陈光杰,江 雄

(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033)

某型机箱冷板紧固件失效分析*

陈光杰,江 雄

(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033)

针对某机载机箱冷板紧固件的断裂问题,在HyperMesh中建立有限元模型,利用Ansys进行动力学仿真分析,将试验中测取的加速度功率谱密度曲线与对应计算值进行比较,验证有限元模型的合理性。通过计算得到每个螺钉分配的载荷,根据所用螺钉的等级进行剪切强度校核,确定螺钉断裂是由于螺钉剪切强度不足引起的。根据计算结果提出了更改措施,并通过了试验的考核。

HyperMesh;Ansys;机箱;螺钉;强度校核

0 引 言

螺纹联接是机载设备中常用的连接方式,具有结构简单、联接可靠、装配方便、可靠性高等优点。在外载荷(静载荷或动载荷)作用下,螺纹连接的状态会发生改变,出现松动、滑移甚至断裂等现象,影响设备的正常工作,严重时会造成人身伤害。

实际螺纹联接是非常复杂的接触问题,要详细了解螺纹结构的应力分布情况,需建立完整的螺钉模型并定义接触关系[1],需要较大的计算机时,当螺钉数量较多时该方法会导致计算无法执行。另外,在基于模态分析的动力学计算中(如谱分析、谐响应分析及冲击分析),所有的非线性关系都进行线性处理,该情况下一般都对螺纹连接进行简化建模,包括梁单元法、杆单元法、弹簧单元法、多点约束法等[2-4]。

笔者针对某机载单机冷板螺钉在随机振动试验中断裂的情况,利用Ansys软件进行动力学响应分析,获得螺钉所承担的载荷值,结合理论公式对其进行强度校核。

1 冷板螺钉断裂现象

单机模型如图1所示,由于功耗较大,使用液冷装置进行降温。冷板及其上安装的器件重45.2 kg,冷板使用14个M5的沉头螺钉进行固定。由于侧板孔与冷板孔不匹配,样机在进行随机振动试验时未安装7号螺钉。

图1 单机结构示意图

单机在进行垂直方向(垂直于冷板平面)的功能振动试验时发现有异响,试验立即停止,检查发现左侧1～6号螺钉全部断裂。检查确认试验前螺纹进行了点胶并静置24 h,满足试验要求。后续检查发现螺钉断裂的一部分残留在螺纹孔中,断裂处与连接面齐平,考虑到螺纹进行了点胶加固并且断裂出现在同一侧,排除螺钉松脱的可能性,初步认定是由于螺钉承载力不足导致被剪断。

2 螺钉强度校核及改进方法

2.1 有限元模型及试验结果

在HyperMesh中建立单机有限元模型,由于仿真重点在于获得螺钉传递的载荷值,实际建模时忽略了各类倒角及螺纹孔,冷板上的器件使用集中质量替代,螺钉用梁单元进行模拟,利用rbe3单元将螺钉与冷板、侧板连接。有限元模型如图2所示,共153 418个单元。

振动试验中在冷板上布置了两个测点获取加速度响应,加速度传感器布置示意如图3。

图2 有限元模型

图3 冷板上测点布置示意

对结构进行随机振动响应分析,获取对应测点的加速度响应情况,试验数据与仿真结果分别如图4、5。试验时测点1、测点2的加速度有效值分别为17. 3 g及14.6 g,仿真计算时对应测点加速度有效值分别为19.1 g及15.8 g,相对误差分别为10.4%及8. 2%,有限元模型能较好地反映结构真实状态。

图4 试验时测点加速度功率谱

图5 仿真时对应测点加速度功率谱

2.2 螺钉载荷

计算完成后在后处理中提取螺钉剪力值,各个螺钉所承担的剪力如表1。表中同样给出了7号螺钉正常安装情况下的螺钉剪力情况。

由于器件布置问题,单机重心偏向左侧(1～7号螺钉侧),导致左侧螺钉所承担的剪力总和大于右侧。当7号螺钉未安装时,6号螺钉所承担的剪力值最大,达到1 439 N,而最小剪力出现在单机右侧的11号螺钉,为429 N;如果7号螺钉正常安装,最大剪力减小为为865 N,由2号螺钉承担,最小剪力值为444 N,变化不大。

表1 随机振动时各个螺钉所承担的剪力值

2.3 螺钉强度校核

该型号螺钉强度等级为A2-50,抗拉强度为500 MPa。按照强度理论[5],剪切强度一般为抗拉强度的0.5～0.6倍,此处取剪切强度为250 MPa。M5螺钉的应力截面积为14.2 mm2。不安装7号螺钉时,最大剪力为1 439 N,对应剪切应力为:

随机振动分析以概率统计为理论基础,如果给定的加速度激励满足正态分布,对于线性系统,计算输出的位移、加速度、应力等值也满足正态分布。软件默认输出为1σ值,即不大于该值的概率68.27%,工程上一般要求以3σ值进行计算(即不大于该值的概率为99.73%)。表1给出的剪力值实际上为1σ 值,对应3σ置信度下螺钉最大的剪切应力为303.9 MPa,超过剪切强度值,因此振动中6号螺钉先剪断,剪力重新分配后导致同侧其余螺钉也剪断。

假定7号螺钉正常安装,最大剪力为865 N,此时剪切应力为:

对应3σ置信度下剪切应力为182.7 MPa,安全系数过小,仅为1.36,不满足设计要求。

2.4 改进措施

改用性能等级为A2-70的M6螺钉,并保证14个螺钉全部安装并点胶。螺钉应力截面积为20.1 mm2,此时1σ置信度下剪切应力为:

对应3σ置信度下最大剪切应力为129.1 MPa,安全系数为:

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

陈光杰(1985-),男,浙江嘉兴人,工程师,主要从事电子设备结构设计工作。