可拆卸式系留接頭裂紋故障分析及設(shè)計改進*

王 雷，胥海量，郭 音

(1.空裝西安局某軍代表室，陜西 西安 710000;2.慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

貨艙系留系統(tǒng)位于飛機貨艙內(nèi)，主要功能為：將貨艙中的行李及其他貨物固定或約束在由攔阻網(wǎng)分割的不同貨艙隔斷中，防止貨物在飛機飛行過程中在貨艙移動影響飛機中心或撞擊系統(tǒng)設(shè)備。貨艙系留系統(tǒng)主要包括貨艙系留接頭和系留支座。貨艙系留系統(tǒng)主要承載貨艙隔斷內(nèi)的貨物在飛機各種情況下產(chǎn)生的載荷，因此，其強度設(shè)計應(yīng)滿足靜強度設(shè)計要求，保證在飛機整個服役期內(nèi)能夠承受貨艙內(nèi)貨物的載荷而不被破壞同時產(chǎn)品在設(shè)計壽命時間內(nèi)承受疲勞循環(huán)載荷而不發(fā)生損傷斷裂[1]。

疲勞與斷裂是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的最主要原因。疲勞破壞由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始，形成損傷并逐漸累積，導致破壞發(fā)生。局部性是疲勞的明顯特點。零、構(gòu)件應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起源。疲勞研究正是這些由幾何形狀變化或材料缺陷等引起的應(yīng)力集中的局部細節(jié)[2]。

按照作用的循環(huán)應(yīng)力的大小，疲勞可以分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。最大循環(huán)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力稱為應(yīng)力疲勞，也稱為高周疲勞；若最大循環(huán)應(yīng)力大于屈服應(yīng)力，則由于材料屈服后應(yīng)變變化大，應(yīng)力變化相對較小，則疲勞控制參量應(yīng)為應(yīng)變，故稱為應(yīng)變疲勞。因為應(yīng)變疲勞作用的循環(huán)應(yīng)力水平較高，故壽命較低，一般小于104，也稱為低周疲勞。

筆者通過對可拆卸式系留接頭疲勞試驗斷裂進行故障分析，得到疲勞試驗故障分析方法及流程，為今后產(chǎn)品疲勞設(shè)計及試驗驗證提供依據(jù)。

1 可拆卸式系留接頭故障描述

可拆卸式系留接頭安裝于座椅接口，作為貨物系留的承力點，與其它系留設(shè)備一起，實現(xiàn)貨物在運輸過程中的系留。

系留接頭產(chǎn)品在進行疲勞試驗過程中，在第150次循環(huán)加載并卸載后拆卸試驗件時試驗件從工裝上意外脫落，隨后進行目視檢查時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中接頭座與工裝安裝處出現(xiàn)變形及裂紋，故障見圖1箭頭所示。

圖1 可拆卸式系留接頭故障示意圖

2 故障定位

以系留接頭“出現(xiàn)裂紋”為頂事件，根據(jù)可拆卸式系留接頭的工作原理，對可能導致其出現(xiàn)裂紋的原因進行故障樹分析，故障樹詳見圖2。

根據(jù)故障樹分析結(jié)果，逐項進行故障排查，排查結(jié)果詳見表1所列。

圖2 故障樹分析示意圖

表1 系留接頭故障定位排查情況

根據(jù)故障樹定位進行斷口失效分析。將接頭沿裂紋處打開，并使用掃描電鏡高倍觀察，斷口源區(qū)微觀形貌為準解理花樣，如圖3所示；擴展區(qū)微觀形貌為準解理花樣，并可見明顯的疲勞條帶特征，如圖4所示；人為打開區(qū)微觀形貌為韌窩花樣，如圖5所示。

圖3 斷口源區(qū)微觀形貌

圖4 斷口擴展區(qū)微觀形貌

圖5 人為打開區(qū)微觀形貌

開裂產(chǎn)品斷口宏觀形貌可見明顯疲勞弧線，微觀形貌可見明顯疲勞條帶特征，且在壽命試驗過程中承受交變載荷，由此判斷開裂產(chǎn)品為疲勞斷裂。此外，開裂產(chǎn)品開裂處側(cè)壁存在明顯外側(cè)塑性變形且僅加載150個循環(huán)，這些現(xiàn)象均符合低周疲勞特性。綜合以上分析，接頭開裂屬于低周疲勞開裂。

確定斷口形成原因，同時對產(chǎn)品在相應(yīng)疲勞載荷工況下進行有限元仿真分析進而進行低周疲勞壽命評估。有限元仿真分析應(yīng)力及塑性應(yīng)變結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)上述仿真分析數(shù)據(jù)可知系留接頭局部產(chǎn)生塑性應(yīng)變且未超過材料斷后伸長率。由此可知，系留接頭在該載荷下不發(fā)生靜強度破壞。而產(chǎn)品斷裂原因是因為存在交變載荷導致系留接頭產(chǎn)生疲勞裂紋。

由于結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下已屈服產(chǎn)生塑性應(yīng)變，應(yīng)采用應(yīng)變—疲勞分析方法對疲勞壽命進行評估。本文采用修正的Manson-Coffin公式計算應(yīng)變疲勞壽命如公式(1)所示[3]：

(1)

疲勞壽命參數(shù)采用中值法相關(guān)取值方法,疲勞強度系數(shù)σf′=1.5σb,疲勞強度指數(shù)b=-0.11,疲勞延性系數(shù)εf′=0.45,疲勞延性指數(shù)c=-0.59。

通過計算疲勞壽命為97次循環(huán)，與150次循環(huán)斷裂結(jié)果一致，接頭為低周疲勞破壞，不滿足750次循環(huán)的壽命要求。

通過以上故障分析可以確定系留接頭座斷裂的故障原因為低周疲勞開裂，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合疲勞壽命設(shè)計要求。

3 設(shè)計改進

由于接頭疲勞壽命不滿足設(shè)計要求，因此分析接頭在疲勞載荷下的傳力特性，對結(jié)構(gòu)進行針對性的改進設(shè)計。

通過對系留接頭載荷分析可知，加載力可以分解為航向力、側(cè)向力和垂向力，針對三種載荷分別進行有限元分析可知造成裂紋故障的分力主要為航向力。故改進設(shè)計主要考慮減小航向力矩及增大航向力作用點接觸面積。

根據(jù)系留接頭承載形式，制定以下改進方案。

(1)增加與接頭座與鎖塊接觸處接頭座寬度，減小接頭與接頭座接觸處接頭座寬度。

(2)鎖塊內(nèi)部與接頭座側(cè)接觸面之間間隙過大，大于鎖塊與底座側(cè)接觸面間隙與接頭座與底座接觸面間隙之和，這使系留接頭被加載時側(cè)向載荷由接頭座底部全部承擔，接頭座與鎖塊之間無傳力關(guān)系。故增加與接頭座與鎖塊接觸處接頭座寬度，減小底座與接頭座接觸處接頭座寬度。

(3)塑性變形及應(yīng)力集中處由傾覆力矩引起，使接頭座前傾、側(cè)翻，圖示圈出位置受較大拉、壓應(yīng)力，故考慮將受力位置改至底座中央，減小力臂。同時加大接頭座與底座接觸面積，并且增大鎖塊與接頭座側(cè)面圓角處接觸面，改善前傾/側(cè)翻時局部應(yīng)力集中的情況。

(4)將前端與鎖鉤接觸受力點整體前移，并模擬實際試驗過程中極限基礎(chǔ)形式，所有接觸調(diào)整至單邊接觸，對出現(xiàn)裂紋接觸點進行修形，將尖邊接觸改為圓弧面接觸，設(shè)計改進如圖7所示。

圖7 設(shè)計改進

4 仿真及試驗驗證

對設(shè)計改進后的系留接頭結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析及疲勞壽命評估。有限元仿真結(jié)果等效應(yīng)力及塑性應(yīng)變云圖如圖8所示。

圖8 改進后等效應(yīng)力及塑性應(yīng)變云圖

不考慮約束區(qū)域應(yīng)力奇異，可知結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力沒有超過材料的屈服強度，未發(fā)生塑性應(yīng)變。采用應(yīng)力壽命法計算接頭壽命。

接頭疲勞載荷譜為脈動循環(huán)，使用Goodman公式修正平均應(yīng)力的影響，得到等效幅值應(yīng)力[4]，計算如式(2)：

(2)

式中：σa為幅值應(yīng)力；σm為平均應(yīng)力；σb為抗拉強度。

接頭材料固溶+時效狀態(tài)下疲勞極限為529 MPa，結(jié)構(gòu)的許用疲勞極限公式如式(3)：

σ-1A=KaKbKcKdKeKfσ-1=307.2 MPa

(3)

式中：Ka為表面系數(shù)；Kb為尺寸系數(shù)；Kc為載荷系數(shù)；Kd為溫度系數(shù)；Ke為可靠性系數(shù)；Kf為混合修正系數(shù)；σ-1為材料旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限；σ-1A為結(jié)構(gòu)疲勞極限。

計算接頭疲勞壽命公式如式(4)：

(4)

通過以上分析計算設(shè)計更改后接頭疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為8.02E+04，試驗要求循環(huán)次數(shù)為750，疲勞壽命分散系數(shù)為1.07E+02，滿足設(shè)計要求。

對更改后結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命試驗，750次載荷循環(huán)后結(jié)構(gòu)完整，性能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

通過故障樹分析定位接頭故障原因，針對故障原因采用有限元仿真及疲勞裂紋斷口失效機理分析定位接頭故障原因為結(jié)構(gòu)設(shè)計不滿足疲勞壽命要求。在此分析基礎(chǔ)上，基于接頭疲勞載荷特性對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改進并對改進后結(jié)構(gòu)進行有限元仿真壽命評估和疲勞試驗驗證，改進結(jié)構(gòu)滿足疲勞壽命要求，改進措施有效。