某型機箱冷板緊固件失效分析*

陳光杰,江 雄

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

某型機箱冷板緊固件失效分析*

陳光杰,江 雄

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

針對某機載機箱冷板緊固件的斷裂問題,在HyperMesh中建立有限元模型,利用Ansys進行動力學仿真分析,將試驗中測取的加速度功率譜密度曲線與對應計算值進行比較,驗證有限元模型的合理性。通過計算得到每個螺釘分配的載荷,根據所用螺釘的等級進行剪切強度校核,確定螺釘斷裂是由于螺釘剪切強度不足引起的。根據計算結果提出了更改措施,并通過了試驗的考核。

HyperMesh;Ansys;機箱;螺釘;強度校核

0 引 言

螺紋聯接是機載設備中常用的連接方式,具有結構簡單、聯接可靠、裝配方便、可靠性高等優點。在外載荷(靜載荷或動載荷)作用下,螺紋連接的狀態會發生改變,出現松動、滑移甚至斷裂等現象,影響設備的正常工作,嚴重時會造成人身傷害。

實際螺紋聯接是非常復雜的接觸問題,要詳細了解螺紋結構的應力分布情況,需建立完整的螺釘模型并定義接觸關系[1],需要較大的計算機時,當螺釘數量較多時該方法會導致計算無法執行。另外,在基于模態分析的動力學計算中(如譜分析、諧響應分析及沖擊分析),所有的非線性關系都進行線性處理,該情況下一般都對螺紋連接進行簡化建模,包括梁單元法、桿單元法、彈簧單元法、多點約束法等[2-4]。

筆者針對某機載單機冷板螺釘在隨機振動試驗中斷裂的情況,利用Ansys軟件進行動力學響應分析,獲得螺釘所承擔的載荷值,結合理論公式對其進行強度校核。

1 冷板螺釘斷裂現象

單機模型如圖1所示,由于功耗較大,使用液冷裝置進行降溫。冷板及其上安裝的器件重45.2 kg,冷板使用14個M5的沉頭螺釘進行固定。由于側板孔與冷板孔不匹配,樣機在進行隨機振動試驗時未安裝7號螺釘。

圖1 單機結構示意圖

單機在進行垂直方向(垂直于冷板平面)的功能振動試驗時發現有異響,試驗立即停止,檢查發現左側1～6號螺釘全部斷裂。檢查確認試驗前螺紋進行了點膠并靜置24 h,滿足試驗要求。后續檢查發現螺釘斷裂的一部分殘留在螺紋孔中,斷裂處與連接面齊平,考慮到螺紋進行了點膠加固并且斷裂出現在同一側,排除螺釘松脫的可能性,初步認定是由于螺釘承載力不足導致被剪斷。

2 螺釘強度校核及改進方法

2.1 有限元模型及試驗結果

在HyperMesh中建立單機有限元模型,由于仿真重點在于獲得螺釘傳遞的載荷值,實際建模時忽略了各類倒角及螺紋孔,冷板上的器件使用集中質量替代,螺釘用梁單元進行模擬,利用rbe3單元將螺釘與冷板、側板連接。有限元模型如圖2所示,共153 418個單元。

振動試驗中在冷板上布置了兩個測點獲取加速度響應,加速度傳感器布置示意如圖3。

圖2 有限元模型

圖3 冷板上測點布置示意

對結構進行隨機振動響應分析,獲取對應測點的加速度響應情況,試驗數據與仿真結果分別如圖4、5。試驗時測點1、測點2的加速度有效值分別為17. 3 g及14.6 g,仿真計算時對應測點加速度有效值分別為19.1 g及15.8 g,相對誤差分別為10.4%及8. 2%,有限元模型能較好地反映結構真實狀態。

圖4 試驗時測點加速度功率譜

圖5 仿真時對應測點加速度功率譜

2.2 螺釘載荷

計算完成后在后處理中提取螺釘剪力值,各個螺釘所承擔的剪力如表1。表中同樣給出了7號螺釘正常安裝情況下的螺釘剪力情況。

由于器件布置問題,單機重心偏向左側(1～7號螺釘側),導致左側螺釘所承擔的剪力總和大于右側。當7號螺釘未安裝時,6號螺釘所承擔的剪力值最大,達到1 439 N,而最小剪力出現在單機右側的11號螺釘,為429 N;如果7號螺釘正常安裝,最大剪力減小為為865 N,由2號螺釘承擔,最小剪力值為444 N,變化不大。

表1 隨機振動時各個螺釘所承擔的剪力值

2.3 螺釘強度校核

該型號螺釘強度等級為A2-50,抗拉強度為500 MPa。按照強度理論[5],剪切強度一般為抗拉強度的0.5～0.6倍,此處取剪切強度為250 MPa。M5螺釘的應力截面積為14.2 mm2。不安裝7號螺釘時,最大剪力為1 439 N,對應剪切應力為:

隨機振動分析以概率統計為理論基礎,如果給定的加速度激勵滿足正態分布,對于線性系統,計算輸出的位移、加速度、應力等值也滿足正態分布。軟件默認輸出為1σ值,即不大于該值的概率68.27%,工程上一般要求以3σ值進行計算(即不大于該值的概率為99.73%)。表1給出的剪力值實際上為1σ 值,對應3σ置信度下螺釘最大的剪切應力為303.9 MPa,超過剪切強度值,因此振動中6號螺釘先剪斷,剪力重新分配后導致同側其余螺釘也剪斷。

假定7號螺釘正常安裝,最大剪力為865 N,此時剪切應力為:

對應3σ置信度下剪切應力為182.7 MPa,安全系數過小,僅為1.36,不滿足設計要求。

2.4 改進措施

改用性能等級為A2-70的M6螺釘,并保證14個螺釘全部安裝并點膠。螺釘應力截面積為20.1 mm2,此時1σ置信度下剪切應力為:

對應3σ置信度下最大剪切應力為129.1 MPa,安全系數為:

Failure Analysis of Bolt in Cold Plate of an Airborne Chassis

CHEN Guang-jie,JIANG Xiong
(No.36 Research Institute ofCETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

In this paper,aiming at the breakage of bolt in cold plate of an airborne cabinet,the finite elementmodel is established in the HyperMesh,and the random vibration analysis is performed by using the Ansys.The acceleration power spectral density curve of the particular pointswhich ismeasured in vibration test is compared with the corresponding simulation value to insure the validity of themodel.The shear loads of the bolts are calculated,the shear strength check is done according to the bolt grade,and the result shows that the breakage happens because themaximum shear stress is beyond the shear capacity. This problem is then solved by using higher-grade and larger-diameter bolts.

HyperMesh;Ansys;chassis;bolt;strength check

TH162

A

1007-4414(2015)06-0086-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.031

2015-10-15

陳光杰(1985-),男,浙江嘉興人,工程師,主要從事電子設備結構設計工作。