橫向載荷下止動盤螺栓松動有限元分析與改進(jìn)

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖市，241000） 李松如 張 平

水平尾翼是飛機(jī)重要大部件，它和機(jī)體通過大軸、止動盤等結(jié)構(gòu)安裝，固定方式為螺栓連接。螺栓連接具備結(jié)構(gòu)簡單、拆卸便捷等優(yōu)點(diǎn)，是最基本的連接方式。但水平尾翼工作時(shí)，止動盤螺栓長期受到交變橫向載荷，易出現(xiàn)松動失效。鑒于水平尾翼的特殊性，止動盤螺栓一旦出現(xiàn)松動，輕則影響飛機(jī)水平尾翼工作，重則影響任務(wù)執(zhí)行和飛機(jī)安全。文獻(xiàn)[1]研究指出，螺栓連接松動就是螺栓預(yù)緊力的衰減。本文以止動盤螺栓為研究對象，在ABAQUS 中進(jìn)行有限元仿真，探討在橫向載荷作用下，初始預(yù)緊力、摩擦系數(shù)、載荷幅值、載荷頻率對螺栓松動的影響，并提出止動盤螺栓松動的修理要求。

1 有限元仿真建模

1.1 螺栓連接有限元模型

止動盤螺栓連接梁和止動盤，本文根據(jù)其特點(diǎn)建立了簡化模型：上部為模擬止動盤，下部為模擬梁，用兩組Φ14mm螺栓、墊片、螺母連接。止動盤、螺栓、螺母密度為7 850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3；梁密度為4 500kg/m3，彈性模量為110GPa，泊松比為0.34；墊片密度為2780kg/m3，彈性模量為69GPa，泊松比為0.32。模型網(wǎng)格選用C3D8R 單元，劃分網(wǎng)格后單元總數(shù)約49.2 萬，節(jié)總點(diǎn)數(shù)約54萬。

1.2 螺栓預(yù)緊力加載及邊界條件

Gong等[2]指出預(yù)緊力單元是一種兼顧計(jì)算精度與成本的預(yù)緊力加載方式，據(jù)此本文采用ABAQUS中螺栓載荷作為預(yù)緊力加載方法。仿真時(shí)梁左端、右端固定，螺栓頭部限制Y和Z方向位移，對止動盤左端施加橫向位移載荷，載荷公式A=A0Sin(2πft)，其中：A0為載荷幅值；f為載荷頻率。

2 螺栓松動有限元仿真

2.1 橫向載荷作用下螺栓預(yù)緊力變化

初始預(yù)緊力取值20kN，摩擦系數(shù)0.15，載荷幅值0.2mm，載荷頻率1HZ，橫向載荷循環(huán)30 次。發(fā)現(xiàn)在橫向載荷作用下，螺栓預(yù)緊力在同一周期內(nèi)交替上升與下降，整體呈逐漸下降趨勢。同時(shí)，螺栓預(yù)緊力在載荷循環(huán)前期下降速率快，后期下降速率降低。

2.2 初始預(yù)緊力對松動影響

螺栓初始預(yù)緊力分別為15kN、20kN、30kN，摩擦系數(shù)0.15、載荷幅值0.2mm、載荷頻率1HZ保持不變，循環(huán)10 次后螺栓預(yù)緊力對比見圖1，初始預(yù)緊力越小，橫向載荷作用后螺栓剩余預(yù)緊力百分比越小。如經(jīng)過10 次循環(huán)后，初始預(yù)緊力15kN 的螺栓剩余69%，而初始預(yù)緊力30kN 的螺栓剩余84%，兩者相差15%。據(jù)此，加大螺栓初始預(yù)緊力可以減緩螺栓松動失效。

圖1 初始預(yù)緊力對松動影響

2.3 摩擦系數(shù)對松動影響

摩擦系數(shù)m分別取值0.1、0.15、0.2，初始預(yù)緊力20kN、載荷幅值0.1mm、載荷頻率1HZ保持不變，循環(huán)10次后螺栓預(yù)緊力對比見圖2，隨著摩擦系數(shù)的增大，螺栓預(yù)緊力下降的趨勢變緩。經(jīng)10 次循環(huán)后，m=0.1 時(shí)預(yù)緊力剩余17.48kN，m=0.15 時(shí)預(yù)緊力剩余17.65kN，m=0.2時(shí)預(yù)緊力剩余18.1kN，因此，增大摩擦系數(shù)對螺栓防松有益。

圖2 摩擦系數(shù)對松動影響

2.4 載荷幅值對松動影響

橫向載荷幅值A(chǔ)0分別為0.1mm、0.2mm、0.3 mm，初始預(yù)緊力20kN、摩擦系數(shù)0.15、載荷頻率1HZ保持不變，循環(huán)10次后螺栓預(yù)緊力對比見圖3。隨著載荷幅值的增加，螺栓預(yù)緊力下降速率增加，橫向載荷幅值越大，螺栓連接松動失效越易發(fā)生。

圖3 載荷幅值對松動影響

2.5 載荷頻率對松動影響

橫向載荷頻率f分別設(shè)為1HZ、2HZ、4HZ，初始預(yù)緊力20kN、摩擦系數(shù)0.15、載荷幅值0.2mm 保持不變，循環(huán)10次后對比發(fā)現(xiàn)：螺栓預(yù)緊力差異不大，橫向載荷頻率對螺栓連接松動無明顯影響。

2.6 止動盤螺栓松動修理改進(jìn)

仿真表明提高摩擦系數(shù)可有效降低螺栓松動失效，在止動盤螺栓修理時(shí)可安裝彈簧墊圈提高支承面摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)摩擦防松[3]。仿真表明提高預(yù)緊力可以在減緩螺栓連接松動失效，文獻(xiàn)[4]研究指出螺栓預(yù)緊力應(yīng)控制在螺栓材料屈服極限的50%~70%，螺栓預(yù)緊力F和擰緊力矩T計(jì)算公式如下[5]：

式中：F 為預(yù)緊力，N；σs為螺栓材料的屈服極限，MPa；As為螺栓公稱應(yīng)力截面積，mm2。T為擰緊力矩，N·mm；K 為擰緊力矩系數(shù)，無量綱；d 為螺紋公稱直徑，mm。

σs取值300MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[6]As取值為115mm2，代入（1）式可知預(yù)緊力F最大值為24 150N。d取值14mm，根據(jù)文獻(xiàn)[5]本文K取值0.2，代入（2）式可得擰緊力矩T 最大值為67 620N·mm。止動盤螺栓按67620N·mm擰緊力矩安裝；使用中定期進(jìn)行檢查并補(bǔ)充擰緊，恢復(fù)螺栓初始預(yù)緊力，可有效防止螺栓松動失效。

3 結(jié)語

綜上所述，本文借助有限元仿真研究了初始預(yù)緊力、摩擦系數(shù)、載荷幅值、載荷頻率對螺栓松動的影響，結(jié)果表明降低載荷幅值，提高摩擦系數(shù)，增大初始預(yù)緊力可減緩螺栓松動失效。止動盤螺栓在修理時(shí)，選擇安裝彈簧墊圈提高支承面摩擦系數(shù)，按最大擰緊力矩67 620N·mm 施加初始預(yù)緊力，并定期檢查補(bǔ)充擰緊可有效降低螺栓松動失效故障。