某型裝備振動試驗結(jié)構(gòu)件斷裂失效分析

李鑒濤 李華霖

摘要：針對某型裝備在延壽科研振動試驗中先后出現(xiàn)轉(zhuǎn)接艙固定面和攝像機(jī)固定支架結(jié)構(gòu)件斷裂失效故障，在剖析裝備結(jié)構(gòu)件發(fā)生失效的原因基礎(chǔ)上，采用疲勞等價原理，結(jié)合產(chǎn)品實際貯存環(huán)境，科學(xué)評估結(jié)構(gòu)斷裂對裝備科研定壽的影響。

關(guān)鍵詞：振動試驗;結(jié)構(gòu)件;斷裂;科研定壽

0引言

振動試驗是考核裝備掛機(jī)飛行耐沖擊能力的重要手段。受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動條件、振動時間和工作特性等因素影響，試驗件在振動過程很容易發(fā)生結(jié)構(gòu)件斷裂等失效故障。如何分析失效原因，科學(xué)給出失效結(jié)論，是分析裝備總體貯存壽命、制定修理措施等的重要依據(jù)。

本文采用常規(guī)失效分析手段，在對斷裂材料開展成分、斷面、金相、硬度等手段分析基礎(chǔ)上，針對武器裝備實際使用特點，同時采用疲勞等效分析原理，外推產(chǎn)品振動條件、斷裂時機(jī)與貯存壽命的關(guān)系，最終科學(xué)評估斷裂失效對產(chǎn)品實際掛機(jī)使用的影響結(jié)論。

1試驗過程與結(jié)果

1.1試驗背景及條件

為科學(xué)評估某型裝備的貯存壽命，對其進(jìn)行延壽科研試驗。按照總體試驗大綱要求，在裝備機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行貯存加速試驗達(dá)到16年貯存壽命時，需提取1套樣品恢復(fù)成整彈，進(jìn)行測試和環(huán)境適應(yīng)性試驗。通過試驗和采取必要的修理措施，確認(rèn)各機(jī)電產(chǎn)品貯存壽命能否滿足16年貯存壽命的要求，并驗證修理措施的正確性。其中振動試驗振動時間為1h，試驗譜型如圖1，試驗量值如表1。

1.2試驗結(jié)果

在振動試驗中，采用在振動夾具上安裝控制傳感器的控制方式，振動夾具的安裝如圖2所示。

在振動試驗進(jìn)行到4min時，發(fā)現(xiàn)該型裝備的導(dǎo)引頭與戰(zhàn)斗部轉(zhuǎn)接艙固定面發(fā)生斷裂，如圖3所示。

更換轉(zhuǎn)接艙后，根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)特點更改控制方式，在裝備的頭部和尾部增加傳感器控制點，重新進(jìn)行振動。

在振動試驗進(jìn)行到約50min時，發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)逐漸向下傾斜;在進(jìn)行完1h的隨機(jī)振動后，在測試中發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)不受控制，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)安裝攝像機(jī)的支架發(fā)生斷裂，導(dǎo)致無法控制攝像機(jī)運動，斷裂情況如圖4所示。

2失效分析與討論

通過對發(fā)生斷裂的部件材料進(jìn)行外觀、成分、、金相、斷面、硬度等分析和測定，結(jié)合實際的力學(xué)狀態(tài)分析斷裂原因。

2.1外觀檢查

對斷裂樣品的表面及外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)兩個斷裂部件的表面都涂有油漆，油漆層保持完好，材料表面沒有氧化、腐蝕現(xiàn)象。但在試驗前檢查時兩處連接處均無裂紋、變形等缺陷。

2.2成分分析

斷裂樣品的化學(xué)成份分析結(jié)果如表2所示，通過光譜分析可知轉(zhuǎn)接艙的材料為ZL101，攝像機(jī)固定支架的材料為ZL102。

2.3斷面分析

轉(zhuǎn)接艙斷面如圖5所示，斷口表面沒有規(guī)律性，呈脆性閃光小面狀，從斷面情況分析，屬脆性斷裂，斷面沒有異常的鑄造缺陷。

攝像機(jī)固定支架的斷面如圖6所示，斷面表面平滑，可看到疲勞源區(qū)和瞬間破斷區(qū)，斷裂邊緣有嚴(yán)重的變形和損傷痕跡，呈強(qiáng)力變形后斷裂的特征。從斷面分析結(jié)果，試樣屬疲勞斷裂，斷面沒有異常的鑄造缺陷。

2.4金相分析及硬度檢驗

對轉(zhuǎn)接艙進(jìn)行金相分析，通過拍攝金相顯微組織圖譜進(jìn)行分析、比對，其組織形貌如圖7所示。該鑄造鋁合金經(jīng)過變質(zhì)處理，顯微組織為樹枝狀均勻分布的a（A1）初晶和短條狀基體與硅形成的（a+ Si）共晶，在高放大倍數(shù)下可清楚地看到大部分共晶硅呈短條狀，針狀者則為β（A19Fe2Si2）相。由于a（A1）枝晶和（a+Si）共晶的晶粒較大，因此該材料力學(xué)性能不高。經(jīng)檢測，該鑄件斷口附近的硬度在41.9HB左右。

對攝像機(jī)固定支架進(jìn)行金相分析，通過拍攝金相顯微組織圖譜分析、比對，其組織形貌如圖8所示，該鑄造鋁合金經(jīng)過變質(zhì)處理，顯微組織為樹枝狀均勻分布的a（A1）初晶和短條狀基體與硅形成的（a+Si）共晶，提高放大倍數(shù)，可看出共晶硅晶粒甚為細(xì)小，使該材料力學(xué)性能有所提高。經(jīng)檢測，該鑄件斷口附近的硬度在64.2HB左右。

2.5力學(xué)分析

在第一次振動試驗過程中，轉(zhuǎn)接艙7個螺栓連接部位都出現(xiàn)斷裂，斷裂處是艙段之間的應(yīng)力集中點，斷裂面呈月牙型。根據(jù)理化分析結(jié)果，斷裂處沒有發(fā)生塑性變形，應(yīng)是由于振動產(chǎn)生的應(yīng)力超過連接艙體材料的強(qiáng)度極限而引起的突然脆性斷裂失效。

在第二次在振動試驗中，裝備一直處于通電狀態(tài)，裝備目標(biāo)鎖定機(jī)構(gòu)使攝像機(jī)保持恒定姿態(tài)，由于在振動試驗過程中產(chǎn)生較大慣性力致使攝像機(jī)固定支架長時間承受較大交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂失效。

該疲勞斷裂失效發(fā)生在試驗時間50min，根據(jù)疲勞等價原理可推算出該型裝備經(jīng)歷50min功能振動的等效掛飛壽命約為25h，計算過程如下：

1）設(shè)裝備的功能振動量值為W₁，耐久振動量值為W₂，且W₂=1.6 W₁。根據(jù)Miner線性損傷原理，疲勞等價關(guān)系為：（W₂/ W₁）⁴=T₁/T₂。式中：T₁為W₁條件下的試驗持續(xù)時間，T₂為W₂條件下的試驗持續(xù)時間。

2）已知T₁=5 0min，W₂=1.6 W₁，則可推算出T₂=7.63 min，即在功能振動試驗條件下經(jīng)歷50min試驗等效于在耐久振動試驗條件下經(jīng)歷7.63min試驗。

3）已知當(dāng)試驗樣品等效掛飛時間為150飛行小時時，如果耐久振動試驗量值為功能振動量值的1.6倍，耐久試驗持續(xù)時間等效為46min。根據(jù)Miner線性損傷原理可得出，經(jīng)歷50min功能振動的等效掛飛壽命為：150×7.63/46=25飛行小時。

3分析結(jié)論

通過上述分析結(jié)果可知，該枚電視制導(dǎo)裝備轉(zhuǎn)接艙、攝像機(jī)固定支架發(fā)生斷裂的結(jié)論如下。

1）通過對故障部位材料進(jìn)行理化分析，材料表面無銹蝕、氧化、裂紋等缺陷，表明長期貯存對故障部位的結(jié)構(gòu)材料性能無明顯影響;

2）轉(zhuǎn)接艙斷裂為脆性斷裂，是由于試驗過程中振動控制不當(dāng)所引起。在第一次的振動中，轉(zhuǎn)接艙斷裂區(qū)域為兩艙段之間的連接部分，斷裂面呈月牙型，是艙段之間的應(yīng)力集中點，結(jié)合艙段之間的7個連接耳都出現(xiàn)斷裂，說明此類斷裂不是偶然的，是群體性發(fā)生的，是因為連接耳材料在大應(yīng)力作用下，經(jīng)受不住強(qiáng)度要求而產(chǎn)生斷裂。

斷裂處沒有發(fā)生塑性變形，屬于彈性畸變失效。在試驗中，由于轉(zhuǎn)接艙離振動夾具固定部位較遠(yuǎn)，力臂較長，振動量級及振幅隨臂長增加而成倍放大，使應(yīng)力集中在導(dǎo)引頭與戰(zhàn)斗部過渡的梯形艙段，應(yīng)力和振幅超過了材料許用上限，產(chǎn)生彈性畸變失效。在樣品修復(fù)后重新投入試驗并改變控制方式后，轉(zhuǎn)接艙未再發(fā)生斷裂，表明轉(zhuǎn)接艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足掛飛振動要求。

3）第二次試驗中，改變控制點的位置，在裝備上的各點安裝控制點，對整體進(jìn)行控制，使導(dǎo)引頭、彈身及尾艙的振幅保持在一定的范圍內(nèi)，這樣振動過程中可一定程度上限制力臂的放大作用。第二次振動過程中的測量數(shù)據(jù)表明力臂的放大作用減小了，但并不能完全的消除此類放大作用，在裝備的兩端位置振動量級還是超過了試驗規(guī)定的振動量。在第二次振動試驗中，裝備一直處于通電狀態(tài)，陀螺穩(wěn)定平臺通過陀螺使攝像機(jī)保持平衡，攝像機(jī)固定支架受到陀螺的穩(wěn)定力矩，同時也受振動過程中振動產(chǎn)生的抗力，振動中的抗力被放大，材料所受的載荷變大，超出了材料正常使用應(yīng)力，材料在長時間大載荷作用下，疲勞壽命將大大縮減，所以造成支架在大約50min時，產(chǎn)生疲勞斷裂。

4）該型裝備掛飛壽命要求為20飛行小時，該型裝備經(jīng)歷50min功能振動試驗未發(fā)生故障的等效掛飛壽命為25飛行小時，表明經(jīng)歷長期貯存后裝備仍能滿足掛飛環(huán)境下的壽命要求，該型裝備能夠滿足貯存16年的壽命要求。

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