某型飛機鎖銷斷裂問題分析

趙洪甲 時旭東

摘要：故障件鎖銷是飛機減速傘系統(tǒng)的一個重要部件，它安裝在減速傘艙門的轉(zhuǎn)臂上。當飛機著陸放傘時減速傘艙門開啟，開啟到合適角度時鎖銷沿滑軌進入限動孔內(nèi)，給減速傘艙門起限動、鎖定作用，防止減速傘艙門回彈。與此同時，減速傘鎖鉤開啟飛機放出減速傘，為飛機減速。本次研究旨在通過有限元的分析方法，利用ANSYS軟件進行建模分析，分析鎖銷斷裂的原因。通過ANSYS軟件的后處理過程，提取位移值、Y方向應力值、Von-miss應力值，并進行對比得出鎖銷過渡區(qū)應力集中的結(jié)論。優(yōu)化設(shè)計改進，在鎖銷過渡區(qū)增加相應的倒角，再次進行有限元分析，重新進行建模計算。通過增加倒角前后得出位移值、Y方向應力值、Von-miss應力值的對比，進一步驗證來檢驗增加倒角的可行性和必要性。從而通過增加倒角優(yōu)化設(shè)計的方式，解決實際修理中的一起鎖銷斷裂的故障。

關(guān)鍵詞：飛機;鎖銷;斷裂;有限元;ANSYS軟件

0 引言

某型飛機減速傘系統(tǒng)上的鎖銷是減速傘系統(tǒng)的一個重要部件，它安裝在減速傘艙門帶鎖銷的轉(zhuǎn)臂上。當飛機著陸放傘時減速傘艙門開啟，開啟到合適角度時鎖銷沿滑軌進入限動孔內(nèi)，給減速傘艙門起限動、鎖定作用，防止減速傘艙門回彈。與此同時，減速傘鎖鉤開啟飛機放出減速傘，為飛機減速[1]。

鎖銷由高強度鋼整體機加而成，其整體由三段組成，三段的直徑分別為Φ6mm、Φ8.5mm、Φ4.8mm總長度為46mm，其中Φ6段長13mm，Φ8.5段長6mm，Φ4.8段長27mm，Φ8.5mm段還有一M4mm的螺紋孔用于安裝撥桿。鎖銷構(gòu)件的粗糙度除Φ8.5mm部分為1.6外，其余為3.2。一般尺寸公差按HB5800。熱處理σb=1175±100MPa，表面處理D·YCrT2·CH（除螺紋）。

1故障件的金相分析

1.1 檢查試驗

使用ZEISS體視顯微鏡對斷口兩側(cè)進行檢查，發(fā)現(xiàn)斷口一側(cè)有明顯損傷和較粗糙加工刀痕，其余位置未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，兩側(cè)斷面均有光亮區(qū)，斷口中間部位呈深暗色并有明顯裂紋走向，區(qū)別明顯。

1.2 分析討論

根據(jù)檢驗試驗可知，中間深暗色部位斷裂起源于中央深色區(qū)裂紋呈收斂位置，呈現(xiàn)過載斷裂特征，表面?zhèn)鄄课粸樽詈笏矓鄥^(qū)，表面?zhèn)蹖υ斐蓴嗔延绊懖淮?斷口兩側(cè)光亮區(qū)為磨損區(qū)，根據(jù)斷口受力可知，鎖銷長期受雙向交變載荷，斷口處于鎖銷連接過渡區(qū)，較強的應力集中造成線源裂紋擴展。根據(jù)減速傘系統(tǒng)的組成及工作原理分析可看出，鎖銷斷裂處在系統(tǒng)中主要承受剪切載荷的作用且鎖銷變截面的過渡區(qū)存在應力集中的現(xiàn)象，是導致裂紋產(chǎn)生的原因。

2 故障件的有限元分析

2.1鎖銷的有限元模型簡化

本次故障件鎖銷由于其Φ8.5mm段在殼體內(nèi)，受到殼體對其橫向的約束即垂直于鎖銷軸向的約束，使其在橫向內(nèi)無法產(chǎn)生相對運動，而鎖銷工作時受彈簧的作用其在軸向也不發(fā)生相對運動，同時鎖銷Φ6mm段受到剪切載荷的作用，在Φ6mm段和Φ8.5mm段的交界處應力最大，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。鎖銷的受力和受約束的情況和懸臂梁的受力和受約束情況極為相似，由此可以將鎖銷的有限元分析過程簡化為一懸臂梁的有限元的分析過程。

2.2建立鎖銷的有限元模型

單元類型是在網(wǎng)格劃分時使用的單元形式，鎖銷的結(jié)構(gòu)可近似為階梯軸，因此選取Solid187單元對鎖銷進行模型建立。Solid187單元是一種三維高階具有十個節(jié)點的四面體固體結(jié)構(gòu)單元，其每個節(jié)點都有X、Y、Z方向上的平面自由度。由于鎖銷的材料為30CrMnSiA因此在ANSYS材料性能參數(shù)欄中分別設(shè)置其彈性模量和泊松比為：196GPa、0.28。設(shè)置完成后生成有限元模型[2]。

對建立好的有限元模型進行網(wǎng)格劃分。選擇菜單欄Main Menu→Preporcessor→Meshing→Mesh Tool命令，選中“Free”單選對話框單擊“Mesh”按鈕，在彈出的對話框中選擇鎖銷實體模型，即可對鎖銷進行自由網(wǎng)格劃分。

2.3施加約束和載荷

對構(gòu)件施加5000N均布載荷，分別提取在5000N均布載荷構(gòu)件的幾何位移圖、總位移云圖、von-miss應力云圖及局部應力提取值。

施加5000N的均布載荷后得出的位移值、Y方向應力值、Von-miss應力。從表中的位移值、Y方向應力值、Von-miss應力看出鎖銷兩端面根部的值最大，產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象，而此處也恰好是故障件鎖銷斷裂的地方。這和本文第1章中對故障件進行金相分析得到的結(jié)果相吻合即“撥桿發(fā)生斷裂的原因是撥桿結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域由于應力集中長期受交變載荷和加工刀痕產(chǎn)生微裂紋進而產(chǎn)生疲勞斷裂，疲勞斷裂到一定程度，瞬間的受力會使零件應力過大進而產(chǎn)生過載斷裂。”

由此原因采納金相分析中給出的建議，優(yōu)化鎖銷結(jié)構(gòu)設(shè)計，在過渡區(qū)增加小倒角圓弧。

2.4 過渡區(qū)增加倒角的分析

對鎖銷過渡區(qū)增加0.2mm倒角，重新建立模型、網(wǎng)格劃分、施加自由度約束。施加3000N的均布載荷后得出的位移值、Y方向應力值、Von-miss應力，

從表中得出的位移值、Y方向應力值、Von-miss應力可以看出，對變截面過渡區(qū)增加倒角后施加相同的均布載荷的情況下，應力集中現(xiàn)象得到了緩解，且隨著倒角的不斷增大應力集中現(xiàn)象得到的緩解程度也更好。

3 結(jié)束語

本文利用了ANSYS軟件對斷裂的鎖銷進行了詳細的有限元分析，通過對鎖銷進行建模、網(wǎng)格劃分、施加約束和施加不同程度的均布載荷，得出原鎖銷的設(shè)計中過渡區(qū)未設(shè)置倒角，導致過渡區(qū)部位應力的集中，在尖端承受均布載荷的情況下過渡區(qū)部位的位移值、Y方向應力值、Von-miss應力值相對較高，長期作用易導致過渡區(qū)端面的疲勞斷裂。

在優(yōu)化設(shè)計改進后即對過渡區(qū)增加倒角后從有限元分析的結(jié)果可以明顯的看出。對比未增加倒角的設(shè)計渡區(qū)部位的位移值、Y方向應力值、Von-miss應力值明顯降低，應力集中現(xiàn)象有了明顯的改善，抗疲勞的性能得到了改善。

參考文獻：

[1] 楊晨. 受閱方隊和武器裝備一瞥[J]. 祖國，2015， （9）.

[2] 王中要. 基于ANSYS的梁結(jié)構(gòu)有限元分析 [J]. 公路，2009，（7）.

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