某型導(dǎo)彈前吊掛螺紋損傷強(qiáng)度分析

范東林 阮文輝 李玉雪 郭來軍

（國營洛陽丹城無線電廠，洛陽 471000）

吊掛是導(dǎo)彈與發(fā)射架之間的主要機(jī)械接口。作為導(dǎo)彈的重要結(jié)構(gòu)組成部分，它對(duì)導(dǎo)彈和載機(jī)安全性至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段和使用中，必須充分考慮導(dǎo)彈吊掛的強(qiáng)度（含連接強(qiáng)度）和使用壽命。導(dǎo)彈吊掛的失效形式主要為承受各種復(fù)雜載荷（如掛飛振動(dòng)、機(jī)動(dòng)抖振和沖擊等）后的疲勞失效。吊掛與彈體主要通過焊接、螺紋以及吊掛彈體一體化等方式連接，通常有兩點(diǎn)布置形式和三點(diǎn)布置形式兩種。采用三點(diǎn)布置時(shí)，前吊掛受力較小，通常為輔助吊掛，因此常采用螺紋連接形式。隨著對(duì)導(dǎo)彈性能要求的不斷提高和加工水平的進(jìn)步，中、后吊掛與彈體采用一體化結(jié)構(gòu)成為主流。因?yàn)榍暗鯍炷p或損傷后需要定期更換，所以吊掛和彈體仍然通過螺紋連接，以消除疲勞可能帶來的潛在質(zhì)量隱患，提高可靠性。

1 螺紋連接強(qiáng)度校核

在工程與理論研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)螺紋連接方式的各牙受力不均勻。為提高連接的可靠性，各國對(duì)連接件進(jìn)行了研究并開展了改進(jìn)設(shè)計(jì)[1-2]。理論上，螺紋各牙受力不均勻并不是由加工誤差引起的，根本原因在于螺紋連接實(shí)質(zhì)為多自由度彈簧系統(tǒng)[3]，因此不能簡化為剛體連接。

螺紋連接中除鉸制孔用螺栓在剪切力或扭轉(zhuǎn)力作用下因剪切或擠壓而失效外，其余普通螺栓連接在擰緊時(shí)，螺釘因承受拉力而伸長，導(dǎo)致螺母支承面附近的螺紋承受很大的載荷，且螺母承受的壓縮載荷會(huì)產(chǎn)生同樣的載荷集中效應(yīng)。外載增加時(shí)，螺釘繼續(xù)彈性伸長，使被連接件壓縮變形相應(yīng)減小甚至消失；或因螺釘應(yīng)變超過了彈性極限，由于塑性屈服而產(chǎn)生永久性變形，使預(yù)緊力或夾緊力松弛，導(dǎo)致連接失效（畸變、斷裂以及喪失緊密性等）。當(dāng)循環(huán)變載荷作用在緊連接的螺釘上時(shí)，螺釘會(huì)受到最小載荷為常數(shù)的脈動(dòng)載荷的反復(fù)作用。如果相應(yīng)的應(yīng)力水平過高或者幅值過高，工作中將產(chǎn)生疲勞失效。疲勞是螺紋連接最常見的失效形式之一。疲勞失效常位于螺母的墊圈面、螺紋尾部或頭部與桿部的過渡圓角處。螺紋連接受變動(dòng)載荷時(shí)，也會(huì)使連接中的預(yù)緊力發(fā)生變化，甚至使連接松脫。

1.1 前吊掛螺紋受力分析

在螺紋連接失效中，主要包括螺紋牙失效、螺紋小徑斷裂、螺釘圓柱部分剪切失效以及螺釘頭的破壞等。通常螺紋連接斷裂失效多發(fā)生在螺桿上，需要對(duì)螺桿部分受力進(jìn)行校核，校核公式為：

式中：F為螺桿所受軸向力；d1為螺釘計(jì)算直徑，通常取螺紋小徑。若某型導(dǎo)彈前吊掛未發(fā)生損傷，修理時(shí)需要更換，但設(shè)計(jì)時(shí)已進(jìn)行過校核，將不需要再進(jìn)行計(jì)算。

大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)都要預(yù)緊，目的在于增強(qiáng)連接的剛性、緊密性、防松能力及防止受橫向載荷的螺栓連接滑動(dòng)。擰緊時(shí)，扳手力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩及螺母與被連接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩。當(dāng)取預(yù)緊系數(shù)Q為1.4時(shí)，通常螺紋所受軸向力F與施加力矩T的關(guān)系為：

式中，d為螺紋公稱直徑。

通常施加力矩取理論計(jì)算值的0.8倍作為實(shí)際應(yīng)用的擰緊力矩值。某型導(dǎo)彈前吊掛安裝時(shí)，需要施加一定力矩進(jìn)行預(yù)緊，以確保前吊掛和彈體之間的連接剛度。

1.2 前吊掛連接內(nèi)螺紋受力分析

某型導(dǎo)彈前吊掛用連接螺紋存在螺紋孔端口螺紋損傷現(xiàn)象，主要為螺紋入口處約1/4圈螺紋損傷或損壞。前吊掛連接螺紋結(jié)構(gòu)由受力平面和連接螺紋構(gòu)成，連接螺紋M30×2，其螺紋長度為11.5 mm，約5.75圈，材料為沉淀硬化不銹鋼；控制艙殼體內(nèi)螺紋長度約13 mm，約6.5圈，材料為2124T351。兩者旋合長度11.5 mm，根據(jù)GB 171—1981規(guī)定，屬于中等旋合長度[4]。從強(qiáng)度考慮，一般認(rèn)為承受軸向力的螺紋連接第1圈承受約30%軸向力，前3圈承受約80%軸向力，螺紋旋合長度一般不少于5圈?？梢钥闯觯?圈螺紋在螺紋連接中受力很大，比較重要。從防松方面考慮，第1圈受力較大，對(duì)螺紋連接的預(yù)緊也非常重要。如果第1圈連接失效，可能引起預(yù)緊力或夾緊力松弛，從而導(dǎo)致連接失效。

按照螺紋各牙受力均勻，對(duì)螺紋牙進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]：

式中：Fw為最大軸向外載荷；kz為載荷不均勻系數(shù)，此處kz=0.7；D為內(nèi)螺紋大徑，此處取D=32 mm；b為螺紋牙根部寬度，b=0.87p，p為螺距，此處取p=2 mm，則b=1.74 mm；z為旋合螺紋圈數(shù)，取z=5；h為螺紋牙的工作高度，h=0.541 3p，則h=1.082 6 mm；[τ]為螺紋材料的許用剪應(yīng)力，[σ]w為螺紋材料的許用彎曲應(yīng)力，，取n=1.5，[τ]=0.5[σ]w。

設(shè)計(jì)螺紋時(shí)，一般內(nèi)螺紋設(shè)計(jì)強(qiáng)度低于外螺紋。艙體材料取σs=0.2σp=275 MPa，則 [σ]w=183.3 MPa，[τ]=91.65 MPa。前吊掛靜載時(shí)，承重近1 000 N。掛飛試驗(yàn)時(shí)，取最大過載為9，按螺紋牙受力均勻計(jì)算得出螺紋連接圈數(shù)為5.75圈。該計(jì)算是按螺紋牙均勻受力，每牙承擔(dān)約20%。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般第1牙承擔(dān)30%載荷，按照線性受力計(jì)算可得τ=19.2 MPa，σw=47.1 MPa，其受力仍遠(yuǎn)小于各自的許用應(yīng)力。從內(nèi)螺紋受損情況來看，損傷螺紋約占第1牙的1/4圈，因此即使按照1/4圈全部破壞，由剩余3/4圈來承力，此時(shí)τ=33.6 MPa、σw=62.9 MPa，其受力仍小于各自的許用應(yīng)力，安全系數(shù)分別為2.73和2.91。實(shí)際上，在未發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺紋損傷時(shí)，吊掛可能會(huì)發(fā)生極輕度連接松弛，但在重新按照規(guī)定力矩緊固后，受力螺紋從1/4圈開始向下延展，不會(huì)產(chǎn)生安全問題。

2 前吊掛螺紋連接的有限元分析

對(duì)于普通螺紋，符合牙型角為60°的標(biāo)準(zhǔn)螺紋尺寸，導(dǎo)程與圓周尺寸決定了螺旋線的升角。分析螺紋受力時(shí)，若將螺紋展開，導(dǎo)線為連續(xù)的螺旋線，此時(shí)載荷不能在展開面上均勻施加，對(duì)邊界條件的約束較為困難。因此，在進(jìn)行螺紋連接有限元分析時(shí)，需要對(duì)螺紋連接副進(jìn)行簡化。將螺紋展開，螺紋旋轉(zhuǎn)1圈設(shè)定為一組接觸副。假設(shè)有6組螺紋接觸副，即認(rèn)為螺紋旋合長度為6圈。取1/4模型，假設(shè)左側(cè)實(shí)體為內(nèi)螺紋，右側(cè)實(shí)體為外螺紋，內(nèi)螺紋接地，外螺紋施加1971 N的拉力，運(yùn)算后應(yīng)力云圖如圖1所示，位移云圖如圖2所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

對(duì)于簡化后的螺紋有限元受力，各牙兩端相對(duì)中部較大，存在失真情況，而對(duì)于各牙中部較為一致。分析各牙中部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力可以看出，螺紋各牙非均勻受力，應(yīng)力和應(yīng)變各牙均不相同，而有限元結(jié)果相比式（1）和式（2）計(jì)算數(shù)據(jù)較為保守。由圖1可以看出，各牙受力呈遞減趨勢(shì)，第1牙承受的壓強(qiáng)達(dá)45.2 MPa，至第6牙時(shí)受力減至第1牙的22%，約為10.7 MPa。由圖2可以看出，第6牙位移約為第1牙的3倍。從圖3可以看出，至第6牙時(shí)應(yīng)變減至第1牙的19%。

圖1 螺紋受力應(yīng)力圖（6圈）

圖2 螺紋受力位移圖（6圈）

圖3 螺紋受力應(yīng)變圖（6圈）

當(dāng)螺紋連接圈數(shù)減為5圈時(shí)，由圖4可以看出，各圈螺紋牙受力明顯增大。相比6圈連接，各牙受力相對(duì)均勻，第5牙達(dá)到第1牙的50%。由此可以看出，增加螺紋旋合長度（圈數(shù)），并不能明顯提高螺紋承載力。

圖4 螺紋受力應(yīng)力圖（5圈）

由于前吊掛有效連接圈數(shù)為5.75圈，根據(jù)螺紋受力分析和設(shè)計(jì)要求可以看出，首圈損傷1/4圈時(shí)螺紋牙受力會(huì)下移，即螺紋連接從第1/4圈開始有效旋合圈數(shù)會(huì)減少至5.5圈。從連接螺紋位移量級(jí)來看，螺紋松弛極?。粡氖芰α考?jí)來說，各牙所受應(yīng)力雖然有所增大，但不會(huì)影響前吊掛的連接安全性。

3 結(jié)語

針對(duì)前吊掛連接第1圈內(nèi)螺紋損傷，在損傷不超過3/4圈時(shí)，旋合長度滿足設(shè)計(jì)要求。為使前吊掛前3牙有效承受約80%載荷且不發(fā)生可能存在的裂紋擴(kuò)展，應(yīng)對(duì)損傷第1圈的1/4圈牙進(jìn)行修復(fù)或者剔除，以使剩余螺紋受力有效，避免在使用中發(fā)生螺紋連接松弛，從而保證導(dǎo)彈的安全性。