軍用循環(huán)包裝箱金屬卡扣的壽命分析與仿真

杜雨芳，游藩，徐煒峰，劉卉＊，高靜

（1. 中國包裝科研測試中心，天津 300385；2. 中國人民解放軍32382部隊，北京 430311）

根據(jù)航空、軍用裝備器材的性能和使用方式，部分裝備器材交付使用后，在使用、倉儲等期間，對部分貴重部件、器材按照規(guī)定途經(jīng)和要求對航空器材、軍用裝備等送修返修[1]，在此情形下，航空、軍用裝備器材等在其壽命期內(nèi)，可能需要多次搬運、轉(zhuǎn)運、倉儲、使用，其配套包裝也應(yīng)滿足多次循環(huán)使用的需求。為確保裝備、器材等在運輸、轉(zhuǎn)運、倉儲過程中的安全與可靠性，評估配套循環(huán)包裝的可靠性是重要的保障工作。循環(huán)包裝的可靠性涉及一整套包裝系統(tǒng)的可靠性，本文從某循環(huán)包裝箱的金屬部件著手，評估金屬部件壽命是否能滿足循環(huán)包裝箱的可靠性需求。

本文以某軍用器材循環(huán)包裝箱的金屬部件——卡扣為研究對象，分析卡扣在安裝、拆卸過程及工作狀態(tài)下的工作原理，對卡扣進行應(yīng)力分析，計算壽命，同時利用有限元分析軟件ANSYS Workbench模擬卡扣的裝卸過程，得到卡扣的壽命，以評估是否滿足循環(huán)使用需求及循環(huán)使用中的可靠性。

1 循環(huán)包裝箱金屬部件工作原理介紹

某軍用戰(zhàn)備器材某型包裝箱（圖1）為配合戰(zhàn)備轉(zhuǎn)運等需求，包裝箱要完成反復拆裝50次以上，即金屬件卡扣需滿足循環(huán)使用至少100次，箱體主要由四個側(cè)面、底座、頂蓋六部分構(gòu)成，包裝箱正常使用狀態(tài)下四個側(cè)面、頂蓋之間由卡扣（圖2）連接固定。為確保包裝箱循環(huán)使用中的可靠性，對該型號包裝箱用量最多的金屬部件——卡扣進行可靠性評估，計算卡扣的使用壽命。

圖1 循環(huán)包裝箱

圖2 卡扣

該包裝箱卡扣在未安裝時約為85°角，采用65Mn彈簧鋼加工而成，在卡扣壽命期內(nèi)要滿足反復拆裝100次以上不發(fā)生永久變形，且使用過程中卡扣無裂紋產(chǎn)生?？鄣墓ぷ髟砣缦拢?/p>

安裝時先卡緊短邊，再按壓長邊以卡在底座上固定，工作狀態(tài)下保持90°，卡扣兩側(cè)張緊；拆卸時由外力翹起長邊，卸離底座（圖3）。因底座固定于箱體上，在包裝箱循環(huán)使用中不存在反復拆卸情況，本文僅考慮卡扣的疲勞情況與壽命。

圖3 卡扣安裝拆卸與工作示意圖

2 卡扣載荷分析與計算

卡扣在安裝或拆卸中受到足夠大的力才能實現(xiàn)安裝或拆卸，實測安裝拆卸過程需要50-75N，考慮實際操作中拆卸的一些不確定因素，拆卸力考慮冗余量，拆卸力為150N，在正常工作中卡在兩個梁邊緣，呈張緊狀態(tài)，受力約為40-50N。工作狀態(tài)下卡扣的三個角（圖4）α1=α2=α3=90°，在工作條件下，拐點應(yīng)力由兩部分產(chǎn)生：彎矩和剪切力（或正向拉力）。

圖4 卡扣工作狀態(tài)受力示意圖

卡扣在反復安裝、拆卸、卡緊狀態(tài)下，卡扣拐點c是主要關(guān)注點，無論何種工作狀態(tài)，該點都是主要受力點，按照疲勞壽命計算基本法[2]中局部應(yīng)力——應(yīng)變法，若一個構(gòu)件危險區(qū)的應(yīng)力——應(yīng)變歷程與一個光滑試件的應(yīng)力——應(yīng)變歷程相同，則壽命相同[3]，卡扣整體疲勞情況以該點做參考?？酃拯cc處應(yīng)力σ由彎矩與正向拉力產(chǎn)生，保守估計為兩者之和，σ=σb+σs，卡扣橫截面為矩形面，慣性矩為I=bh3/12，剪切力或正向力的應(yīng)力=F/A，b點彎矩Mb=Fl+Ma，c點彎矩Mc=Fl+Mb，經(jīng)計算，卡扣工作狀態(tài)下的應(yīng)力：

代入卡扣相關(guān)數(shù)值，得到應(yīng)力σ=136Mpa。

在該模型中，安裝、拆卸過程相似，安裝完畢瞬間與拆卸開始瞬間過程受力狀態(tài)基本一致，卡扣在安裝或拆卸中的中間受力情況，以安裝或拆卸即將呈現(xiàn)工作狀態(tài)的瞬間受力最大，因此以工作狀態(tài)相似的瞬間計算，得到表1中卡扣在安裝、拆卸、工作中的受力和應(yīng)力值。卡扣在壽命周期內(nèi)反復拆裝，出現(xiàn)裂紋或永久變形則到達壽命極限，整個過程建立疲勞模型，考慮卡扣表面處理、表面質(zhì)量、尺寸效應(yīng)等因素，根據(jù)《應(yīng)力集中系數(shù)手冊》等資料選擇應(yīng)力集中系數(shù)Kt=2.2，疲勞因子f=1.21，得到疲勞因素影響下的應(yīng)力值[σ]=σ＊f＊Kt，并繪制工作中的應(yīng)力譜（圖5）。

圖5 卡扣工作應(yīng)力譜

表1 卡扣應(yīng)力值

3 疲勞壽命與損傷分析

卡扣重復安裝、拆卸、工作的過程載荷循環(huán)往復，根據(jù)卡扣工作應(yīng)力圖譜歸結(jié)該模型為低周疲勞損傷模型，該過程載荷應(yīng)力能夠引起卡扣材料力學性能劣變，產(chǎn)生疲勞累積損傷，根據(jù)Palmgren-Miner線性積累損傷準則[4]，卡扣疲勞損傷D為使用應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)n與該應(yīng)力下材料疲勞壽命N的比，公式為：

卡扣設(shè)計壽命n=100次，根據(jù)卡扣材料的S-N曲線（圖6），疲勞因素下的應(yīng)力值為724Mpa，log（7.24＊108）=8.9，對應(yīng)logN=2.6的疲勞壽命N=398次，D=n/N=0.25，考慮疲勞中散射因素，D=n/N＊2=0.5，D＜1，符合低周疲勞損傷理論。因此理論計算卡扣的使用壽命為398次。

圖6 結(jié)構(gòu)鋼的S-N曲線

4 卡扣疲勞仿真模擬

卡扣的工作狀態(tài)按準靜態(tài)分析，由圖5卡扣應(yīng)力譜可得知，在卡扣安裝或者拆卸時受應(yīng)力最大，結(jié)合實際使用情況，在安裝和拆卸情況下最容易發(fā)生疲勞或者永久變形，因此在有限元仿真時主要考慮該工況下的疲勞，以安裝或拆卸瞬間最大力情況加載載荷，以模擬卡扣的疲勞工況。

將已有的卡扣數(shù)模導入到ANSYS Workbench軟件中，建立Static Structure模型?？鄄牧蠟?5Mn彈簧鋼，表2是相關(guān)材料參數(shù)，導入到材料庫中，并在Model中賦予卡扣材料屬性。

表2 材料參數(shù)

卡扣結(jié)構(gòu)特點為長寬方向遠大于厚度方向，在模擬卡扣時，將卡扣作為殼單元處理，因此在對卡扣進行網(wǎng)格劃分時，首先進行抽中面處理，然后賦予卡扣實際厚度1.5mm的數(shù)值，再對卡扣的殼做網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格以四邊形為主（圖7），網(wǎng)格質(zhì)量中等。

圖7 卡扣網(wǎng)格劃分

按照前文對卡扣工作情況的分析，卡扣在安裝或拆卸時受力最大，瞬間工況為長邊一側(cè)受力，因此為卡扣長邊邊緣添加載荷，以最嚴酷狀態(tài)下即載荷最大150N加載集中力；然后再為卡扣添加約束，以短邊一側(cè)固定添加固定約束，完成卡扣模型前處理，并進行solve運算。

運行模型結(jié)束后，在Solution中添加應(yīng)力、應(yīng)變，以及fatigue tool。再次運行后得到應(yīng)力、應(yīng)變、壽命云圖（圖8），拐點附近卡扣有應(yīng)力集中發(fā)生，且拐點處應(yīng)變最大，該處容易發(fā)生疲勞損傷，與力學分析基本一致。根據(jù)云圖，所受的最大應(yīng)力為837Mpa，應(yīng)變最大處及損傷易發(fā)生處，壽命為377次。

圖8 卡扣應(yīng)力、應(yīng)變、壽命云圖

受力分析計算得到卡扣所受的最大應(yīng)力為724Mpa，與仿真模擬結(jié)果的應(yīng)力值837Mpa接近，約15%的誤差，壽命數(shù)值接近，仿真結(jié)果趨勢與分析一致。

5 結(jié)論

本文經(jīng)過對卡扣安裝、拆卸、工作狀態(tài)下應(yīng)力情況分析，應(yīng)用低周疲勞模型對卡扣的使用壽命進行計算，得到卡扣的使用壽命為398次；同時對卡扣進行有限元仿真計算，模擬卡扣準靜態(tài)下安裝或拆卸工況，得到卡扣的應(yīng)力、應(yīng)變以及疲勞壽命377次。結(jié)合計算與仿真分析比對，兩者應(yīng)力與壽命接近，得到卡扣的疲勞可靠性可以滿足使用需求。

因此，循環(huán)包裝箱的金屬部件——卡扣在安裝、拆卸和工作狀態(tài)下，疲勞強度滿足使用要求，使用壽命300次以上，能夠滿足可循環(huán)包裝箱循環(huán)拆卸50次，卡扣反復拆卸100次的使用要求，金屬部件的可靠性能夠達到包裝箱系統(tǒng)循環(huán)使用要求的可靠性。