横向载荷下止动盘螺栓松动有限元分析与改进

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖市，241000） 李松如 张 平

水平尾翼是飞机重要大部件，它和机体通过大轴、止动盘等结构安装，固定方式为螺栓连接。螺栓连接具备结构简单、拆卸便捷等优点，是最基本的连接方式。但水平尾翼工作时，止动盘螺栓长期受到交变横向载荷，易出现松动失效。鉴于水平尾翼的特殊性，止动盘螺栓一旦出现松动，轻则影响飞机水平尾翼工作，重则影响任务执行和飞机安全。文献[1]研究指出，螺栓连接松动就是螺栓预紧力的衰减。本文以止动盘螺栓为研究对象，在ABAQUS 中进行有限元仿真，探讨在横向载荷作用下，初始预紧力、摩擦系数、载荷幅值、载荷频率对螺栓松动的影响，并提出止动盘螺栓松动的修理要求。

1 有限元仿真建模

1.1 螺栓连接有限元模型

止动盘螺栓连接梁和止动盘，本文根据其特点建立了简化模型：上部为模拟止动盘，下部为模拟梁，用两组Φ14mm螺栓、垫片、螺母连接。止动盘、螺栓、螺母密度为7 850kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3；梁密度为4 500kg/m3，弹性模量为110GPa，泊松比为0.34；垫片密度为2780kg/m3，弹性模量为69GPa，泊松比为0.32。模型网格选用C3D8R 单元，划分网格后单元总数约49.2 万，节总点数约54万。

1.2 螺栓预紧力加载及边界条件

Gong等[2]指出预紧力单元是一种兼顾计算精度与成本的预紧力加载方式，据此本文采用ABAQUS中螺栓载荷作为预紧力加载方法。仿真时梁左端、右端固定，螺栓头部限制Y和Z方向位移，对止动盘左端施加横向位移载荷，载荷公式A=A0Sin(2πft)，其中：A0为载荷幅值；f为载荷频率。

2 螺栓松动有限元仿真

2.1 横向载荷作用下螺栓预紧力变化

初始预紧力取值20kN，摩擦系数0.15，载荷幅值0.2mm，载荷频率1HZ，横向载荷循环30 次。发现在横向载荷作用下，螺栓预紧力在同一周期内交替上升与下降，整体呈逐渐下降趋势。同时，螺栓预紧力在载荷循环前期下降速率快，后期下降速率降低。

2.2 初始预紧力对松动影响

螺栓初始预紧力分别为15kN、20kN、30kN，摩擦系数0.15、载荷幅值0.2mm、载荷频率1HZ保持不变，循环10 次后螺栓预紧力对比见图1，初始预紧力越小，横向载荷作用后螺栓剩余预紧力百分比越小。如经过10 次循环后，初始预紧力15kN 的螺栓剩余69%，而初始预紧力30kN 的螺栓剩余84%，两者相差15%。据此，加大螺栓初始预紧力可以减缓螺栓松动失效。

图1 初始预紧力对松动影响

2.3 摩擦系数对松动影响

摩擦系数m分别取值0.1、0.15、0.2，初始预紧力20kN、载荷幅值0.1mm、载荷频率1HZ保持不变，循环10次后螺栓预紧力对比见图2，随着摩擦系数的增大，螺栓预紧力下降的趋势变缓。经10 次循环后，m=0.1 时预紧力剩余17.48kN，m=0.15 时预紧力剩余17.65kN，m=0.2时预紧力剩余18.1kN，因此，增大摩擦系数对螺栓防松有益。

图2 摩擦系数对松动影响

2.4 载荷幅值对松动影响

横向载荷幅值A0分别为0.1mm、0.2mm、0.3 mm，初始预紧力20kN、摩擦系数0.15、载荷频率1HZ保持不变，循环10次后螺栓预紧力对比见图3。随着载荷幅值的增加，螺栓预紧力下降速率增加，横向载荷幅值越大，螺栓连接松动失效越易发生。

图3 载荷幅值对松动影响

2.5 载荷频率对松动影响

横向载荷频率f分别设为1HZ、2HZ、4HZ，初始预紧力20kN、摩擦系数0.15、载荷幅值0.2mm 保持不变，循环10次后对比发现：螺栓预紧力差异不大，横向载荷频率对螺栓连接松动无明显影响。

2.6 止动盘螺栓松动修理改进

仿真表明提高摩擦系数可有效降低螺栓松动失效，在止动盘螺栓修理时可安装弹簧垫圈提高支承面摩擦系数实现摩擦防松[3]。仿真表明提高预紧力可以在减缓螺栓连接松动失效，文献[4]研究指出螺栓预紧力应控制在螺栓材料屈服极限的50%~70%，螺栓预紧力F和拧紧力矩T计算公式如下[5]：

式中：F 为预紧力，N；σs为螺栓材料的屈服极限，MPa；As为螺栓公称应力截面积，mm2。T为拧紧力矩，N·mm；K 为拧紧力矩系数，无量纲；d 为螺纹公称直径，mm。

σs取值300MPa，根据文献[6]As取值为115mm2，代入（1）式可知预紧力F最大值为24 150N。d取值14mm，根据文献[5]本文K取值0.2，代入（2）式可得拧紧力矩T 最大值为67 620N·mm。止动盘螺栓按67620N·mm拧紧力矩安装；使用中定期进行检查并补充拧紧，恢复螺栓初始预紧力，可有效防止螺栓松动失效。

3 结语

综上所述，本文借助有限元仿真研究了初始预紧力、摩擦系数、载荷幅值、载荷频率对螺栓松动的影响，结果表明降低载荷幅值，提高摩擦系数，增大初始预紧力可减缓螺栓松动失效。止动盘螺栓在修理时，选择安装弹簧垫圈提高支承面摩擦系数，按最大拧紧力矩67 620N·mm 施加初始预紧力，并定期检查补充拧紧可有效降低螺栓松动失效故障。