基于HB1-808游动托板螺母的改进设计

刘松　李林波

摘  要：分析直升机地板安装过程中存在的游动自锁托板螺母易脱落失效问题产生的附带影响，为解决此类问题，从结构及受载的角度分析脱落原因，并依此提出一种更可靠的结构改进设计方案。利用有限元仿真对改进设计后的游动托板螺母进行受载分析，考察其应力分布合理性。

关键词：游动自锁托板螺母;脱落失效;有限元分析

中图分类号：V229+.1       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0115-05

Abstract： The incidental influence of the easy shedding failure of the floating self-locking bracket nut in the process of helicopter floor installation is analyzed. In order to solve this kind of problem， the cause of shedding is analyzed from the point of view of structure and loading. According to this， a more reliable design scheme for structural improvement is put forward. The loading analysis of the improved floating bracket nut is carried out by finite element simulation， and the rationality of its stress distribution is investigated.

Keywords： floating self-locking bracket nut; shedding failure; finite element analysis

前言

某型直升机前机身采用可拆卸式地板结构，安装有HB1-808游动自锁托板螺母，在装配过程中时常会出现托板螺母游动部分脱落的现象，出现类似故障均需将整个地板拆卸后更换脱落的托板螺母，由此带来的问题主要有以下几点：

（1）反复拆装，会降低其他未出现故障标准件的使用寿命，在处理故障的过程中出现二次故障。

（2）故障处理过程中，铆接托板螺母的铆钉需要反复分解重铆，导致机体结构上孔超差、质量变差，对机体结构零组件造成损伤，并且重铆后连接强度下降，影响直升机安全。

（3）反复拆装会影响科研生产进度与效率。本文首先对可拆卸地板结构游动托板螺母易脱落的问题原因进行分析，然后提出基于HB1-808游动托板螺母的改进设计，试图从根源解决该型游动托板螺母脱落失效的问题，最后对改进前后该型游动托板螺母分析应力分布情况，进行有限元优化设计。以此提高此类标准件连接可靠性，保证机体结构连接安全。

1 脱落原因分析

对HB1-808游动托板螺母脫落失效模式进行分析，均为固定部分的限制包边变形所致，因此可知脱落原因有以下几点：

（1）HB1-808游动托板螺母材料刚度不够，即弹性模量小，致使在同等载荷下变形较大，产生脱落。

（2）由于可拆卸地板装配游动托板螺母时，标准件被隐藏，存在视野盲区，同时HB1-808游动托板螺母结构设计存在一定的不合理性，导致在装配过程中游动部分与螺栓配合不好，产生较大的装配无效应力，致使托板螺母固定部分限制包边屈服变形，失去限制作用，最终导致游动部分脱落。

1.1 模型验证

HB1-808游动托板螺母所用材料为20号钢，材料的屈服强度σs=245MPa，弹性模量E=2.06×105MPa，其强度、刚度与其他标准件相近，因此材料力学性能不是某型机前机身地板HB1-808游动托板螺母脱落失效的主要原因。

在螺栓与游动托板螺母装配过程中，应保证两者之间为线接触，以此保证装配正常。对托板螺母进行建模分析，在极限条件下的局部视图如图1所示，由图可知，HB1-808游动托板螺母与螺栓在装配过程中存在一定概率会发生面面接触，极限情况下面面接触部分边界最大距离为0.8mm，进而产生较大的装配应力，导致托板螺母固定部分限制包边屈服变形，失去限制作用，最终导致游动部分脱落。

1.2 有限元仿真验证

利用有限元仿真对脱落原因进行验证，计算致使HB1-808游动托板螺母游动部分脱落的推出力值，分析其合理性，并以此为基础进行结构改进设计。

1.2.1 有限元模型建立及材料属性

模型建立分为三个部件：螺栓、托板螺母、托板螺母游动部分（图2）。由HB1-808游动托板螺母标准文件可知，螺母材料为20号钢，螺栓则假设为弹性模量很大的材料，以此简化计算难度。材料参数如表1所示。

1.2.2 前处理

前处理包括设置分析部、定义接触及接触属性、定义约束、施加载荷以及划分网格，本文采用静力学分析方法对HB1-808游动托板螺母进行有限元仿真分析。接触类型设置为结点-表面接触，其中沿接触面切向方向设置为有摩擦罚函数计算方法，接触位置为自锁螺母与支架部分弯边内表面（图3）。

托板螺母一般铆接在板结构上使用，模拟实际情况并做一定简化，对游动托板螺母支架部分铆钉孔周线施加固定约束，约束施加位置如图4所示。对自锁螺母施加位移载荷，模拟加载情况。

由于部件弯边、倒角产生的不规则区域较多，利用拆分命令对模型进行分块，分块后，扫掠划分网格，单元选取8结点线性六面体实体单元，单元尺寸设置为0.2mm，网格划分结果如图5、图6所示。

1.2.3 仿真结果分析

由于实际情况自锁螺母并非一次受载脱落，在标准件制备产生弯边过程中，材料已发生屈服产生塑性变形，得到了一定的强化，支架部分的弯边在装配中反复受载重新进入屈服状态发生塑性形变并逐渐累积，最终时自锁螺母游动限制扩大，导致脱落，因此有限元仿真中只模拟支架部分最大应力处到达屈服极限强度时的情况，并以此为依据分析游动托板螺母受载情况。如图7为仿真结果的Mises应力云图，由图7、8可知，自锁螺母在极限游动位置时，支架部分靠近游动方向弯边处最先到达屈服极限，此时选取固定约束边上结点反力并求和，得到支反力FR=114.5N，即自锁螺母此时所受载荷。因此可以证明，当螺栓与自锁螺母之间发生面面接触后，施加114.5N的载荷即可使托板螺母弯边开始进入屈服极限，在反复装配后多余的装配应力会有导致弯边变形过大自锁螺母脱落的隐患。

基于以上分析，HB1-808游动托板螺母结構改进设计应由避免面面接触产生的装配应力入手，从而避免自锁螺母脱落问题的发生。

2 结构改进设计

结构改进方案：

对HB1-808游动托板螺母进行结构改进设计，使其在不改变原有装配空间要求的前提下，解决装配过程中出现的面面接触问题。改进设计方案如下：

（1）沿用原HB1-808游动托板螺母材料：20号钢。

（2）托板螺母支架部分主要尺寸不变，减小弯边角度（图9）。

（3）托板螺母游动部分增大导孔直径，保持螺纹长度不变。

（4）改进设计后的游动托板螺母自锁部分相对于支架中心在水平方向上游动量仍大于1mm（图10）。

（5）其他相关尺寸同标准HB1-808-83，其他技术条件按GB943-88，抗拉性能、锁紧性能需满足标准要求。

（6）表面处理：镀镉钝化。

改进设计后的游动托板螺母结构外形示意图如图11所示。改进设计后的方案结构紧凑，占用的装配空间与原设计方案相同，工程应用中能够满足互换性要求。同时，扩大导孔直径后能够保证即使螺栓头与自锁螺母处于极限位置时，仍能产生线接触，从而避免多余装配应力的产生，进而解决了自锁螺母脱落的问题（图12）。

3 有限元优化设计

扩大导孔后自锁螺母结构组成更加复杂，受载时的应力情况发生改变，因此对改进设计后的游动托板螺母正常装配情况进行有限元仿真分析，模拟结构受载后的应力分配情况，分析结构合理性。其中所选材料不变，仍沿用20号钢，其相关材料参数见1.2.1节。

3.1 前处理

此处仍采用静力学分析方法对改进设计的游动托板螺母进行有限元仿真分析。接触类型设置为表面-表面接触，其中沿接触面切向方向设置为有摩擦罚函数计算方法，接触位置为自锁螺母与支架部分底部平面内表面（图13）。

对自锁螺母顶面施加压力载荷，模拟加载情况。托板螺母铆钉孔处的约束同前文设置不变，不过该受载情况下，由于并未对铆接的固定平板进行建模，因此还应对托板螺母支架外表面在受载方向上施加位移约束，约束施加位置如图14所示。

由于部件弯边、倒角产生的不规则区域较多，利用拆分命令对模型进行分块，分块后，对于能够扫掠划分的网格，单元选取8结点线性六面体实体单元，其中弯边中间部分仍不能划分六面体单元，在该载荷条件下弯边基本不传递应力，因此可用四面体单元代替，对仿真结果无影响。单元尺寸设置为0.2mm，网格划分结果如图15、图16所示。

3.2 仿真结果分析

分析托板螺母锁紧时的应力分布情况，应力云图如图17、图18所示。

图示情况为载荷297N时自锁螺母的应力云图，自锁螺母最大应力为σmax=76.86MPa，应力相对集中在底部的窄边缘处，整体应力分布较为合理。

4 结论

基于现有的HB1-808游动托板螺母在某型机前机身地板装配时发生脱落失效问题，分析其根本失效原因为装配时发生面面接触，从而产生较大的装配应力致使弯边变形，进而导致自锁螺母脱落，通过结构和有限元分析验证。对托板螺母进行结构改进设计，消除装配时产生的多余装配应力，并验证改进后结构合理性。

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