张理达，文 雯，张 杰，白振岳，郭建平

(西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

目前电子设备中广泛使用螺纹连接，其适配性与可靠性十分重要。为避免螺钉松脱，实际使用时常采用较大拧紧力矩值，但由此带来的鼓包变形问题常被忽视。由于机载设备对装配精度的要求高，鼓包变形大而影响正常使用的问题十分突出。在初期设计阶段，需要给出合理的拧紧力矩值，但一般采用经验法确定，难以预测实际效果。笔者针对拧紧力矩影响的鼓包变形问题，研究了施加拧紧力矩下电子设备鼓包变形的仿真计算方法，对确定拧紧力矩使用值具有重要参考价值。

1 螺栓预紧力的理论计算

对于电子设备的螺纹连接，在一般条件下，施加的拧紧力矩并不会全部用于产生螺栓的预紧力用到电子设备上。产生的预紧力可以用公式(1)计算[1-2]：

T=KDF

(1)

式中：T为拧紧力矩大小，N·m；K为拧紧力矩系数；D为螺栓的公称直径，m；F为螺栓预紧力，N；K值是一个取决于表面连接条件例如材料、表面粗糙度等因素的变量，可以从表1获得。

表1 不同表面条件下的拧紧力矩系数K值大小

2 某电子设备计算模型的建立[3-5]

针对某电子设备产品，先对其局部建立了由壳体、钽电容、下垫板、上垫板、电容固定块以及螺钉组成的仿真三维模型，再将其导入到ANSYS的Design Modeler中生成所需计算几何模型如图1 计算几何模型所示。

接下来在Workbench中分别将LY12-BCZYU、6061铝等材料属性赋予到壳体、电容固定块等零件中。并使用梁单元模型等效壳体与固定块之间的螺纹连接，如图2所示。

图1 计算几何模型 图2 螺纹连接模型

最后采用Mechanical进行网格划分，得到该设备的有限元计算分析模型。

3 不同拧紧力矩下鼓包变形的有限元分析

使用Workbench静力分析单元进行该电子设备鼓包变形的有限元分析，首先对钽电容处安装螺钉施加不同的拧紧力矩，根据公式(1)等效成不同螺栓预紧力后，再将螺栓预紧力值作为边界条件分别施加给该设备，最后进行静力有限元分析计算。得到该电子设备局部变形值结果如表2所列。

表2 某电子设备不同拧紧力矩下最大变形计算值

求解得到0.39 N·m拧紧力矩下的壳体变形云图如图3所示。

图3 壳体变形云图

由变形云图可知壳体最大变形鼓包位置在四个电容固定块的中间偏右位置。其他力矩作用下变形值不同，位置基本相同。

4 不同拧紧力矩下鼓包变形的实际测量

使用三坐标仪对该电子设备进行不同拧紧力矩下最大鼓包变形值的实际测量，得到的最大壳体鼓包变形值结果如表3所列。

表3 某电子设备不同拧紧力矩下最大变形实测值

将最大变形值仿真计算结果与实际测量结果进行对比，如图4所示。

图4 不同拧紧力矩下壳体最大变形值

5 结 语

对图4分析可知，仿真计算与实际测量的结果都表明，钽电容安装螺钉施加的拧紧力矩大小直接影响变形量，拧紧力矩越大，局部变形量越大。

对于该电子产品钽电容附近的四个螺钉可选择0.39 N·m作为拧紧力矩使用值，在保证安装可靠的同时，最大鼓包变形量也在合理范围内。

对比分析仿真计算与实际测量结果误差在15%以内，故可认为文中的仿真计算方法具有一定的可信性。

在设计初期阶段可使用该仿真计算方法确认拧紧力矩使用值是否会带来鼓包变形大的问题，对设计初期确定拧紧力矩使用值具有重要参考价值。