擰緊力矩影響下電子設備鼓包的仿真研究*

張理達，文 雯，張 杰，白振岳，郭建平

(西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

目前電子設備中廣泛使用螺紋連接，其適配性與可靠性十分重要。為避免螺釘松脫，實際使用時常采用較大擰緊力矩值，但由此帶來的鼓包變形問題常被忽視。由于機載設備對裝配精度的要求高，鼓包變形大而影響正常使用的問題十分突出。在初期設計階段，需要給出合理的擰緊力矩值，但一般采用經驗法確定，難以預測實際效果。筆者針對擰緊力矩影響的鼓包變形問題，研究了施加擰緊力矩下電子設備鼓包變形的仿真計算方法，對確定擰緊力矩使用值具有重要參考價值。

1 螺栓預緊力的理論計算

對于電子設備的螺紋連接，在一般條件下，施加的擰緊力矩并不會全部用于產生螺栓的預緊力用到電子設備上。產生的預緊力可以用公式(1)計算[1-2]：

T=KDF

(1)

式中：T為擰緊力矩大小，N·m；K為擰緊力矩系數；D為螺栓的公稱直徑，m；F為螺栓預緊力，N；K值是一個取決于表面連接條件例如材料、表面粗糙度等因素的變量，可以從表1獲得。

表1 不同表面條件下的擰緊力矩系數K值大小

2 某電子設備計算模型的建立[3-5]

針對某電子設備產品，先對其局部建立了由殼體、鉭電容、下墊板、上墊板、電容固定塊以及螺釘組成的仿真三維模型，再將其導入到ANSYS的Design Modeler中生成所需計算幾何模型如圖1 計算幾何模型所示。

接下來在Workbench中分別將LY12-BCZYU、6061鋁等材料屬性賦予到殼體、電容固定塊等零件中。并使用梁單元模型等效殼體與固定塊之間的螺紋連接，如圖2所示。

圖1 計算幾何模型 圖2 螺紋連接模型

最后采用Mechanical進行網格劃分，得到該設備的有限元計算分析模型。

3 不同擰緊力矩下鼓包變形的有限元分析

使用Workbench靜力分析單元進行該電子設備鼓包變形的有限元分析，首先對鉭電容處安裝螺釘施加不同的擰緊力矩，根據公式(1)等效成不同螺栓預緊力后，再將螺栓預緊力值作為邊界條件分別施加給該設備，最后進行靜力有限元分析計算。得到該電子設備局部變形值結果如表2所列。

表2 某電子設備不同擰緊力矩下最大變形計算值

求解得到0.39 N·m擰緊力矩下的殼體變形云圖如圖3所示。

圖3 殼體變形云圖

由變形云圖可知殼體最大變形鼓包位置在四個電容固定塊的中間偏右位置。其他力矩作用下變形值不同，位置基本相同。

4 不同擰緊力矩下鼓包變形的實際測量

使用三坐標儀對該電子設備進行不同擰緊力矩下最大鼓包變形值的實際測量，得到的最大殼體鼓包變形值結果如表3所列。

表3 某電子設備不同擰緊力矩下最大變形實測值

將最大變形值仿真計算結果與實際測量結果進行對比，如圖4所示。

圖4 不同擰緊力矩下殼體最大變形值

5 結 語

對圖4分析可知，仿真計算與實際測量的結果都表明，鉭電容安裝螺釘施加的擰緊力矩大小直接影響變形量，擰緊力矩越大，局部變形量越大。

對于該電子產品鉭電容附近的四個螺釘可選擇0.39 N·m作為擰緊力矩使用值，在保證安裝可靠的同時，最大鼓包變形量也在合理范圍內。

對比分析仿真計算與實際測量結果誤差在15%以內，故可認為文中的仿真計算方法具有一定的可信性。

在設計初期階段可使用該仿真計算方法確認擰緊力矩使用值是否會帶來鼓包變形大的問題，對設計初期確定擰緊力矩使用值具有重要參考價值。