丁旺生,唐 岐，黄 飞

(南京科瑞达电子装备有限责任公司，江苏 南京 211100)

0 引 言

螺栓连接形式具有结构简单、可操作性好等优点，广泛应用于工业结构中。在复杂的振动环境下，螺栓连接结构容易产生松动、断裂等失效现象，由此可能引发诸如泄露、异响等情况，甚至可能导致结构解体等重大事故，可见连接结构的可靠性对整个结构的安全起着至关重要的作用。

针对螺栓失效的问题，国内外学者进行了广泛的研究，Junker[1]通过试验发现，相比于轴向振动，横向振动更容易引起螺栓松动，并给出了简化机理模型；胡洋等[2]对地铁B型列车轴箱弹簧下盖板紧固螺栓的断裂原因进行了分析；莫易敏等[3]通过横向振动试验验证了不同头部结构、弹簧垫圈、预紧力、表面处理等对螺栓防松性能的影响；李志彬等[4]研究了横向振动下螺栓连接失效及其影响因素；侯世远[5]用Abaqus模拟方法分析了松动过程中接触状态的变化，进而探究螺栓松动机理。随着计算机仿真技术的发展和应用，采用有限元软件进行力学仿真分析，结合试验对产品结构进行校核是目前研究机载电子设备抗振动能力的一种有效方法。笔者主要基于仿真计算对失效螺栓进行强度校核，并结合试验的方法，给出了问题产生的原因，提出改进措施并验证了有效性。

1 问题概述

某机载电子设备模拟件功能试验需进行X、Y、Z三个方向的功能振动，给定的载荷功率谱为宽带随机振动，依据相关标准对振动试验的要求进行试验。具体试验条件见图1和表1，试验总均方根值为14.6 g。

图1 功能振动试验条件

表1 随机振动试验条件

试验时将夹具刚性安装在振动台面上，然后再将电子设备模拟件通过4个M6六角头螺栓和30颗M5内六角螺栓固定在试验夹具上，见图2。试验件在X和Z方向各经历1 h振动后经检查无异常，Y方向振动20 min后发现三个螺栓断裂，试验中止。断裂位置见图3。

图2 电子设备模拟件试验安装示意图

图3 螺栓断裂示意图

2 原因分析

螺栓断裂失效问题错综复杂，从工程经验初步分析，造成电子设备试验螺栓断裂的主要原因包括：螺栓强度不足、试验控制不当等。下面逐一进行分析验证。

2.1 有限元法螺栓强度校核

断裂螺栓型号规格为：HB1-101 M5×16；强度等级：12.9级；材质：30CrMnSiA。电子设备模拟件材质为高强铝合金7050(T651)。试验夹具材质为铝合金2A12。三种材料的力学性能见表2。

表2 各部件材料力学性能

(1) 有限元模型建立及网络划分

电子设备模拟件结构较复杂，内部结构对螺栓强度分析结果影响很小，综合考虑仿真计算效率及模型准确度等因素建立有限元分析模型，对CAD模型进行局部简化和修正，保留该元件的等效质量。在仿真中采用适应性较好的六面体单元进行网格划分，网格单元总量为252 858，节点数为414 778，完整数值模型如图 4所示。

图4 仿真模型建立及网格划分 图5 边界约束及载荷设置示意图

(2) 边界条件及载荷

试验夹具与振动台安装孔施加固定约束，电子设备模拟件底部30颗M5内六角螺栓建立Beam梁单元(只传递载荷，不考虑底部30颗螺栓应力)，对设备两端4颗M5材料为30CrMnSiA的螺栓模型进行力学参数设置，并添加预紧力Bolt Pretension 1500N，见图5。定义接触：被试件与夹具安装面为有摩擦接触Frictional，摩擦系数0.15。螺栓分为光杆和螺纹两部分，螺纹和光杆连接面为Bond，螺纹和被试件为Bond，螺钉头与夹具接触面为Frictional。其余接触面均为默认Bond。载荷方向设置为试验出现故障的Y向。

(3) 振动仿真结果分析

通过仿真计算发现，设备两端的4颗M5螺栓光杆和螺纹分界处应力较大，最大3σMises应力值为352 MPa，见图6，小于30CrMnSiA材料屈服强度，并有较大安全系数。螺栓强度满足使用要求，因而排除因螺栓强度不足造成故障的原因。

图6 应力云图

2.2 试验控制方法

电子设备振动试验被试件通常需要通过夹具与振动台相连，尽可能选择刚性好的夹具，才能把振动台的运动不失真地传递给被试件。马红卫[6]讨论分析了随机振动试验中确定控制点布置方案的两种方法。控制点是电动振动系统中作为闭环控制输入的加速度计在振动台台面、夹具或被试件上的具体位置。可以利用振动试验系统的控制仪，通过控制点的反馈信号来调整功率放大器的输出。采用不同的试验控制方式，可能会对试件响应产生不同程度的影响。控制点位置的选择不当可能会造成控制系统报警停机从而不能如实的反映试验所需要的规定量级，出现“欠试验”和“过试验”的现象。在振动试验中，为了在试件上产生所需要的振动量值，在多点控制的振动试验中，合理地布置控制点是极其重要的。

本试验控制方式采用三点平均值控制，三个监控点分布位置分别见图7(第1次试验)、图8(第2次试验)。通过两次实验及布置监测点，监测得到失效螺栓附近处振动载荷。第一次试验控制点分布方式中，设备两端输入载荷被放大，是实际试验载荷的3倍左右，出现“过试验”现象。根据GJB150.16A中关于监控点选择要求，将控制点设在设备与夹具连接点附近及振动台上(第2次试验方式)，进行Y向试验，试验进行35 min，螺栓仍断裂失效。综上所述，试验控制点设置不是造成螺栓断裂失效的原因。

图7 第1次试验监控点位置示意图

图8 第2次试验监控点位置示意图

2.3 螺栓松动

摩擦型螺栓连接是一种通过连接板将被连接件牢固连接的方式，螺栓拧紧后达到足够的预紧力，将连接构件紧密拉牢，保证连接成为整体。当这样的连接受剪力作用时，被连接件间产生摩擦力，阻止构件彼此之间的相对位移。这样，螺栓本身受轴向拉力，能保证被连接件之间的摩擦力传递剪力。保证连接零部件之间的可靠连接和正常运行，需要两个零部件之间具备足够的夹紧力，因此就要求连接的螺栓在拧紧后要具备足够的轴向预紧力。当连接受到较大瞬时冲击、连续振动等交变载荷时，连接的各个部分尺寸会发生微小变化，各部分的相互位置发生滑移错动，使接触面的摩擦系数减小，造成松动。

螺栓松动原因主要有以下几点：①螺栓选用的强度不足：螺栓连接一般采用屈服点拧紧法，即螺栓的预紧力应达到接近螺栓材料的屈服强度，考虑安全系数，一般不得超过材料屈服极限的80%；②缺少连接防松：螺栓连接的零部件在交变载荷作用下会发生连接的压紧力和预紧力逐渐减小和消失的现象，最后造成螺栓松脱。因此要有有效的防松措施；③施工顺序不正确，受力不均衡产生微小变形；④摩擦面被污染，油污、杂物等污染物会大大降低抗滑移性能；⑤因板厚公差、制造公差及安装偏差等原因，造成接头摩擦面间产生间隙。当摩擦面间有间隙时，会使摩擦承载力降低，或者说有间隙的摩擦面其抗滑移系数降低。

通过上述仿真分析，本试验中断裂螺栓强度安全系数较高；施工顺序正确，不存在微小变形；摩擦面干净，无油污；在进行试验前，被试件与夹具两端的紧固螺栓采用了头部带保险孔的螺栓，两颗螺栓之间采用保险丝进行防松。试验结束后发现保险丝被拉断。通过上述分析及试验现象总结：被试件两端M6的螺栓断裂定位于螺栓振动过程中，预紧力逐渐下降并最终完全丧失，螺栓先产生松动，然后在径向载荷作用下被剪断。

3 结构改进与试验验证

螺栓发生松动原因定位在被试件与夹具存在三个安装面的问题上，理论上其中两个安装面存在接触不充分的问题，存在间隙，摩擦面抗滑移系数降低。安装时先将被试件与夹具底面贴合，拧紧紧固螺栓，两端安装面之间间隙采用的是0.5 mm厚硅橡胶垫填充，推测橡胶垫压缩量不足，在振动过程中橡胶软垫压缩量会发生变化，导致被试件与夹具两端安装面之间抗滑移系数急剧降低，试验过程中螺栓产生松动后直接受剪切力，并在夹具光孔内窜动。为验证这一因素，采用0.1、0.2、0.03 mm的铜片替代橡胶垫进行安装面之间间隙补充。再次进行Y向试验摸底，试验正常结束，螺栓未发现松动，拆下螺栓观察，螺栓未见磨损，外貌完好。

4 结 论

机载电子设备面临着严酷的力学环境考验，随机振动是一种最常见的非确定性振动，文中对某机载电子设备模拟件在随机振动试验中紧固螺栓断裂失效原因进行了分析和试验验证，从螺栓强度、试验控制方法、螺栓松动方面进行分析。主要得到以下结论。

(1) 随机振动条件下螺栓强度安全系数较高，强度满足使用要求。

(2) 设备前期试验存在“过试验”现象，虽不是造成螺栓断裂失效的根本原因，但试验控制方法应正确合理，避免出现“过试验”、“欠试验”。

(3) 螺栓断裂失效的主要原因是被试件与夹具安装面间存在间隙，表面摩擦系数过小，在交变载荷作用下产生松动，导致被试件与夹具之间出现了窜动，从而使紧固螺栓受剪力断裂失效。

综上所述，机载电子设备螺栓选用应设计安全系数；在多点控制的振动试验中，合理地布置控制点使被试件响应正确；零部件装配应尽可能避免存在多个安装面，必须存在时要进行有效间隙补充，增大接触面摩擦。