某機載設(shè)備前端接收機法蘭斷裂原因分析

丁旺生，李永勝，黃 飛

(南京科瑞達電子裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

隨著各軍事強國引領(lǐng)的軍用電子技術(shù)的不斷發(fā)展和作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜、多元化，對軍用電子設(shè)備的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。機載電子設(shè)備在機械環(huán)境適應(yīng)性方面的嚴酷考驗尤為突出，例如會受到飛機在整個服役過程中的氣動載荷、戰(zhàn)術(shù)機動、發(fā)射武器及降落撞擊等產(chǎn)生的強振動和強沖擊作用。耐久振動試驗是其必須進行的環(huán)境考核試驗。機載電子設(shè)備在耐久振動隨機載荷的作用下，結(jié)構(gòu)會由于隨機振動造成疲勞損傷，從而導(dǎo)致疲勞失效，對飛機安全造成威脅。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段，對產(chǎn)品在隨機載荷作用下結(jié)構(gòu)的動強度分析和疲勞壽命預(yù)估具有很高的必要性。

隨機振動疲勞壽命分析方法主要有基于統(tǒng)計計數(shù)的時域分析方法和基于功率譜密度的頻域分析方法[1]。時域法是通過長時間記錄時域內(nèi)應(yīng)力循環(huán)及其幅值、均值，然后進行疲勞計算，工作量大，在工程實踐中難以實現(xiàn)。頻域法是通過CAE軟件進行仿真計算，找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大部位的應(yīng)力功率譜密度(PSD)，結(jié)合應(yīng)力幅值的概率密度函數(shù)，采用損傷累積理論，預(yù)估疲勞壽命。結(jié)構(gòu)隨機振動應(yīng)力響應(yīng)為隨機過程，用基于功率譜密度的頻域法估算疲勞壽命較為方便。趙霞軍[2]預(yù)估機載電子設(shè)備在振動環(huán)境下的疲勞壽命時采用了基于頻域的隨機疲勞分析方法；林明等[3]研究了在不同不規(guī)則因子下，多種頻域疲勞預(yù)測方法的適用性；程侃等[4]針對隨機載荷過程為寬帶和窄帶時基于頻域的疲勞損傷計算模型的準確性進行了對比。

本文研究討論了某機載設(shè)備前端接收機在耐久振動試驗中，法蘭清角槽位置發(fā)生斷裂失效的原因。首先采用化學(xué)及金相組織檢驗的方法對法蘭斷口進行全面分析，并利用ANSYS有限元分析找出了法蘭斷裂的原因。然后，選擇基于功率譜密度的頻域分析法對結(jié)構(gòu)進行壽命預(yù)估，最后對前端接收機法蘭結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計及驗證。

1 故障描述

某機載設(shè)備前端接收機的三維模型如圖1所示。試驗需進行X、Y、Z3個方向的耐久振動，給定的載荷功率譜為寬帶隨機振動，依據(jù)相關(guān)國軍標(biāo)對振動試驗的要求，具體試驗條件見圖2和表1。

表1 隨機振動試驗條件

圖1 前端接收機模型

圖2 耐久振動試驗條件

試驗前先將夾具安裝在振動臺上，然后再將前端接收機通過4顆M5螺釘固定在試驗夾具上。試驗件在X和Z方向各振動7.5 h，Y方向振動6.5 h后，兩側(cè)安裝法蘭清角位置出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，斷裂位置如圖3、圖4所示。斷裂面沿清角槽展開，無明顯塑性變形，表面有黑色粉末。

圖3 前端接收機斷裂位置

圖4 前端接收機斷裂位置示意圖

2 斷裂分析

2.1 理化分析

對斷裂后的法蘭面進行了化學(xué)元素成分、金相組織及斷面形貌的有關(guān)理化分析。

法蘭材料化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示，從表中可以看出該零件材料成分為鋁合金6061。法蘭金相分析結(jié)果如圖5所示，材料組織均勻，未有過燒現(xiàn)象。法蘭斷口形貌如圖6所示，斷面未發(fā)現(xiàn)腐蝕、夾雜等缺陷，但有明顯的疲勞條帶。金相分析結(jié)論為：零件裂紋產(chǎn)生從薄壁處起源，然后通過充分疲勞擴展最終出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(wt%)

圖5 法蘭金相分析

圖6 法蘭斷口形貌

2.2 隨機振動頻域分析理論

功率譜密度函數(shù)(PSD)是穩(wěn)態(tài)隨機過程的頻域描述[5]。使用PSD的譜矩可以獲得其他統(tǒng)計學(xué)特性[6]。一個PSD的n階譜矩定義為：

(1)

結(jié)構(gòu)危險位置的應(yīng)力PSD為：

F(f)=W(f)H2(f)

(2)

式中：W(f)為輸入加速度的功率譜密度；H(f)為應(yīng)力的頻率響應(yīng)函數(shù)；f為頻率。

用式(1)的譜矩來估算隨機響應(yīng)信號峰值頻率E[p]值：

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)對于高斯隨機過程，米塞斯應(yīng)力的統(tǒng)計平均頻率E[p](響應(yīng)信號峰值頻率的期望)計算方法如下：

(4)

在隨機振動時間t內(nèi)，結(jié)構(gòu)危險位置在niσ(i=1,2,3)3個應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：

ni=p(i)f0t

(5)

式中：p(i)為1σ，2σ，3σ對應(yīng)的發(fā)生時間概率。

根據(jù)材料的S-N曲線，可以查出結(jié)構(gòu)在Si應(yīng)力循環(huán)下產(chǎn)生疲勞破壞需要的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ni。

根據(jù)Steinberg提出的三帶寬理論，結(jié)構(gòu)在隨機載荷作用下應(yīng)力的分布時間歷程為高斯隨機過程[7]，三區(qū)間應(yīng)力概率分布見表3。

表3 三區(qū)間應(yīng)力概率分布

疲勞累積損傷理論——Miner線性累積損傷準則[8]應(yīng)用廣泛。Miner準則假定試件受到的總損傷量為：

(6)

該準則假定，試件在總損傷量D=1時發(fā)生疲勞破壞，據(jù)此可以計算出振動疲勞壽命。

2.3 有限元仿真分析

前端接收機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，建立有限元分析模型，對CAD模型進行局部化簡和修正，保留該元件的等效質(zhì)量。前端接收機在試驗中通過4顆螺釘與振動臺連接，仿真中將4個螺栓孔設(shè)置固定約束。

由圖7可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在接收機安裝法蘭根部清角位置，在此情況下的1σ應(yīng)力、2σ應(yīng)力和3σ應(yīng)力分別為10.6 MPa、21.2 MPa和31.8 MPa，均遠小于材料的屈服強度極限180 MPa，可以判斷前端接收機法蘭根部斷裂是由于疲勞損傷而引起的。取法蘭上米塞斯應(yīng)力最嚴重位置作為危險部位進行疲勞壽命分析，其米塞斯應(yīng)力響應(yīng)功率譜密度曲線如圖8所示。

圖7 前端接收機應(yīng)力云圖

圖8 最大應(yīng)力位置米塞斯應(yīng)力功率譜密度曲線

由式(1)計算可以得出前端接收機平均振動頻率為740 Hz(接近其一階固有頻率)，結(jié)合鋁合金6061的S-N疲勞曲線如圖9所示，1σ、2σ應(yīng)力水平下應(yīng)許可循環(huán)次數(shù)N1σ=∞、N2σ=∞。3σ應(yīng)力水平下應(yīng)許可循環(huán)次數(shù)N3σ大約為8.5×105次。根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論，試件在總損傷量D=1時發(fā)生疲勞破壞，由式(4)計算可得前端接收機的耐久振動試件受到的總損傷量D=1.02。有限元仿真分析結(jié)果與實際試驗結(jié)果相符，前端接收機在振動6.5 h后法蘭位置發(fā)生斷裂。

圖9 鋁合金6061 S-N曲線

3 結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)理化分析和基于功率譜密度的頻域分析疲勞壽命計算結(jié)果，前端接收機法蘭的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求，法蘭根部清角位置疲勞損傷的累積是造成法蘭斷裂的主要原因。隨著振動時間的延長，法蘭在隨機載荷作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋充分擴展直到法蘭出現(xiàn)斷裂。法蘭清角位置應(yīng)力水平較高的主要原因為：前端接收機法蘭壁厚為6 mm，清角槽處厚度最小為3 mm，法蘭變截面處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

為了降低前端接收機法蘭清角位置的應(yīng)力水平，根據(jù)結(jié)構(gòu)改進設(shè)計方面的經(jīng)驗和實際的加工工藝可能性，針對相關(guān)不足給出改進措施：將法蘭壁厚由6 mm增加到7 mm，去除清角槽，內(nèi)部倒R2的圓角。改進后三維模型如圖10所示。

圖10 改進后三維模型圖

4 改進方案仿真與試驗驗證

對法蘭改進后的前端接收機進行耐久振動工況下的有限元仿真。除法蘭結(jié)構(gòu)有所改變外，其余結(jié)構(gòu)件均不變。有限元仿真得到的前端接收機應(yīng)力云圖如圖11所示。最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在法蘭兩端倒圓角附近，3σ應(yīng)力為26.7 MPa。由圖可知，1σ、2σ、3σ應(yīng)力水平下應(yīng)許可循環(huán)次數(shù)均為無窮大，此時不會出現(xiàn)疲勞破壞。改進后的前端接收機滿足了機載隨機振動環(huán)境的使用要求。

圖11 改進后前端接收機應(yīng)力云圖

將改進后的前端接收機于實驗室進行了耐久振動試驗，試驗時間從7.5 h提高到9.5 h。試驗結(jié)果表明改進后的前端接收機通過了耐久振動試驗，經(jīng)檢查結(jié)構(gòu)無異常，再次驗證前端接收機結(jié)構(gòu)改進可行有效。

5 結(jié)束語

本文對某機載設(shè)備前端接收機在耐久振動試驗中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象進行了理化和有限元分析，并研究了預(yù)估隨機振動載荷疲勞壽命的頻域分析方法，對前端接收機結(jié)構(gòu)改進前的壽命進行了計算，得到以下主要結(jié)論：

(1) 某機載設(shè)備接收機在耐久振動試驗中，疲勞損傷是引起法蘭斷裂的主要原因；

(2) 基于頻域分析法對接收機壽命的預(yù)估結(jié)果與試驗結(jié)果相符合，證實了該方法的合理性，為后續(xù)電子產(chǎn)品設(shè)計階段對其疲勞壽命的計算提供了有效的理論依據(jù)。