陳 波，陳以金，張登材

(中國電子科技集團公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

鎂合金替代硬鋁合金的螺孔連接強度可行性

陳 波，陳以金，張登材

(中國電子科技集團公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

為了驗證鎂合金的螺紋孔強度，文中以某型號設(shè)備減重需求為背景，采用螺釘預(yù)緊力理論分析和基于商業(yè)分析軟件Workbench的仿真方法研究了不銹鋼螺釘與2種基材的螺釘連接在給定預(yù)緊力下的受力情況。分析結(jié)果顯示，采用不銹鋼螺釘?shù)耐扑]預(yù)緊力下限值能夠保證螺釘和鎂合金基材最大等效應(yīng)力低于材料屈服強度。通過隨機振動試驗驗證采用鎂合金原位替換硬鋁合金應(yīng)用于電子設(shè)備主承力結(jié)構(gòu)的可行性。研究結(jié)果為輕質(zhì)和低強度材料在航空航天電子設(shè)備上的應(yīng)用提供了參考。

航天；電子設(shè)備；減重；鎂合金；預(yù)緊力

引 言

隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)的發(fā)展，鎂合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣。鎂合金有密度低、比強度和比剛度高、阻尼性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點，但是鎂合金也存在材料強度偏低、抗蠕變性差、燃點低等缺點。文獻[1]綜述了鎂合金在航空航天領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與進展，重點介紹了各種鎂合金先進的成形和制備技術(shù)；文獻[2]針對鎂合金在航空發(fā)動機中使用容易腐蝕的問題，系統(tǒng)梳理了鎂合金在適航標準和國內(nèi)外標準規(guī)范中的使用規(guī)定；文獻[3]介紹了幾種阻尼合金尤其是鎂合金在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)減振設(shè)計提供了參考；文獻[4]研究了鎂鋁合金在T/R組件中的應(yīng)用，并就表面防護和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進行了相應(yīng)闡述，同時提到鎂合金由于強度較低，需要加裝不銹鋼鋼絲螺套或者鑲嵌高強度過渡金屬用于機械連接，但沒有相應(yīng)的詳細分析。目前關(guān)于鎂合金的研究大多側(cè)重于加工制備、表面防腐蝕、阻尼特性和輕質(zhì)應(yīng)用[5-6]等方面，針對鎂合金螺孔連接具體分析的文章鮮見報道。

在本文中，設(shè)備平臺總體要求減重。由于原來設(shè)計時已經(jīng)充分考慮過減重，再在結(jié)構(gòu)件挖腔減重收效小、風險大，因此，決定采取材料原位替換的方法，將正樣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件的材料由硬鋁合金更換為鎂合金。由于是原位替換，而不是全新設(shè)計，可能會導致替換后機箱強度不夠或螺釘連接失效等問題。根據(jù)經(jīng)驗，在鎂合金上加裝鋼絲螺套能在一定程度上緩解鎂合金強度低的應(yīng)用缺陷(例如增加拆裝次數(shù))，但是并不能保證其螺紋連接處強度達到硬鋁合金的等級，因為鋼絲螺套會將螺釘預(yù)緊力傳遞到鎂鋁合金，從而造成不利影響，只是由于接觸面積變大，具有一定減弱接觸應(yīng)力的效果。本文著重研究原位替換后螺釘連接是否滿足使用要求，以及鎂鋁合金加裝鋼絲螺套以后對螺釘預(yù)緊力的使用限制。

1 設(shè)備機箱的整體結(jié)構(gòu)

機箱框架由底板、左右側(cè)板、上板以及后面的圍框組成，模塊插件按一定排列順序和母板的劃分，垂直插入各自的導軌槽內(nèi)，然后采用鎖緊裝置鎖緊，如圖1所示。由于鎂合金的抗拉強度和屈服強度遠小于硬鋁合金，材料變化對機箱整體性能的影響(考核機箱在給定振動條件下的受力分析)已經(jīng)另行做過專項計算分析，限于篇幅，本文不展開闡述，但最后的實驗結(jié)果可以用于驗證計算分析的有效性。本文重點驗證材料變化對緊固件的影響，即常規(guī)預(yù)緊力下螺釘及其連接處的基材是否滿足要求。

圖1 機箱整體結(jié)構(gòu)

2 螺釘預(yù)緊力理論分析

2.1 預(yù)緊力矩

根據(jù)工程手冊得知，擰緊螺釘所需力矩T為螺紋摩擦力矩T1和支撐面摩擦力矩T2之和，可通過下列公式獲得：

T=KFd

其中：F為預(yù)緊力；d2為螺紋中徑；λ為螺紋升角；ρV為螺紋當量摩擦角；dm為螺紋支撐面平均直徑；f1為螺釘支撐面摩擦；d為螺紋大徑。本文支撐面全部處于氧化無潤滑狀態(tài)，扭矩系數(shù)取值0.24[7-8]。

2.2 預(yù)緊力

對電子設(shè)備而言，螺釘連接安全性的關(guān)鍵在于螺釘能夠具有足夠的剩余預(yù)緊力來抵消振動過程中產(chǎn)生的外力。如果施加的預(yù)緊力過大，將會導致螺紋牙被剪斷而脫扣或者螺釘被擰斷。如果施加的預(yù)緊力過小，則可能會使得螺釘在振動過程中因松動而失效。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗，預(yù)緊力的取值范圍如下所示：

對碳素鋼螺釘：預(yù)緊力F= (0.6～ 0.7)σs×As

對合金鋼螺釘：預(yù)緊力F= (0.5～0.6)σs×As

式中：σs為螺釘材料的屈服強度；As為螺釘?shù)墓Q應(yīng)力截面積。

2.3 螺釘?shù)刃?yīng)力

預(yù)緊力使螺栓危險截面產(chǎn)生正應(yīng)力，同時螺紋之間的摩擦力矩在螺栓的危險截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，根據(jù)文獻描述，2 種應(yīng)力可用一種當量應(yīng)力表示，理論分析可知摩擦力矩的作用相當于使拉伸載荷增加10% ～ 30%。因此，在預(yù)緊力矩下的螺釘?shù)刃?yīng)力可表示為：

σ=(1 +α)T/KdAs

式中：α為摩擦力矩使得拉伸載荷增加的系數(shù)。

3 研究模型和基本參數(shù)

設(shè)備連接螺釘采用M3×12的不銹鋼螺釘，本文主要考察M3螺釘及其基材在給定預(yù)緊力下的受力情況，即輕量化前后常規(guī)螺釘預(yù)緊力是否滿足要求。M3螺釘模型按照真實情況建模，螺釘及其基材模型截面如圖2所示。由于鎂合金的強度遠小于硬鋁合金，因此在使用鎂合金時，需要在鎂合金基材里面增加鋼絲螺套，圖2表示兩種基材下的螺釘模型截面圖。

圖2 螺釘連接模型截面圖

螺釘材料為不銹鋼(A2-70)，基材分別為硬鋁合金(LY12-CZ)和鎂合金(MB8)[9]，鋼絲螺套材料為304不銹鋼，材料基本參數(shù)見表1。

表1 螺釘及基材參數(shù)表

4 螺釘預(yù)緊力仿真分析

4.1 硬鋁合金預(yù)緊力仿真分析

為了更好地了解模型在輕量化改進之前的受力情況，當被連接基材為硬鋁合金時，對模型進行預(yù)緊力分析。螺釘和基材的整體應(yīng)力云圖如圖3所示，通過觀察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模型在承受0.6σs預(yù)緊力的載荷時，螺釘最大等效應(yīng)力達到414 MPa(約占屈服強度的92%)，不超過螺釘?shù)那姸?50 MPa，滿足螺釘強度要求。被連接基材螺紋段的最大應(yīng)力約176.4 MPa(約占屈服強度的54%)，低于硬鋁合金的屈服強度325 MPa，滿足硬鋁合金的強度要求。通過理論計算得到的螺釘?shù)刃?yīng)力介于297～351 MPa之間，觀察螺釘頸部，發(fā)現(xiàn)絕大部分區(qū)域的應(yīng)力介于300 ～ 360 MPa之間，如圖4所示，說明仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果接近。考慮到理論計算結(jié)果不能準確地給出最大等效應(yīng)力，也不能通過上述理論直接計算鋼絲螺套和基材的最大等效應(yīng)力，所以后文驗證工作通過仿真手段來實現(xiàn)。

圖3 0.6σs預(yù)緊力下整體應(yīng)力云圖

圖4 0.6σs預(yù)緊力下螺釘局部應(yīng)力云圖

4.2 鎂合金預(yù)緊力仿真分析

本文的輕量化改進方法為采用鎂合金替換硬鋁合金，考慮到鎂合金強度較小，所以在基材里面增添了鋼絲螺套，仿真分析如圖5所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，模型在承受0.6σs預(yù)緊力的載荷時，其最大等效應(yīng)力達到394.1 MPa(約占屈服強度的88%)，不超過螺釘?shù)那姸?50 MPa，滿足螺釘強度要求。鋼絲螺套的最大等效應(yīng)力為211.9 MPa，大于鋼絲螺套的屈服強度205 MPa，但遠小于鋼絲螺套的抗拉強度520 MPa，存在屈服的風險。被連接基材螺紋段的最大應(yīng)力約105.9 MPa(約占屈服強度的90%)，低于鎂合金的屈服強度118 MPa，滿足鎂合金的強度要求?；诖耍疚目紤]了模型在0.5σs預(yù)緊力載荷下的受力情況。

圖5 0.6σs預(yù)緊力下等效應(yīng)力云圖

螺釘模型在0.5σs預(yù)緊力載荷下的受力情況如圖6所示，螺釘最大等效應(yīng)力達到344.2 MPa(約占屈服強度的76%)，不超過螺釘?shù)那姸?50 MPa，滿足螺釘強度要求。鋼絲螺套的最大等效應(yīng)力為176.4 MPa(約占屈服強度的86%)，不超過鋼絲螺套的屈服強度205 MPa，滿足鋼絲螺套強度要求。被連接基材螺紋段的最大應(yīng)力約88.3 MPa(約占屈服強度的75%)，低于鎂合金的屈服強度118 MPa，滿足鎂合金的強度要求。因此，采用0.5σs預(yù)緊力進行加載，能夠保證螺釘及其基材在預(yù)緊力作用下不會發(fā)生屈服現(xiàn)象。

圖6 0.5σs預(yù)緊力下等效應(yīng)力仿真結(jié)果圖

4.3 鎂合金試驗驗證

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，本文采用0.5σs預(yù)緊力對應(yīng)的預(yù)緊力矩對螺釘進行加載。為了防止預(yù)緊力過小造成螺釘在振動環(huán)境下失效，同時考慮到可維修性，本文采用樂泰222膠粘劑對螺釘進行點膠處理，并固化72 h以上。據(jù)相關(guān)文獻報道，樂泰222膠粘劑可以提高螺釘?shù)乃砷_力矩13%左右。在此基礎(chǔ)上，整機模型按照表2所示的隨機振動條件進行了振動試驗(如圖7所示)，試驗過程中無螺釘松動現(xiàn)象，驗證了采用鎂合金替換硬鋁合金來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的可行性。按此方案設(shè)計出的產(chǎn)品最終通過了其它環(huán)境實驗。

表2 隨機振動試驗條件

圖7 整機結(jié)構(gòu)隨機振動試驗

5 結(jié)束語

為了適應(yīng)航天電子設(shè)備的輕量化需求，本文從理論、仿真和試驗的角度出發(fā)驗證了鎂合金替換硬鋁合金的可行性。首先采用理論方法初步確定預(yù)緊力下緊固件的等效應(yīng)力，接著采用仿真方法深入探索緊固件及其基材的最大等效應(yīng)力，最后采用試驗方法來驗證最終方案是否滿足項目要求。分析結(jié)果顯示，采用鎂合金替換硬鋁合金可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化要求，但是需要適當減小預(yù)緊力來保證緊固件和基材的強度要求，同時通過點膠的方式來輔助增強緊固件連接的整體強度。本文研究結(jié)果可以對輕質(zhì)和低強度材料在航空航天上的應(yīng)用提供工程參考。

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陳 波(1982-)，男，工學碩士，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。

陳以金(1985-)，男，工學博士，主要從事復(fù)合材料設(shè)計及理論計算，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學仿真。

張登材(1973-)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事天饋結(jié)構(gòu)及航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體工作。

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Threaded Hole Strength Feasibility Validation of MB8 Mg-alloyInstead of LY12 Al-alloy

CHEN Bo，CHEN Yi-jin，ZHANG Deng-cai

(The 29th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

Based on the lightweight requirement of some aerospace project, this paper describes the mechanical behavior of the stainless steel bolt and alloy matrix under applied bolt pretension force. The theoretical analysis of bolt pretension force and numerical methods based on commercial FE analysis package (Workbench, version 15.0) have been used to verify the bolted joint strength. The analysis result shows that the maximum equivalent stresses for both bolt and MB8 magnesium alloy are lower than their material yielding strength, while the recommended lower limit of bolt pretension force is carried on the model. Finally, the feasibility has been demonstrated through the random vibration test results, which means the MB8 magnesium alloy can be used in electronic equipment supporting structure instead of LY12-CZ aluminum alloy. The presented analysis provides meaningful guidance of lightweight and low-strength materials in aerospace applications.

aerospace; electronic equipment; lightweight; MB8 magnesium alloy; bolt pretension force

2016-12-30

TG146.22

A

1008-5300(2017)03-0040-04