基于HB1-808游動(dòng)托板螺母的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉松　李林波

摘? 要：分析直升機(jī)地板安裝過(guò)程中存在的游動(dòng)自鎖托板螺母易脫落失效問(wèn)題產(chǎn)生的附帶影響，為解決此類問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)及受載的角度分析脫落原因，并依此提出一種更可靠的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。利用有限元仿真對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的游動(dòng)托板螺母進(jìn)行受載分析，考察其應(yīng)力分布合理性。

關(guān)鍵詞：游動(dòng)自鎖托板螺母;脫落失效;有限元分析

中圖分類號(hào)：V229+.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0115-05

Abstract： The incidental influence of the easy shedding failure of the floating self-locking bracket nut in the process of helicopter floor installation is analyzed. In order to solve this kind of problem， the cause of shedding is analyzed from the point of view of structure and loading. According to this， a more reliable design scheme for structural improvement is put forward. The loading analysis of the improved floating bracket nut is carried out by finite element simulation， and the rationality of its stress distribution is investigated.

Keywords： floating self-locking bracket nut; shedding failure; finite element analysis

前言

某型直升機(jī)前機(jī)身采用可拆卸式地板結(jié)構(gòu)，安裝有HB1-808游動(dòng)自鎖托板螺母，在裝配過(guò)程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)托板螺母游動(dòng)部分脫落的現(xiàn)象，出現(xiàn)類似故障均需將整個(gè)地板拆卸后更換脫落的托板螺母，由此帶來(lái)的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：

（1）反復(fù)拆裝，會(huì)降低其他未出現(xiàn)故障標(biāo)準(zhǔn)件的使用壽命，在處理故障的過(guò)程中出現(xiàn)二次故障。

（2）故障處理過(guò)程中，鉚接托板螺母的鉚釘需要反復(fù)分解重鉚，導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)上孔超差、質(zhì)量變差，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)零組件造成損傷，并且重鉚后連接強(qiáng)度下降，影響直升機(jī)安全。

（3）反復(fù)拆裝會(huì)影響科研生產(chǎn)進(jìn)度與效率。本文首先對(duì)可拆卸地板結(jié)構(gòu)游動(dòng)托板螺母易脫落的問(wèn)題原因進(jìn)行分析，然后提出基于HB1-808游動(dòng)托板螺母的改進(jìn)設(shè)計(jì)，試圖從根源解決該型游動(dòng)托板螺母脫落失效的問(wèn)題，最后對(duì)改進(jìn)前后該型游動(dòng)托板螺母分析應(yīng)力分布情況，進(jìn)行有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。以此提高此類標(biāo)準(zhǔn)件連接可靠性，保證機(jī)體結(jié)構(gòu)連接安全。

1 脫落原因分析

對(duì)HB1-808游動(dòng)托板螺母脫落失效模式進(jìn)行分析，均為固定部分的限制包邊變形所致，因此可知脫落原因有以下幾點(diǎn)：

（1）HB1-808游動(dòng)托板螺母材料剛度不夠，即彈性模量小，致使在同等載荷下變形較大，產(chǎn)生脫落。

（2）由于可拆卸地板裝配游動(dòng)托板螺母時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件被隱藏，存在視野盲區(qū)，同時(shí)HB1-808游動(dòng)托板螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的不合理性，導(dǎo)致在裝配過(guò)程中游動(dòng)部分與螺栓配合不好，產(chǎn)生較大的裝配無(wú)效應(yīng)力，致使托板螺母固定部分限制包邊屈服變形，失去限制作用，最終導(dǎo)致游動(dòng)部分脫落。

1.1 模型驗(yàn)證

HB1-808游動(dòng)托板螺母所用材料為20號(hào)鋼，材料的屈服強(qiáng)度σs=245MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，其強(qiáng)度、剛度與其他標(biāo)準(zhǔn)件相近，因此材料力學(xué)性能不是某型機(jī)前機(jī)身地板HB1-808游動(dòng)托板螺母脫落失效的主要原因。

在螺栓與游動(dòng)托板螺母裝配過(guò)程中，應(yīng)保證兩者之間為線接觸，以此保證裝配正常。對(duì)托板螺母進(jìn)行建模分析，在極限條件下的局部視圖如圖1所示，由圖可知，HB1-808游動(dòng)托板螺母與螺栓在裝配過(guò)程中存在一定概率會(huì)發(fā)生面面接觸，極限情況下面面接觸部分邊界最大距離為0.8mm，進(jìn)而產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，導(dǎo)致托板螺母固定部分限制包邊屈服變形，失去限制作用，最終導(dǎo)致游動(dòng)部分脫落。

1.2 有限元仿真驗(yàn)證

利用有限元仿真對(duì)脫落原因進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算致使HB1-808游動(dòng)托板螺母游動(dòng)部分脫落的推出力值，分析其合理性，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.2.1 有限元模型建立及材料屬性

模型建立分為三個(gè)部件：螺栓、托板螺母、托板螺母游動(dòng)部分（圖2）。由HB1-808游動(dòng)托板螺母標(biāo)準(zhǔn)文件可知，螺母材料為20號(hào)鋼，螺栓則假設(shè)為彈性模量很大的材料，以此簡(jiǎn)化計(jì)算難度。材料參數(shù)如表1所示。

1.2.2 前處理

前處理包括設(shè)置分析部、定義接觸及接觸屬性、定義約束、施加載荷以及劃分網(wǎng)格，本文采用靜力學(xué)分析方法對(duì)HB1-808游動(dòng)托板螺母進(jìn)行有限元仿真分析。接觸類型設(shè)置為結(jié)點(diǎn)-表面接觸，其中沿接觸面切向方向設(shè)置為有摩擦罰函數(shù)計(jì)算方法，接觸位置為自鎖螺母與支架部分彎邊內(nèi)表面（圖3）。

托板螺母一般鉚接在板結(jié)構(gòu)上使用，模擬實(shí)際情況并做一定簡(jiǎn)化，對(duì)游動(dòng)托板螺母支架部分鉚釘孔周線施加固定約束，約束施加位置如圖4所示。對(duì)自鎖螺母施加位移載荷，模擬加載情況。

由于部件彎邊、倒角產(chǎn)生的不規(guī)則區(qū)域較多，利用拆分命令對(duì)模型進(jìn)行分塊，分塊后，掃掠劃分網(wǎng)格，單元選取8結(jié)點(diǎn)線性六面體實(shí)體單元，單元尺寸設(shè)置為0.2mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5、圖6所示。

1.2.3 仿真結(jié)果分析

由于實(shí)際情況自鎖螺母并非一次受載脫落，在標(biāo)準(zhǔn)件制備產(chǎn)生彎邊過(guò)程中，材料已發(fā)生屈服產(chǎn)生塑性變形，得到了一定的強(qiáng)化，支架部分的彎邊在裝配中反復(fù)受載重新進(jìn)入屈服狀態(tài)發(fā)生塑性形變并逐漸累積，最終時(shí)自鎖螺母游動(dòng)限制擴(kuò)大，導(dǎo)致脫落，因此有限元仿真中只模擬支架部分最大應(yīng)力處到達(dá)屈服極限強(qiáng)度時(shí)的情況，并以此為依據(jù)分析游動(dòng)托板螺母受載情況。如圖7為仿真結(jié)果的Mises應(yīng)力云圖，由圖7、8可知，自鎖螺母在極限游動(dòng)位置時(shí)，支架部分靠近游動(dòng)方向彎邊處最先到達(dá)屈服極限，此時(shí)選取固定約束邊上結(jié)點(diǎn)反力并求和，得到支反力FR=114.5N，即自鎖螺母此時(shí)所受載荷。因此可以證明，當(dāng)螺栓與自鎖螺母之間發(fā)生面面接觸后，施加114.5N的載荷即可使托板螺母彎邊開(kāi)始進(jìn)入屈服極限，在反復(fù)裝配后多余的裝配應(yīng)力會(huì)有導(dǎo)致彎邊變形過(guò)大自鎖螺母脫落的隱患。

基于以上分析，HB1-808游動(dòng)托板螺母結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)由避免面面接觸產(chǎn)生的裝配應(yīng)力入手，從而避免自鎖螺母脫落問(wèn)題的發(fā)生。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案：

對(duì)HB1-808游動(dòng)托板螺母進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其在不改變?cè)醒b配空間要求的前提下，解決裝配過(guò)程中出現(xiàn)的面面接觸問(wèn)題。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）沿用原HB1-808游動(dòng)托板螺母材料：20號(hào)鋼。

（2）托板螺母支架部分主要尺寸不變，減小彎邊角度（圖9）。

（3）托板螺母游動(dòng)部分增大導(dǎo)孔直徑，保持螺紋長(zhǎng)度不變。

（4）改進(jìn)設(shè)計(jì)后的游動(dòng)托板螺母自鎖部分相對(duì)于支架中心在水平方向上游動(dòng)量仍大于1mm（圖10）。

（5）其他相關(guān)尺寸同標(biāo)準(zhǔn)HB1-808-83，其他技術(shù)條件按GB943-88，抗拉性能、鎖緊性能需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（6）表面處理：鍍鎘鈍化。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的游動(dòng)托板螺母結(jié)構(gòu)外形示意圖如圖11所示。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的方案結(jié)構(gòu)緊湊，占用的裝配空間與原設(shè)計(jì)方案相同，工程應(yīng)用中能夠滿足互換性要求。同時(shí)，擴(kuò)大導(dǎo)孔直徑后能夠保證即使螺栓頭與自鎖螺母處于極限位置時(shí)，仍能產(chǎn)生線接觸，從而避免多余裝配應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而解決了自鎖螺母脫落的問(wèn)題（圖12）。

3 有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

擴(kuò)大導(dǎo)孔后自鎖螺母結(jié)構(gòu)組成更加復(fù)雜，受載時(shí)的應(yīng)力情況發(fā)生改變，因此對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的游動(dòng)托板螺母正常裝配情況進(jìn)行有限元仿真分析，模擬結(jié)構(gòu)受載后的應(yīng)力分配情況，分析結(jié)構(gòu)合理性。其中所選材料不變，仍沿用20號(hào)鋼，其相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)1.2.1節(jié)。

3.1 前處理

此處仍采用靜力學(xué)分析方法對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的游動(dòng)托板螺母進(jìn)行有限元仿真分析。接觸類型設(shè)置為表面-表面接觸，其中沿接觸面切向方向設(shè)置為有摩擦罰函數(shù)計(jì)算方法，接觸位置為自鎖螺母與支架部分底部平面內(nèi)表面（圖13）。

對(duì)自鎖螺母頂面施加壓力載荷，模擬加載情況。托板螺母鉚釘孔處的約束同前文設(shè)置不變，不過(guò)該受載情況下，由于并未對(duì)鉚接的固定平板進(jìn)行建模，因此還應(yīng)對(duì)托板螺母支架外表面在受載方向上施加位移約束，約束施加位置如圖14所示。

由于部件彎邊、倒角產(chǎn)生的不規(guī)則區(qū)域較多，利用拆分命令對(duì)模型進(jìn)行分塊，分塊后，對(duì)于能夠掃掠劃分的網(wǎng)格，單元選取8結(jié)點(diǎn)線性六面體實(shí)體單元，其中彎邊中間部分仍不能劃分六面體單元，在該載荷條件下彎邊基本不傳遞應(yīng)力，因此可用四面體單元代替，對(duì)仿真結(jié)果無(wú)影響。單元尺寸設(shè)置為0.2mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖15、圖16所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

分析托板螺母鎖緊時(shí)的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力云圖如圖17、圖18所示。

圖示情況為載荷297N時(shí)自鎖螺母的應(yīng)力云圖，自鎖螺母最大應(yīng)力為σmax=76.86MPa，應(yīng)力相對(duì)集中在底部的窄邊緣處，整體應(yīng)力分布較為合理。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)有的HB1-808游動(dòng)托板螺母在某型機(jī)前機(jī)身地板裝配時(shí)發(fā)生脫落失效問(wèn)題，分析其根本失效原因?yàn)檠b配時(shí)發(fā)生面面接觸，從而產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力致使彎邊變形，進(jìn)而導(dǎo)致自鎖螺母脫落，通過(guò)結(jié)構(gòu)和有限元分析驗(yàn)證。對(duì)托板螺母進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，消除裝配時(shí)產(chǎn)生的多余裝配應(yīng)力，并驗(yàn)證改進(jìn)后結(jié)構(gòu)合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]HB1-808-83.雙耳游動(dòng)托板自鎖螺母[S].國(guó)家國(guó)防工業(yè)局.

[2]李英亮.緊固件概論[M]，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[3]HB7595-2011.使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規(guī)范[S].國(guó)家國(guó)防工業(yè)局，2011.

[4]HB7596-2011.使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母試驗(yàn)方法[S].國(guó)家國(guó)防工業(yè)局，2011.

[5]張健，劉紀(jì)福.雙耳托板游動(dòng)可更換自鎖螺母設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2017（04）：53-57+62.

[6]尹振波，侯崑，劉靜，等.托板自鎖螺母推出力試驗(yàn)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（25）：35-36.