橫向振動下螺栓連接失效原因分析*

丁旺生,唐 岐，黃 飛

(南京科瑞達電子裝備有限責任公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

螺栓連接形式具有結構簡單、可操作性好等優點，廣泛應用于工業結構中。在復雜的振動環境下，螺栓連接結構容易產生松動、斷裂等失效現象，由此可能引發諸如泄露、異響等情況，甚至可能導致結構解體等重大事故，可見連接結構的可靠性對整個結構的安全起著至關重要的作用。

針對螺栓失效的問題，國內外學者進行了廣泛的研究，Junker[1]通過試驗發現，相比于軸向振動，橫向振動更容易引起螺栓松動，并給出了簡化機理模型；胡洋等[2]對地鐵B型列車軸箱彈簧下蓋板緊固螺栓的斷裂原因進行了分析；莫易敏等[3]通過橫向振動試驗驗證了不同頭部結構、彈簧墊圈、預緊力、表面處理等對螺栓防松性能的影響；李志彬等[4]研究了橫向振動下螺栓連接失效及其影響因素；侯世遠[5]用Abaqus模擬方法分析了松動過程中接觸狀態的變化，進而探究螺栓松動機理。隨著計算機仿真技術的發展和應用，采用有限元軟件進行力學仿真分析，結合試驗對產品結構進行校核是目前研究機載電子設備抗振動能力的一種有效方法。筆者主要基于仿真計算對失效螺栓進行強度校核，并結合試驗的方法，給出了問題產生的原因，提出改進措施并驗證了有效性。

1 問題概述

某機載電子設備模擬件功能試驗需進行X、Y、Z三個方向的功能振動，給定的載荷功率譜為寬帶隨機振動，依據相關標準對振動試驗的要求進行試驗。具體試驗條件見圖1和表1，試驗總均方根值為14.6 g。

圖1 功能振動試驗條件

表1 隨機振動試驗條件

試驗時將夾具剛性安裝在振動臺面上，然后再將電子設備模擬件通過4個M6六角頭螺栓和30顆M5內六角螺栓固定在試驗夾具上，見圖2。試驗件在X和Z方向各經歷1 h振動后經檢查無異常，Y方向振動20 min后發現三個螺栓斷裂，試驗中止。斷裂位置見圖3。

圖2 電子設備模擬件試驗安裝示意圖

圖3 螺栓斷裂示意圖

2 原因分析

螺栓斷裂失效問題錯綜復雜，從工程經驗初步分析，造成電子設備試驗螺栓斷裂的主要原因包括：螺栓強度不足、試驗控制不當等。下面逐一進行分析驗證。

2.1 有限元法螺栓強度校核

斷裂螺栓型號規格為：HB1-101 M5×16；強度等級：12.9級；材質：30CrMnSiA。電子設備模擬件材質為高強鋁合金7050(T651)。試驗夾具材質為鋁合金2A12。三種材料的力學性能見表2。

表2 各部件材料力學性能

(1) 有限元模型建立及網絡劃分

電子設備模擬件結構較復雜，內部結構對螺栓強度分析結果影響很小，綜合考慮仿真計算效率及模型準確度等因素建立有限元分析模型，對CAD模型進行局部簡化和修正，保留該元件的等效質量。在仿真中采用適應性較好的六面體單元進行網格劃分，網格單元總量為252 858，節點數為414 778，完整數值模型如圖 4所示。

圖4 仿真模型建立及網格劃分 圖5 邊界約束及載荷設置示意圖

(2) 邊界條件及載荷

試驗夾具與振動臺安裝孔施加固定約束，電子設備模擬件底部30顆M5內六角螺栓建立Beam梁單元(只傳遞載荷，不考慮底部30顆螺栓應力)，對設備兩端4顆M5材料為30CrMnSiA的螺栓模型進行力學參數設置，并添加預緊力Bolt Pretension 1500N，見圖5。定義接觸：被試件與夾具安裝面為有摩擦接觸Frictional，摩擦系數0.15。螺栓分為光桿和螺紋兩部分，螺紋和光桿連接面為Bond，螺紋和被試件為Bond，螺釘頭與夾具接觸面為Frictional。其余接觸面均為默認Bond。載荷方向設置為試驗出現故障的Y向。

(3) 振動仿真結果分析

通過仿真計算發現，設備兩端的4顆M5螺栓光桿和螺紋分界處應力較大，最大3σMises應力值為352 MPa，見圖6，小于30CrMnSiA材料屈服強度，并有較大安全系數。螺栓強度滿足使用要求，因而排除因螺栓強度不足造成故障的原因。

圖6 應力云圖

2.2 試驗控制方法

電子設備振動試驗被試件通常需要通過夾具與振動臺相連，盡可能選擇剛性好的夾具，才能把振動臺的運動不失真地傳遞給被試件。馬紅衛[6]討論分析了隨機振動試驗中確定控制點布置方案的兩種方法。控制點是電動振動系統中作為閉環控制輸入的加速度計在振動臺臺面、夾具或被試件上的具體位置。可以利用振動試驗系統的控制儀，通過控制點的反饋信號來調整功率放大器的輸出。采用不同的試驗控制方式，可能會對試件響應產生不同程度的影響。控制點位置的選擇不當可能會造成控制系統報警停機從而不能如實的反映試驗所需要的規定量級，出現“欠試驗”和“過試驗”的現象。在振動試驗中，為了在試件上產生所需要的振動量值，在多點控制的振動試驗中，合理地布置控制點是極其重要的。

本試驗控制方式采用三點平均值控制，三個監控點分布位置分別見圖7(第1次試驗)、圖8(第2次試驗)。通過兩次實驗及布置監測點，監測得到失效螺栓附近處振動載荷。第一次試驗控制點分布方式中，設備兩端輸入載荷被放大，是實際試驗載荷的3倍左右，出現“過試驗”現象。根據GJB150.16A中關于監控點選擇要求，將控制點設在設備與夾具連接點附近及振動臺上(第2次試驗方式)，進行Y向試驗，試驗進行35 min，螺栓仍斷裂失效。綜上所述，試驗控制點設置不是造成螺栓斷裂失效的原因。

圖7 第1次試驗監控點位置示意圖

圖8 第2次試驗監控點位置示意圖

2.3 螺栓松動

摩擦型螺栓連接是一種通過連接板將被連接件牢固連接的方式，螺栓擰緊后達到足夠的預緊力，將連接構件緊密拉牢，保證連接成為整體。當這樣的連接受剪力作用時，被連接件間產生摩擦力，阻止構件彼此之間的相對位移。這樣，螺栓本身受軸向拉力，能保證被連接件之間的摩擦力傳遞剪力。保證連接零部件之間的可靠連接和正常運行，需要兩個零部件之間具備足夠的夾緊力，因此就要求連接的螺栓在擰緊后要具備足夠的軸向預緊力。當連接受到較大瞬時沖擊、連續振動等交變載荷時，連接的各個部分尺寸會發生微小變化，各部分的相互位置發生滑移錯動，使接觸面的摩擦系數減小，造成松動。

螺栓松動原因主要有以下幾點：①螺栓選用的強度不足：螺栓連接一般采用屈服點擰緊法，即螺栓的預緊力應達到接近螺栓材料的屈服強度，考慮安全系數，一般不得超過材料屈服極限的80%；②缺少連接防松：螺栓連接的零部件在交變載荷作用下會發生連接的壓緊力和預緊力逐漸減小和消失的現象，最后造成螺栓松脫。因此要有有效的防松措施；③施工順序不正確，受力不均衡產生微小變形；④摩擦面被污染，油污、雜物等污染物會大大降低抗滑移性能；⑤因板厚公差、制造公差及安裝偏差等原因，造成接頭摩擦面間產生間隙。當摩擦面間有間隙時，會使摩擦承載力降低，或者說有間隙的摩擦面其抗滑移系數降低。

通過上述仿真分析，本試驗中斷裂螺栓強度安全系數較高；施工順序正確，不存在微小變形；摩擦面干凈，無油污；在進行試驗前，被試件與夾具兩端的緊固螺栓采用了頭部帶保險孔的螺栓，兩顆螺栓之間采用保險絲進行防松。試驗結束后發現保險絲被拉斷。通過上述分析及試驗現象總結：被試件兩端M6的螺栓斷裂定位于螺栓振動過程中，預緊力逐漸下降并最終完全喪失，螺栓先產生松動，然后在徑向載荷作用下被剪斷。

3 結構改進與試驗驗證

螺栓發生松動原因定位在被試件與夾具存在三個安裝面的問題上，理論上其中兩個安裝面存在接觸不充分的問題，存在間隙，摩擦面抗滑移系數降低。安裝時先將被試件與夾具底面貼合，擰緊緊固螺栓，兩端安裝面之間間隙采用的是0.5 mm厚硅橡膠墊填充，推測橡膠墊壓縮量不足，在振動過程中橡膠軟墊壓縮量會發生變化，導致被試件與夾具兩端安裝面之間抗滑移系數急劇降低，試驗過程中螺栓產生松動后直接受剪切力，并在夾具光孔內竄動。為驗證這一因素，采用0.1、0.2、0.03 mm的銅片替代橡膠墊進行安裝面之間間隙補充。再次進行Y向試驗摸底，試驗正常結束，螺栓未發現松動，拆下螺栓觀察，螺栓未見磨損，外貌完好。

4 結 論

機載電子設備面臨著嚴酷的力學環境考驗，隨機振動是一種最常見的非確定性振動，文中對某機載電子設備模擬件在隨機振動試驗中緊固螺栓斷裂失效原因進行了分析和試驗驗證，從螺栓強度、試驗控制方法、螺栓松動方面進行分析。主要得到以下結論。

(1) 隨機振動條件下螺栓強度安全系數較高，強度滿足使用要求。

(2) 設備前期試驗存在“過試驗”現象，雖不是造成螺栓斷裂失效的根本原因，但試驗控制方法應正確合理，避免出現“過試驗”、“欠試驗”。

(3) 螺栓斷裂失效的主要原因是被試件與夾具安裝面間存在間隙，表面摩擦系數過小，在交變載荷作用下產生松動，導致被試件與夾具之間出現了竄動，從而使緊固螺栓受剪力斷裂失效。

綜上所述，機載電子設備螺栓選用應設計安全系數；在多點控制的振動試驗中，合理地布置控制點使被試件響應正確；零部件裝配應盡可能避免存在多個安裝面，必須存在時要進行有效間隙補充，增大接觸面摩擦。