基于HB1-808游動托板螺母的改進設計

劉松　李林波

摘? 要：分析直升機地板安裝過程中存在的游動自鎖托板螺母易脫落失效問題產生的附帶影響，為解決此類問題，從結構及受載的角度分析脫落原因，并依此提出一種更可靠的結構改進設計方案。利用有限元仿真對改進設計后的游動托板螺母進行受載分析，考察其應力分布合理性。

關鍵詞：游動自鎖托板螺母;脫落失效;有限元分析

中圖分類號：V229+.1? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

某型直升機前機身采用可拆卸式地板結構，安裝有HB1-808游動自鎖托板螺母，在裝配過程中時常會出現托板螺母游動部分脫落的現象，出現類似故障均需將整個地板拆卸后更換脫落的托板螺母，由此帶來的問題主要有以下幾點：

（1）反復拆裝，會降低其他未出現故障標準件的使用壽命，在處理故障的過程中出現二次故障。

（2）故障處理過程中，鉚接托板螺母的鉚釘需要反復分解重鉚，導致機體結構上孔超差、質量變差，對機體結構零組件造成損傷，并且重鉚后連接強度下降，影響直升機安全。

（3）反復拆裝會影響科研生產進度與效率。本文首先對可拆卸地板結構游動托板螺母易脫落的問題原因進行分析，然后提出基于HB1-808游動托板螺母的改進設計，試圖從根源解決該型游動托板螺母脫落失效的問題，最后對改進前后該型游動托板螺母分析應力分布情況，進行有限元優化設計。以此提高此類標準件連接可靠性，保證機體結構連接安全。

1 脫落原因分析

對HB1-808游動托板螺母脫落失效模式進行分析，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：

（1）HB1-808游動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，產生脫落。

（2）由于可拆卸地板裝配游動托板螺母時，標準件被隱藏，存在視野盲區，同時HB1-808游動托板螺母結構設計存在一定的不合理性，導致在裝配過程中游動部分與螺栓配合不好，產生較大的裝配無效應力，致使托板螺母固定部分限制包邊屈服變形，失去限制作用，最終導致游動部分脫落。

1.1 模型驗證

HB1-808游動托板螺母所用材料為20號鋼，材料的屈服強度σs=245MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，其強度、剛度與其他標準件相近，因此材料力學性能不是某型機前機身地板HB1-808游動托板螺母脫落失效的主要原因。

在螺栓與游動托板螺母裝配過程中，應保證兩者之間為線接觸，以此保證裝配正常。對托板螺母進行建模分析，在極限條件下的局部視圖如圖1所示，由圖可知，HB1-808游動托板螺母與螺栓在裝配過程中存在一定概率會發生面面接觸，極限情況下面面接觸部分邊界最大距離為0.8mm，進而產生較大的裝配應力，導致托板螺母固定部分限制包邊屈服變形，失去限制作用，最終導致游動部分脫落。

1.2 有限元仿真驗證

利用有限元仿真對脫落原因進行驗證，計算致使HB1-808游動托板螺母游動部分脫落的推出力值，分析其合理性，并以此為基礎進行結構改進設計。

1.2.1 有限元模型建立及材料屬性

模型建立分為三個部件：螺栓、托板螺母、托板螺母游動部分（圖2）。由HB1-808游動托板螺母標準文件可知，螺母材料為20號鋼，螺栓則假設為彈性模量很大的材料，以此簡化計算難度。材料參數如表1所示。

1.2.2 前處理

前處理包括設置分析部、定義接觸及接觸屬性、定義約束、施加載荷以及劃分網格，本文采用靜力學分析方法對HB1-808游動托板螺母進行有限元仿真分析。接觸類型設置為結點-表面接觸，其中沿接觸面切向方向設置為有摩擦罰函數計算方法，接觸位置為自鎖螺母與支架部分彎邊內表面（圖3）。

托板螺母一般鉚接在板結構上使用，模擬實際情況并做一定簡化，對游動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、倒角產生的不規則區域較多，利用拆分命令對模型進行分塊，分塊后，掃掠劃分網格，單元選取8結點線性六面體實體單元，單元尺寸設置為0.2mm，網格劃分結果如圖5、圖6所示。

1.2.3 仿真結果分析

由于實際情況自鎖螺母并非一次受載脫落，在標準件制備產生彎邊過程中，材料已發生屈服產生塑性變形，得到了一定的強化，支架部分的彎邊在裝配中反復受載重新進入屈服狀態發生塑性形變并逐漸累積，最終時自鎖螺母游動限制擴大，導致脫落，因此有限元仿真中只模擬支架部分最大應力處到達屈服極限強度時的情況，并以此為依據分析游動托板螺母受載情況。如圖7為仿真結果的Mises應力云圖，由圖7、8可知，自鎖螺母在極限游動位置時，支架部分靠近游動方向彎邊處最先到達屈服極限，此時選取固定約束邊上結點反力并求和，得到支反力FR=114.5N，即自鎖螺母此時所受載荷。因此可以證明，當螺栓與自鎖螺母之間發生面面接觸后，施加114.5N的載荷即可使托板螺母彎邊開始進入屈服極限，在反復裝配后多余的裝配應力會有導致彎邊變形過大自鎖螺母脫落的隱患。

基于以上分析，HB1-808游動托板螺母結構改進設計應由避免面面接觸產生的裝配應力入手，從而避免自鎖螺母脫落問題的發生。

2 結構改進設計

結構改進方案：

對HB1-808游動托板螺母進行結構改進設計，使其在不改變原有裝配空間要求的前提下，解決裝配過程中出現的面面接觸問題。改進設計方案如下：

（1）沿用原HB1-808游動托板螺母材料：20號鋼。

（2）托板螺母支架部分主要尺寸不變，減小彎邊角度（圖9）。

（3）托板螺母游動部分增大導孔直徑，保持螺紋長度不變。

（4）改進設計后的游動托板螺母自鎖部分相對于支架中心在水平方向上游動量仍大于1mm（圖10）。

（5）其他相關尺寸同標準HB1-808-83，其他技術條件按GB943-88，抗拉性能、鎖緊性能需滿足標準要求。

（6）表面處理：鍍鎘鈍化。

改進設計后的游動托板螺母結構外形示意圖如圖11所示。改進設計后的方案結構緊湊，占用的裝配空間與原設計方案相同，工程應用中能夠滿足互換性要求。同時，擴大導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，仍能產生線接觸，從而避免多余裝配應力的產生，進而解決了自鎖螺母脫落的問題（圖12）。

3 有限元優化設計

擴大導孔后自鎖螺母結構組成更加復雜，受載時的應力情況發生改變，因此對改進設計后的游動托板螺母正常裝配情況進行有限元仿真分析，模擬結構受載后的應力分配情況，分析結構合理性。其中所選材料不變，仍沿用20號鋼，其相關材料參數見1.2.1節。

3.1 前處理

此處仍采用靜力學分析方法對改進設計的游動托板螺母進行有限元仿真分析。接觸類型設置為表面-表面接觸，其中沿接觸面切向方向設置為有摩擦罰函數計算方法，接觸位置為自鎖螺母與支架部分底部平面內表面（圖13）。

對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置不變，不過該受載情況下，由于并未對鉚接的固定平板進行建模，因此還應對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、倒角產生的不規則區域較多，利用拆分命令對模型進行分塊，分塊后，對于能夠掃掠劃分的網格，單元選取8結點線性六面體實體單元，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力，因此可用四面體單元代替，對仿真結果無影響。單元尺寸設置為0.2mm，網格劃分結果如圖15、圖16所示。

3.2 仿真結果分析

分析托板螺母鎖緊時的應力分布情況，應力云圖如圖17、圖18所示。

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

4 結論

基于現有的HB1-808游動托板螺母在某型機前機身地板裝配時發生脫落失效問題，分析其根本失效原因為裝配時發生面面接觸，從而產生較大的裝配應力致使彎邊變形，進而導致自鎖螺母脫落，通過結構和有限元分析驗證。對托板螺母進行結構改進設計，消除裝配時產生的多余裝配應力，并驗證改進后結構合理性。

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