適當(dāng)補(bǔ)償裝配應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成的不良影響。

結(jié)構(gòu)的安全壽命往往取決于其結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)細(xì)節(jié)的疲勞壽命，但在最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)得到優(yōu)化或加強(qiáng)后，之前的次危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)會(huì)上升為最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)(比如文中結(jié)構(gòu)中的圓盤安裝孔邊，對(duì)應(yīng)疲勞壽命為14 859次循環(huán))，成為影響結(jié)構(gòu)安全的最關(guān)鍵因素，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化時(shí)需引起重視。

參考文獻(xiàn)

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