曾馨靓
航空工业成飞 工程技术部
摘 要: 为研究收口参数对无耳托板螺母锁紧力矩的影响规律，本文通过改变无耳托板螺母的收口参数，得到不同收口参数的无耳托板螺母拧入螺栓时的锁紧力矩，获得了收口参数对锁紧力矩的影响规律，并与试验得到的结果进行对比分析，结果表明：随着收口参数增大，无耳托板螺母相应的应力、应变水平随之增加；将有限元仿真得出的锁紧力矩随收口参数的变化规律与试验得出的锁紧力矩随收口参数的变化规律进行对比分析，结果一致性较高，可用有限元仿真替代部分试验；收口参数为0.10mm的无耳托板螺母锁紧力矩和松脱力矩曲率最为平缓,说明其性能较稳定；从对比试验可见，可以期待用收口量为0.10mm的国产无耳托板螺母替代进口的无耳托板螺母。
关键词：无耳托板螺母；有限元仿真；锁紧力矩；收口参数；
引 言
无耳托板螺母作为整体式机翼上一种新型的螺纹连接件，以其优良的力学性能和优异的锁紧性能，在现代军用飞机上得到了广泛的应用。与一般有耳托板螺母相比，无耳托板螺母具有锁紧效果好、易安装、重量轻等特点。
无耳托板螺母防松的关键因素就是其锁紧性能，它主要是靠控制无耳托板螺母与螺栓间拧入拧出的锁紧力矩大小来体现。从锁紧的角度出发，锁紧力矩越大，防松效果越好；从螺母装配的角度来看，锁紧力矩越大，安装会越困难，并且会破坏螺纹连接副的螺纹表面，反而会影响锁紧功能的稳定性和锁紧结构的重复使用性[1]。因此锁紧力矩是无耳托板螺母自锁、防松的重要性能指标[4]。
当前国产化无耳托板螺母的生产也仅仅是从形状上接近进口标准件，但其机械性能并未研究透彻，比如无耳托板螺母锁紧力矩的值是使用上限、中值还是下限，往往不清楚选择何种尺寸更适用于飞机装配。王立东[1]等研究了收口参数对钛合金自锁螺母锁紧性能的影响，虽未针对无耳托板螺母进行研究，但对三点收口参数对锁紧性能的影响进行了探究.董辉跃等人[2]提出无耳托板螺母自动化加工技术，研究了无耳托板螺母椭圆窝的加工方法.并且当前大多数学者对无耳托板螺母锁紧性能的研究较少，有限元分析更是鲜有报道，尤其缺乏理论分析。
锁紧性能的优良，直接关系到产品的性能和寿命，在整体机翼装配过程中，经常发生无耳托板螺母随着螺栓的拧入而产生周向转动，甚至出现螺栓被拉断的现象。针对目前无耳托板螺母锁紧力矩不稳定的问题和锁紧力矩偏大造成安装螺栓过程中螺母打转、螺栓拉断的情况，本文结合有限元仿真方法和试验方法对不同收口参数下的无耳托板螺母进行对比研究，并给出装配中锁紧力矩值随收口参数的变化规律，最终为制定最佳锁紧力矩值提供依据，为保障飞机的产品质量提供可靠有效的试验数据，从而为无耳托板螺母的工艺设计和工程应用提供指导。
1、无耳托板螺母锁紧原理及有限元模型
1.1、锁紧原理及接触仿真基本理论
无耳托板螺母的锁紧能力是靠螺母和螺栓之间的摩擦力进行自锁，当螺栓和螺母相互拧紧的时候，螺栓的牙尖将紧紧的顶在自锁螺母螺纹的楔形面上，从而产生锁紧力，螺纹副装配体受力变形趋势影响锁紧区接触面积，与锁紧性能的稳定性有关。
本文中无耳托板螺母与螺栓之间的接触节点随着螺栓的不断拧入而不断变化着，因此无耳托板螺母的锁紧过程属于有限滑移接触分析问题。
ABAQUS中经常使用库仑摩擦模型、罚函数摩擦模型、Lagrange摩擦模型以及动力学摩擦模型等。罚摩擦公式允许接触表面有“弹性滑移”，适用于大多数接触问题，包括大部分金属成型问题中的应用。但是，对摩擦的计算会增大收敛的难度，摩擦系数越大就越不容易达到收敛。因此，如果摩擦对有限元计算影响不大，可以尝试摩擦系数为零。
但是该模型在模拟过程中，当相对速度很小或相对速度方向发生变化时，其接触点就会出现相对滑动和粘着的相互转化，类似于阶跃函数，造成计算出的摩擦力大小和方向的突变，容易导致计算结果的不稳定性，所以这种模型在接触数值模拟过程中应用不多。为了提高模拟的稳定性，采用修正的库仑摩擦模型。
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式中，V是板料节点与模具型面之间的相对滑动速度；d为一个不大的正数。
修正的库仑摩擦模型使阶跃函数变为光滑的连续函数，模拟的稳定性显著提高。
1.2、有限元模型
通过ABAQUS软件先将螺母进行收口，在收口的基础再进行无耳托板螺母的锁紧过程仿真。图2为收口参数分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm的螺母收口示意图，可以看出，螺母已经发生了塑性应变，等效应力值超过屈服强度，且收口参数越大，相应地，位移和应变越大，等效应力越高。当收口参数为0.15mm时，应力已经达到了较高的水平，这是变形过大导致的。
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考虑到回弹影响，本文采用回弹补偿方法。因此位移水平高于原定的收口参数。收口参数越大，螺母尾部的形状越近似为三角形，结果如图2所示。
2仿真结果分析
由于网格数目较多，尺寸细小，经过3800次迭代，完成运算。力矩值只能在节点上单一地显示，因此创建XY数据，源为ODB场变量输出，导出唯一结点（RP4）的RM1值，得到XY曲线，收口参数为0.05mm、0.10mm、 0.15mm的锁紧力矩-时间曲线图如图3所示。
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初始时进行螺母的收口过程，因此力矩为0 N·mm；收口结束后，螺栓拧入的瞬间，力矩骤降；随着拧入圈数的增加，力矩逐渐减小，这是因为螺母必然越拧越松。
得到收口参数为0.05mm的锁紧仿真结果等效应力云图、位移云图如图4所示。
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得到收口参数为0.15mm的锁紧仿真结果等效应力云图、位移云图如图6所示。
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不设置收口，选用相同规格的螺母进行试验，同样地将螺栓拧入三圈，进行对照试验，得到的不收口的锁紧结果等效应力云图、位移云图、力矩-时间曲线如图8所示。可知不收口的无耳托板螺母应力水平低，所需力矩最大值为0.8N·m左右。
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(c) 力矩-时间曲线图 (d) 收口变形图（单位：mm）
图9 收口参数为0.20mm的仿真结果图
如图可见，收口处的最大位移已经达到0.23mm，此时螺纹变形已经非常严重，拧入螺栓困难，虽然拥有了更大的锁紧力矩，但不能实现螺纹联接的重复使用，多次的拧入拧出必然会造成较大的破坏，实用价值不高，因此本文不再对收口参数在0.20mm以上的无耳托板螺母进行仿真分析。
得到各个分析步的输出结果，收口参数为0.05mm的螺母锁紧分析步仿真结果如表2所示。
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由于锁紧仿真部分的主要观察结果为力矩，因此输出S、U和RM共三个相关量，可得到如下结论：
（1）由图2可得，螺栓拧入无耳托板螺母的力矩随着拧入圈数的增加而减小；
（2）由图4-图6可得，在锁紧的过程中，无耳托板螺母的应力集中现象依然存在；
（3）由表1可得，收口参数越大，锁紧的过程中产生的应力越大，锁紧所需的力矩也相应增大；
（4）由图7可得，收口参数越大，锁紧力矩随之增长的速度越快，这是因为变形越来越严重，拧入越来越费力。在条件允许的情况下，可以再多设置几个不同的收口参数，得到更多情况下的锁紧力矩值，以得到更加精准的规律；
（5）由图8可得，同规格不收口的螺母中拧入相同螺栓所需力矩最小，拧紧过程中产生的应力也更小，这正是无耳托板螺母具有更加优良的锁紧性能的原因所在；
（6）由表2可得，同一个无耳托板螺母在锁紧的过程中，应力和位移几乎不发生变化，这是螺栓的网格与螺母存在少量的干涉导致的，最后一个分析步应力水平下降幅度较大；
（7）由图9可得，继续增大收口参数，锁紧力矩会继续增大，但同时应力和变形也随之增加，拧入螺栓非常困难，可见收口参数并非越大越好。
3锁紧力矩试验
3.1 试验样品
试验选取编号为4的无耳托板螺母作为试验螺母，螺纹规格为0.25-28UNJF-3B，材料为304不锈钢，表面处理为钝化螺纹干膜润滑。螺栓选用材质为A286的试验螺栓与之匹配。
为确保每组试验件的力矩值的真实可靠性，不因为偶然因素如试件内部损坏或者外界因素导致的误差影响试验，取每种收口参数的无耳托板螺母各3颗，对每个试件测量其锁紧力矩的变化情况。
3个试验件的数据可彼此参考，若离散性太大可重新选取试验件进行试验，过程中对本试验的分散性作出评估，且数据的平均值可以更好地表达锁紧力矩的变化趋势，选取的试验件情况如表3所示。
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3.2 试验结果
按照试验标准和工程的要求，需记录15次拧入拧出锁紧力矩和松脱力矩数据，试验所得锁紧力矩与拧入次数的关系如图所示，松脱力矩与拧入次数的关系如图10所示。
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图10 无耳托板螺母不同收口量对应的锁紧力矩与拧入次数的关系
由图10可知，三种收口量的不同试验件间锁紧力矩有一定的分散性。收口量为0.10mm的无耳托板螺母锁紧力矩随使用次数增加逐渐减小，说明锁紧螺母的性能趋于稳定，收口量为0.05mm的无耳托板螺母次之，收口量为0.15mm的无耳托板螺母锁紧性能最差。
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图11 无耳托板螺母不同收口量对应的松脱力矩与拧出次数的关系
由图11可知，三种收口量的不同试验件的松脱力矩有一定的分散性。收口量0.10mm的曲率最为平缓，说明无耳托板螺母的性能趋于稳定。收口量0.15mm的曲率前5次的松脱力矩下降较为快速，稳定性差。收口量0.05mm的无耳托板螺母曲率变化差异较大，在第14、15次时曲率变化异常。可见收口值为0.10mm的无耳托板螺母力矩值稳定性最好。
九个试验件得到的锁紧力矩值如表4所示。将所得数据导入Excel软件得到锁紧力矩随收口参数的函数关系如图12所示。
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将图12与图7作比较，得出结论：
（1）力矩-收口参数函数曲线的整体趋势是相同的，由图12可观察到随着收口参数的增加，力矩上升速度加快，从侧面说明了力矩不能无限加大；
（2）有限元仿真结果与试验结果存在一定的误差，这是因为本文未进行材料的拉伸试验，与实际材料可能存在差异；
（3）有限元仿真结果和试验结果基本一致，最大误差仅为9.07%，可以期待用有限元仿真代替部分试验研究。
3.3进口与国产化无耳托板螺母对比试验
为验证无耳托板螺母收口量为0.10mm时产生的锁紧力矩在生产装配中的适用性，于是开展了国产与进口无耳托板螺母的对比试验。
首先，将承制厂生产的收口量为0.10mm的国产化无耳托板螺母Q/JXX-0066-4L2与进口的无耳托板螺母分别拉紧在试板上，其中1#、2#、5#、4#为国产化无耳托板螺母，3#、6#、7#、8#为进口无耳托板螺母，然后在试板上进行标记以示区别，如图14所示。
具体操作步骤如下：
（1）首先选取适宜厚度试板；
（2）使用专用的拉紧工具将无耳托板螺母拉紧在试板上；
（3）选取适宜夹层长度的螺栓；
（4）将螺栓拧入无耳托板螺母内；
（5）进行15次拧入拧出试验；
（6）通过操作手感、目视观察，对比进口、国产化无耳托板螺母的差异性。
对比分析安装试验如图14所示。
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图14 国产化与进口无耳托板螺母的对比安装示意图
通过对比安装试验得到结论：
（1）螺栓拧入国产化无耳托板螺母过程中，无耳托板螺母未发生周向转动；
（2）螺栓拧入国产化无耳托板螺母过程中，未发生螺栓拧断现象；
（3）通过操作时的手部感觉，国产化无耳托板螺母与进口无耳托板螺母的操作手感变化相差不大。
4结语
（1）采用abaqus对无耳托板螺母的锁紧过程进行仿真分析，研究不同收口参数对锁紧力矩的影响规律，确定了不同收口参数下 结果表明：
（2）从有限元仿真的角度对无耳托板螺母锁紧进行探究，对网格模型进行材料属性的定义，相互作用、载荷和边界条件的施加，得到应力云图、塑性应变云图和位移云图，最终得出锁紧力矩随收口参数的变化规律。
（3）将有限元仿真得出的锁紧力矩随收口参数的变化规律与试验结果进行对比分析，结果一致性较高，误差在可接受的范围之内，可用有限元仿真替代部分试验。
（4）将进口与改进后的国产化无耳托板螺母进行对比试验，试验表明国产化无耳托板螺母达到了进口无耳托板螺母的水平，可以替代使用。
参考文献
[1] 刘仁志,吴海荣,王华明.TC16钛合金六角自锁螺母加工技术研究[J].飞机设计,2011,31(03):51-54.
[2]王立东,刘风雷,赵庆云.收口量对钛合金自锁螺母锁紧性能的影响[J].航空制造技术,2017(Z2):79-82+87.
[3]董辉跃,唐小波,?何凤涛,刘顺涛.椭圆窝自动化加工技术[J].航空学报, 2016,37(11):3554-3562
[4]王艳忠.弹性极限拧紧技术及其应用[J].汽车工艺与材料,2002(04):37-40.
[5]宫龙颖.ABAQUS接触问题浅析[J].中国煤炭,2009,35(07):66-68.
作者简介:
姓名:曾馨靓,研究生学历,工程师,手机号:13982257553,单位: 航空工业成飞-工程技术部
研究方向: 机体装配标准件应用,常用邮箱:157770199@qq.com