某型導彈前吊掛螺紋損傷強度分析

范東林 阮文輝 李玉雪 郭來軍

（國營洛陽丹城無線電廠，洛陽 471000）

吊掛是導彈與發射架之間的主要機械接口。作為導彈的重要結構組成部分，它對導彈和載機安全性至關重要。在設計階段和使用中，必須充分考慮導彈吊掛的強度（含連接強度）和使用壽命。導彈吊掛的失效形式主要為承受各種復雜載荷（如掛飛振動、機動抖振和沖擊等）后的疲勞失效。吊掛與彈體主要通過焊接、螺紋以及吊掛彈體一體化等方式連接，通常有兩點布置形式和三點布置形式兩種。采用三點布置時，前吊掛受力較小，通常為輔助吊掛，因此常采用螺紋連接形式。隨著對導彈性能要求的不斷提高和加工水平的進步，中、后吊掛與彈體采用一體化結構成為主流。因為前吊掛磨損或損傷后需要定期更換，所以吊掛和彈體仍然通過螺紋連接，以消除疲勞可能帶來的潛在質量隱患，提高可靠性。

1 螺紋連接強度校核

在工程與理論研究中，研究人員發現螺紋連接方式的各牙受力不均勻。為提高連接的可靠性，各國對連接件進行了研究并開展了改進設計[1-2]。理論上，螺紋各牙受力不均勻并不是由加工誤差引起的，根本原因在于螺紋連接實質為多自由度彈簧系統[3]，因此不能簡化為剛體連接。

螺紋連接中除鉸制孔用螺栓在剪切力或扭轉力作用下因剪切或擠壓而失效外，其余普通螺栓連接在擰緊時，螺釘因承受拉力而伸長，導致螺母支承面附近的螺紋承受很大的載荷，且螺母承受的壓縮載荷會產生同樣的載荷集中效應。外載增加時，螺釘繼續彈性伸長，使被連接件壓縮變形相應減小甚至消失；或因螺釘應變超過了彈性極限，由于塑性屈服而產生永久性變形，使預緊力或夾緊力松弛，導致連接失效（畸變、斷裂以及喪失緊密性等）。當循環變載荷作用在緊連接的螺釘上時，螺釘會受到最小載荷為常數的脈動載荷的反復作用。如果相應的應力水平過高或者幅值過高，工作中將產生疲勞失效。疲勞是螺紋連接最常見的失效形式之一。疲勞失效常位于螺母的墊圈面、螺紋尾部或頭部與桿部的過渡圓角處。螺紋連接受變動載荷時，也會使連接中的預緊力發生變化，甚至使連接松脫。

1.1 前吊掛螺紋受力分析

在螺紋連接失效中，主要包括螺紋牙失效、螺紋小徑斷裂、螺釘圓柱部分剪切失效以及螺釘頭的破壞等。通常螺紋連接斷裂失效多發生在螺桿上，需要對螺桿部分受力進行校核，校核公式為：

式中：F為螺桿所受軸向力；d1為螺釘計算直徑，通常取螺紋小徑。若某型導彈前吊掛未發生損傷，修理時需要更換，但設計時已進行過校核，將不需要再進行計算。

大多數螺紋連接在裝配時都要預緊，目的在于增強連接的剛性、緊密性、防松能力及防止受橫向載荷的螺栓連接滑動。擰緊時，扳手力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩及螺母與被連接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩。當取預緊系數Q為1.4時，通常螺紋所受軸向力F與施加力矩T的關系為：

式中，d為螺紋公稱直徑。

通常施加力矩取理論計算值的0.8倍作為實際應用的擰緊力矩值。某型導彈前吊掛安裝時，需要施加一定力矩進行預緊，以確保前吊掛和彈體之間的連接剛度。

1.2 前吊掛連接內螺紋受力分析

某型導彈前吊掛用連接螺紋存在螺紋孔端口螺紋損傷現象，主要為螺紋入口處約1/4圈螺紋損傷或損壞。前吊掛連接螺紋結構由受力平面和連接螺紋構成，連接螺紋M30×2，其螺紋長度為11.5 mm，約5.75圈，材料為沉淀硬化不銹鋼；控制艙殼體內螺紋長度約13 mm，約6.5圈，材料為2124T351。兩者旋合長度11.5 mm，根據GB 171—1981規定，屬于中等旋合長度[4]。從強度考慮，一般認為承受軸向力的螺紋連接第1圈承受約30%軸向力，前3圈承受約80%軸向力，螺紋旋合長度一般不少于5圈。可以看出，第1圈螺紋在螺紋連接中受力很大，比較重要。從防松方面考慮，第1圈受力較大，對螺紋連接的預緊也非常重要。如果第1圈連接失效，可能引起預緊力或夾緊力松弛，從而導致連接失效。

按照螺紋各牙受力均勻，對螺紋牙進行強度校核[5]：

式中：Fw為最大軸向外載荷；kz為載荷不均勻系數，此處kz=0.7；D為內螺紋大徑，此處取D=32 mm；b為螺紋牙根部寬度，b=0.87p，p為螺距，此處取p=2 mm，則b=1.74 mm；z為旋合螺紋圈數，取z=5；h為螺紋牙的工作高度，h=0.541 3p，則h=1.082 6 mm；[τ]為螺紋材料的許用剪應力，[σ]w為螺紋材料的許用彎曲應力，，取n=1.5，[τ]=0.5[σ]w。

設計螺紋時，一般內螺紋設計強度低于外螺紋。艙體材料取σs=0.2σp=275 MPa，則 [σ]w=183.3 MPa，[τ]=91.65 MPa。前吊掛靜載時，承重近1 000 N。掛飛試驗時，取最大過載為9，按螺紋牙受力均勻計算得出螺紋連接圈數為5.75圈。該計算是按螺紋牙均勻受力，每牙承擔約20%。根據工程經驗，一般第1牙承擔30%載荷，按照線性受力計算可得τ=19.2 MPa，σw=47.1 MPa，其受力仍遠小于各自的許用應力。從內螺紋受損情況來看，損傷螺紋約占第1牙的1/4圈，因此即使按照1/4圈全部破壞，由剩余3/4圈來承力，此時τ=33.6 MPa、σw=62.9 MPa，其受力仍小于各自的許用應力，安全系數分別為2.73和2.91。實際上，在未發現內螺紋損傷時，吊掛可能會發生極輕度連接松弛，但在重新按照規定力矩緊固后，受力螺紋從1/4圈開始向下延展，不會產生安全問題。

2 前吊掛螺紋連接的有限元分析

對于普通螺紋，符合牙型角為60°的標準螺紋尺寸，導程與圓周尺寸決定了螺旋線的升角。分析螺紋受力時，若將螺紋展開，導線為連續的螺旋線，此時載荷不能在展開面上均勻施加，對邊界條件的約束較為困難。因此，在進行螺紋連接有限元分析時，需要對螺紋連接副進行簡化。將螺紋展開，螺紋旋轉1圈設定為一組接觸副。假設有6組螺紋接觸副，即認為螺紋旋合長度為6圈。取1/4模型，假設左側實體為內螺紋，右側實體為外螺紋，內螺紋接地，外螺紋施加1971 N的拉力，運算后應力云圖如圖1所示，位移云圖如圖2所示，應變云圖如圖3所示。

對于簡化后的螺紋有限元受力，各牙兩端相對中部較大，存在失真情況，而對于各牙中部較為一致。分析各牙中部對應節點應力可以看出，螺紋各牙非均勻受力，應力和應變各牙均不相同，而有限元結果相比式（1）和式（2）計算數據較為保守。由圖1可以看出，各牙受力呈遞減趨勢，第1牙承受的壓強達45.2 MPa，至第6牙時受力減至第1牙的22%，約為10.7 MPa。由圖2可以看出，第6牙位移約為第1牙的3倍。從圖3可以看出，至第6牙時應變減至第1牙的19%。

圖1 螺紋受力應力圖（6圈）

圖2 螺紋受力位移圖（6圈）

圖3 螺紋受力應變圖（6圈）

當螺紋連接圈數減為5圈時，由圖4可以看出，各圈螺紋牙受力明顯增大。相比6圈連接，各牙受力相對均勻，第5牙達到第1牙的50%。由此可以看出，增加螺紋旋合長度（圈數），并不能明顯提高螺紋承載力。

圖4 螺紋受力應力圖（5圈）

由于前吊掛有效連接圈數為5.75圈，根據螺紋受力分析和設計要求可以看出，首圈損傷1/4圈時螺紋牙受力會下移，即螺紋連接從第1/4圈開始有效旋合圈數會減少至5.5圈。從連接螺紋位移量級來看，螺紋松弛極小；從受力量級來說，各牙所受應力雖然有所增大，但不會影響前吊掛的連接安全性。

3 結語

針對前吊掛連接第1圈內螺紋損傷，在損傷不超過3/4圈時，旋合長度滿足設計要求。為使前吊掛前3牙有效承受約80%載荷且不發生可能存在的裂紋擴展，應對損傷第1圈的1/4圈牙進行修復或者剔除，以使剩余螺紋受力有效，避免在使用中發生螺紋連接松弛，從而保證導彈的安全性。