镁合金替代硬铝合金的螺孔连接强度可行性

陈 波，陈以金，张登材

(中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

镁合金替代硬铝合金的螺孔连接强度可行性

陈 波，陈以金，张登材

(中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

为了验证镁合金的螺纹孔强度，文中以某型号设备减重需求为背景，采用螺钉预紧力理论分析和基于商业分析软件Workbench的仿真方法研究了不锈钢螺钉与2种基材的螺钉连接在给定预紧力下的受力情况。分析结果显示，采用不锈钢螺钉的推荐预紧力下限值能够保证螺钉和镁合金基材最大等效应力低于材料屈服强度。通过随机振动试验验证采用镁合金原位替换硬铝合金应用于电子设备主承力结构的可行性。研究结果为轻质和低强度材料在航空航天电子设备上的应用提供了参考。

航天；电子设备；减重；镁合金；预紧力

引 言

随着电子设备结构轻量化技术的发展，镁合金作为一种重要的结构材料在航空航天领域中的应用越来越广。镁合金有密度低、比强度和比刚度高、阻尼性好、电磁屏蔽性能优异等诸多优点，但是镁合金也存在材料强度偏低、抗蠕变性差、燃点低等缺点。文献[1]综述了镁合金在航空航天领域研究现状与进展，重点介绍了各种镁合金先进的成形和制备技术；文献[2]针对镁合金在航空发动机中使用容易腐蚀的问题，系统梳理了镁合金在适航标准和国内外标准规范中的使用规定；文献[3]介绍了几种阻尼合金尤其是镁合金在电子设备结构设计中的应用，为结构减振设计提供了参考；文献[4]研究了镁铝合金在T/R组件中的应用，并就表面防护和结构设计方面进行了相应阐述，同时提到镁合金由于强度较低，需要加装不锈钢钢丝螺套或者镶嵌高强度过渡金属用于机械连接，但没有相应的详细分析。目前关于镁合金的研究大多侧重于加工制备、表面防腐蚀、阻尼特性和轻质应用[5-6]等方面，针对镁合金螺孔连接具体分析的文章鲜见报道。

在本文中，设备平台总体要求减重。由于原来设计时已经充分考虑过减重，再在结构件挖腔减重收效小、风险大，因此，决定采取材料原位替换的方法，将正样产品的结构件的材料由硬铝合金更换为镁合金。由于是原位替换，而不是全新设计，可能会导致替换后机箱强度不够或螺钉连接失效等问题。根据经验，在镁合金上加装钢丝螺套能在一定程度上缓解镁合金强度低的应用缺陷(例如增加拆装次数)，但是并不能保证其螺纹连接处强度达到硬铝合金的等级，因为钢丝螺套会将螺钉预紧力传递到镁铝合金，从而造成不利影响，只是由于接触面积变大，具有一定减弱接触应力的效果。本文着重研究原位替换后螺钉连接是否满足使用要求，以及镁铝合金加装钢丝螺套以后对螺钉预紧力的使用限制。

1 设备机箱的整体结构

机箱框架由底板、左右侧板、上板以及后面的围框组成，模块插件按一定排列顺序和母板的划分，垂直插入各自的导轨槽内，然后采用锁紧装置锁紧，如图1所示。由于镁合金的抗拉强度和屈服强度远小于硬铝合金，材料变化对机箱整体性能的影响(考核机箱在给定振动条件下的受力分析)已经另行做过专项计算分析，限于篇幅，本文不展开阐述，但最后的实验结果可以用于验证计算分析的有效性。本文重点验证材料变化对紧固件的影响，即常规预紧力下螺钉及其连接处的基材是否满足要求。

图1 机箱整体结构

2 螺钉预紧力理论分析

2.1 预紧力矩

根据工程手册得知，拧紧螺钉所需力矩T为螺纹摩擦力矩T1和支撑面摩擦力矩T2之和，可通过下列公式获得：

T=KFd

其中：F为预紧力；d2为螺纹中径；λ为螺纹升角；ρV为螺纹当量摩擦角；dm为螺纹支撑面平均直径；f1为螺钉支撑面摩擦；d为螺纹大径。本文支撑面全部处于氧化无润滑状态，扭矩系数取值0.24[7-8]。

2.2 预紧力

对电子设备而言，螺钉连接安全性的关键在于螺钉能够具有足够的剩余预紧力来抵消振动过程中产生的外力。如果施加的预紧力过大，将会导致螺纹牙被剪断而脱扣或者螺钉被拧断。如果施加的预紧力过小，则可能会使得螺钉在振动过程中因松动而失效。因此，根据工程经验，预紧力的取值范围如下所示：

对碳素钢螺钉：预紧力F= (0.6～ 0.7)σs×As

对合金钢螺钉：预紧力F= (0.5～0.6)σs×As

式中：σs为螺钉材料的屈服强度；As为螺钉的公称应力截面积。

2.3 螺钉等效应力

预紧力使螺栓危险截面产生正应力，同时螺纹之间的摩擦力矩在螺栓的危险截面上产生剪应力，根据文献描述，2 种应力可用一种当量应力表示，理论分析可知摩擦力矩的作用相当于使拉伸载荷增加10% ～ 30%。因此，在预紧力矩下的螺钉等效应力可表示为：

σ=(1 +α)T/KdAs

式中：α为摩擦力矩使得拉伸载荷增加的系数。

3 研究模型和基本参数

设备连接螺钉采用M3×12的不锈钢螺钉，本文主要考察M3螺钉及其基材在给定预紧力下的受力情况，即轻量化前后常规螺钉预紧力是否满足要求。M3螺钉模型按照真实情况建模，螺钉及其基材模型截面如图2所示。由于镁合金的强度远小于硬铝合金，因此在使用镁合金时，需要在镁合金基材里面增加钢丝螺套，图2表示两种基材下的螺钉模型截面图。

图2 螺钉连接模型截面图

螺钉材料为不锈钢(A2-70)，基材分别为硬铝合金(LY12-CZ)和镁合金(MB8)[9]，钢丝螺套材料为304不锈钢，材料基本参数见表1。

表1 螺钉及基材参数表

4 螺钉预紧力仿真分析

4.1 硬铝合金预紧力仿真分析

为了更好地了解模型在轻量化改进之前的受力情况，当被连接基材为硬铝合金时，对模型进行预紧力分析。螺钉和基材的整体应力云图如图3所示，通过观察仿真结果可以发现，模型在承受0.6σs预紧力的载荷时，螺钉最大等效应力达到414 MPa(约占屈服强度的92%)，不超过螺钉的屈服强度450 MPa，满足螺钉强度要求。被连接基材螺纹段的最大应力约176.4 MPa(约占屈服强度的54%)，低于硬铝合金的屈服强度325 MPa，满足硬铝合金的强度要求。通过理论计算得到的螺钉等效应力介于297～351 MPa之间，观察螺钉颈部，发现绝大部分区域的应力介于300 ～ 360 MPa之间，如图4所示，说明仿真结果和理论计算结果接近。考虑到理论计算结果不能准确地给出最大等效应力，也不能通过上述理论直接计算钢丝螺套和基材的最大等效应力，所以后文验证工作通过仿真手段来实现。

图3 0.6σs预紧力下整体应力云图

图4 0.6σs预紧力下螺钉局部应力云图

4.2 镁合金预紧力仿真分析

本文的轻量化改进方法为采用镁合金替换硬铝合金，考虑到镁合金强度较小，所以在基材里面增添了钢丝螺套，仿真分析如图5所示。通过观察可以发现，模型在承受0.6σs预紧力的载荷时，其最大等效应力达到394.1 MPa(约占屈服强度的88%)，不超过螺钉的屈服强度450 MPa，满足螺钉强度要求。钢丝螺套的最大等效应力为211.9 MPa，大于钢丝螺套的屈服强度205 MPa，但远小于钢丝螺套的抗拉强度520 MPa，存在屈服的风险。被连接基材螺纹段的最大应力约105.9 MPa(约占屈服强度的90%)，低于镁合金的屈服强度118 MPa，满足镁合金的强度要求。基于此，本文考虑了模型在0.5σs预紧力载荷下的受力情况。

图5 0.6σs预紧力下等效应力云图

螺钉模型在0.5σs预紧力载荷下的受力情况如图6所示，螺钉最大等效应力达到344.2 MPa(约占屈服强度的76%)，不超过螺钉的屈服强度450 MPa，满足螺钉强度要求。钢丝螺套的最大等效应力为176.4 MPa(约占屈服强度的86%)，不超过钢丝螺套的屈服强度205 MPa，满足钢丝螺套强度要求。被连接基材螺纹段的最大应力约88.3 MPa(约占屈服强度的75%)，低于镁合金的屈服强度118 MPa，满足镁合金的强度要求。因此，采用0.5σs预紧力进行加载，能够保证螺钉及其基材在预紧力作用下不会发生屈服现象。

图6 0.5σs预紧力下等效应力仿真结果图

4.3 镁合金试验验证

根据仿真分析的结果，本文采用0.5σs预紧力对应的预紧力矩对螺钉进行加载。为了防止预紧力过小造成螺钉在振动环境下失效，同时考虑到可维修性，本文采用乐泰222胶粘剂对螺钉进行点胶处理，并固化72 h以上。据相关文献报道，乐泰222胶粘剂可以提高螺钉的松开力矩13%左右。在此基础上，整机模型按照表2所示的随机振动条件进行了振动试验(如图7所示)，试验过程中无螺钉松动现象，验证了采用镁合金替换硬铝合金来实现结构轻量化的可行性。按此方案设计出的产品最终通过了其它环境实验。

表2 随机振动试验条件

图7 整机结构随机振动试验

5 结束语

为了适应航天电子设备的轻量化需求，本文从理论、仿真和试验的角度出发验证了镁合金替换硬铝合金的可行性。首先采用理论方法初步确定预紧力下紧固件的等效应力，接着采用仿真方法深入探索紧固件及其基材的最大等效应力，最后采用试验方法来验证最终方案是否满足项目要求。分析结果显示，采用镁合金替换硬铝合金可以实现结构轻量化要求，但是需要适当减小预紧力来保证紧固件和基材的强度要求，同时通过点胶的方式来辅助增强紧固件连接的整体强度。本文研究结果可以对轻质和低强度材料在航空航天上的应用提供工程参考。

[1] 吴国华, 陈玉狮, 丁文江. 镁合金在航空领域研究应用现状与展望[J]. 载人航天, 2016, 22(3): 281-292.

[2] 唐正府, 刘兴科, 任光明. 航空发动机适航标准中镁合金材料使用要求[J]. 航空标准化与质量, 2014(6): 26-28.

[3] 周晓东. 阻尼合金在电子设备结构设计中的应用[J]. 电子机械工程, 2013, 29(1): 36-39.

[4] 吕慎刚, 秦超. 镁合金材料在T/R组件中的应用研究[J]. 电子机械工程, 2013, 29(4): 55-61.

[5] 王渠东, 吕宜振, 曾小勤, 等. 镁合金在电子器材壳体中的应用[J]. 材料导报, 2000, 14(6): 22-24.

[6] 王朝辉, 贾林, 杜文博. 镁合金材料在机器人轻量化上的应用浅析[J]. 新材料产业, 2016(7): 14-17.

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[8] 赵蕴懿, 李金萍. 螺钉装配及防松技术[J]. 航天制造技术, 2008(5): 45-47.

[9] 栾兆菊, 孙建彬. 某雷达冷板双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验[J]. 电子机械工程, 2015, 31(3): 50-60.

陈 波(1982-)，男，工学硕士，工程师，主要从事电子设备结构设计与研究工作。

陈以金(1985-)，男，工学博士，主要从事复合材料设计及理论计算，电子设备结构设计与力学仿真。

张登材(1973-)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事天馈结构及航天电子设备结构总体工作。

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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