基于有限元的方向舵分配機(jī)構(gòu)延壽技術(shù)研究

黃 興，劉文波

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

正常情況下，飛機(jī)的壽命與飛行使用時(shí)間有關(guān)，在飛機(jī)飛行時(shí)間達(dá)到既定總壽命時(shí)，飛機(jī)需要退役。對(duì)到壽后的裝備適當(dāng)進(jìn)行一定時(shí)間的延壽使用，可以有效的節(jié)省大量使用成本，發(fā)揮裝備的剩余價(jià)值[1]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)機(jī)載部附件定延壽提出了多種方法，通常采用廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法、領(lǐng)先使用法、外場(chǎng)信息法、工程分析法等[2-4]，以上方法在機(jī)載部附件延長(zhǎng)壽命的工程應(yīng)用中得以實(shí)踐，而且取得了豐碩的科研成果[5]。張百勇和劉凱[6]針對(duì)到壽后裝備存在的問題，分析了國(guó)內(nèi)外武器裝備延壽現(xiàn)狀和技術(shù)方法；蔣海濱和鄧?guó)橻7]對(duì)武器裝備延壽意義和開展方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；李久祥[8]對(duì)裝備的貯存延壽技術(shù)途徑進(jìn)行了解析；祝學(xué)軍[9]等探究了戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的貯存延壽工程基礎(chǔ)；馮志剛[10]等分析了國(guó)外導(dǎo)彈加速老化試驗(yàn)的現(xiàn)狀。但上述延壽方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果僅選取以上一種或兩種方法來論證延壽的可行性、制定延壽指標(biāo)，提供定壽依據(jù)有一定的局限性[11]。

某型方向舵分配機(jī)構(gòu)延壽研究是飛機(jī)延壽研究的重要組成部分，殼體作為方向舵分配機(jī)構(gòu)的核心組件，長(zhǎng)期處于高壓、周期性液壓脈沖載荷的使用工況，易發(fā)生疲勞損傷，直至裂紋失效，直接影響方向舵分配機(jī)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)。探索殼體應(yīng)力集中的薄弱部位，預(yù)估其剩余壽命，對(duì)于某型飛機(jī)的成功延壽具有重要意義。王占林[12]對(duì)液壓泵缸體建立運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及性能分析數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其求解并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化；宋起躍[13]對(duì)斜盤型軸向柱塞泵的柱塞副進(jìn)行了受力分析和實(shí)例計(jì)算，但均未開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或者仿真分析，無法獲取缸體在實(shí)際工況下的疲勞損傷規(guī)律；徐斌[14]將試驗(yàn)應(yīng)力分析與有限元應(yīng)力分析相結(jié)合，將應(yīng)力幅值應(yīng)用到疲勞分析中，對(duì)輪圈開展了全壽命疲勞分析；林旺陽(yáng)[15]基于有限元和nCode疲勞分析軟件對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行疲勞可靠性分析，得到傳動(dòng)軸的疲勞壽命圖。

當(dāng)前，針對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)殼體的延壽方法存在諸多局限，疲勞壽命分析案例較少，提出了基于有限元分析和細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)的殼體疲勞壽命評(píng)估方法，預(yù)測(cè)其延壽目標(biāo)的可達(dá)性。首先對(duì)殼體建立有限元模型、開展靜強(qiáng)度仿真，獲得最大應(yīng)力的安全裕度；其次，應(yīng)用DFR方法對(duì)殼體的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，得出延壽目標(biāo)的可達(dá)性；最后開展實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證所提殼體疲勞壽命估算方法的正確性，為機(jī)載液壓產(chǎn)品殼體壽命分析和延壽研究提供參考。

1 延壽總體思路

目前，常用延壽方法為廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法、領(lǐng)先使用法、外場(chǎng)信息法、工程分析法等，這些方法已應(yīng)用于延壽的工程實(shí)踐，并且取得了大量的研究成果。但上述延壽方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要存在以下問題：一是廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法具有試驗(yàn)效率高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于需要盡量模擬實(shí)際的外場(chǎng)環(huán)境及可能出現(xiàn)的故障模式，存在試驗(yàn)費(fèi)用高，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等問題，故廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法只能用于少數(shù)關(guān)鍵機(jī)載產(chǎn)品的壽命評(píng)估；二是領(lǐng)先使用法沒有明確判據(jù)，靠經(jīng)驗(yàn)延壽，安全風(fēng)險(xiǎn)大；三是由于可靠性工作在我國(guó)開展較晚，維修保障模式長(zhǎng)期沿用國(guó)外方法，信息收集并沒有引起足夠的重視，外場(chǎng)信息法存在未知因素多(基本可靠度與規(guī)定失效率等因素未知)、樣本數(shù)少、產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期內(nèi)耗損失效數(shù)少，計(jì)算出的結(jié)果參考價(jià)值低等問題，所以外場(chǎng)信息法開展較難；四是工程分析法具有節(jié)約經(jīng)費(fèi)、費(fèi)時(shí)短、數(shù)據(jù)量要求低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在確定的壽命值過于保守等缺點(diǎn)。如果僅選取以上一種或兩種方法來論證延壽的可行性并制定延壽指標(biāo)，提供定壽依據(jù)有一定的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型時(shí)的壽命參數(shù)，綜合使用廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法、外場(chǎng)信息法、工程分析法等來進(jìn)行壽命論證，才能達(dá)到理想的結(jié)果。

針對(duì)現(xiàn)有延壽方法的優(yōu)勢(shì)與不足，結(jié)合某型方向舵分配機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種延壽綜合決策方法(圖1)，在確定產(chǎn)品重要度分類、維修方式以及作為有壽件控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)檢查法評(píng)估產(chǎn)品延壽潛力，相似法確定延壽目標(biāo)值，應(yīng)用薄弱環(huán)節(jié)法延長(zhǎng)壽命，對(duì)更換經(jīng)濟(jì)性差或無法改進(jìn)的薄弱環(huán)節(jié)通過有限元分析和細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法開展物理模型仿真、疲勞分析計(jì)算，并模擬產(chǎn)品使用工況，制定實(shí)驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過壽命實(shí)驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證仿真分析正確性和延壽目標(biāo)值的可達(dá)性，具體如下：

圖1 延壽綜合決策圖

1)根據(jù)方向舵分配機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)功能和故障對(duì)飛行安全的影響程度，確認(rèn)其重要度；

2)依據(jù)以可靠性為中心的維修(RCM)理論基本觀點(diǎn)，重新確定方向舵分配機(jī)構(gòu)維修方式，邏輯決斷方向舵分配機(jī)構(gòu)作為有壽件控制的必要性；

3)開展到達(dá)初始設(shè)計(jì)壽命產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)摸底工作，檢查到壽產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的符合性等，同時(shí)對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用檢查法判斷產(chǎn)品延壽潛力；

4)從制造工藝、使用材料及系統(tǒng)功能方面，與國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品開展對(duì)比，應(yīng)用相似法確定方向舵分配機(jī)構(gòu)的延壽目標(biāo)值；

5)綜合外場(chǎng)使用數(shù)據(jù)、修理過程數(shù)據(jù)以及工作機(jī)理，對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析(FMECA)，查找和預(yù)測(cè)其延壽存在的薄弱環(huán)節(jié)；

6)結(jié)合產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)信息，制定產(chǎn)品延壽修理方案，視情對(duì)薄弱環(huán)節(jié)實(shí)施更換或改進(jìn)；

7)對(duì)更換經(jīng)濟(jì)性差或無法改進(jìn)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)用有限元分析和細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法開展靜強(qiáng)度仿真分析、疲勞壽命計(jì)算，論證延壽指標(biāo)的可達(dá)性；

8)制定壽命實(shí)驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)實(shí)施壽命、振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證延壽綜合決策方法和物理仿真分析的正確性。

2 延壽分析

2.1 重要度分類原則

為合理確定機(jī)載產(chǎn)品的重要度，應(yīng)根據(jù)機(jī)載產(chǎn)品的系統(tǒng)功能和故障對(duì)飛行安全的影響程度，重要度分類按以下三種原則開展：產(chǎn)品故障直接影響飛行安全的定義為關(guān)鍵產(chǎn)品(A類產(chǎn)品)，產(chǎn)品故障對(duì)任務(wù)的完成產(chǎn)生直接影響，但對(duì)飛行安全產(chǎn)生不直接影響的定義為重要產(chǎn)品(B類產(chǎn)品)，產(chǎn)品故障不直接影響飛行安全和任務(wù)的完成，不屬于A、B類的產(chǎn)品均劃為C類定義為一般產(chǎn)品(C類產(chǎn)品)。

2.2 邏輯決斷維修方式

2.2.1 邏輯決斷的依據(jù)

按照以可靠性為中心維修(RCM)理論的基本觀點(diǎn)，只有全部具備以下條件的機(jī)載產(chǎn)品，才需要對(duì)其制定壽命指標(biāo)。

1)產(chǎn)品功能故障會(huì)直接影響飛行安全(A類產(chǎn)品)，或影響任務(wù)完成(B類產(chǎn)品)，或故障后有重大經(jīng)濟(jì)損失的C類產(chǎn)品；

2)產(chǎn)品故障模式與日歷耗損或工作時(shí)間耗損相關(guān)，即該故障是由于非金屬材料老化、磨損或金屬材料腐蝕、磨損、疲勞引起的；

3)產(chǎn)品不能按視情維修方式進(jìn)行維修。

2.2.2 邏輯決斷過程

1)產(chǎn)品的故障模式與耗損(包括日歷耗損、工作時(shí)間耗損)相關(guān)嗎？

根據(jù)故障模式、影響和危害性分析(FMECA)結(jié)果、相同或相似產(chǎn)品使用情況、外場(chǎng)使用信息判斷產(chǎn)品的故障模式與日歷耗損、工作時(shí)間耗損是否相關(guān)。如果產(chǎn)品故障模式與耗損不相關(guān)，則產(chǎn)品不采用定時(shí)翻修(或報(bào)廢)方式，即產(chǎn)品無需制定壽命指標(biāo)。但要跟蹤產(chǎn)品在使用中的表現(xiàn)，如A類產(chǎn)品發(fā)生過故障，或B類產(chǎn)品、發(fā)生故障后有重大經(jīng)濟(jì)影響的C類產(chǎn)品的故障率不可接受(是影響任務(wù)成功、飛機(jī)完好率的關(guān)鍵產(chǎn)品)，則應(yīng)提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議。如果產(chǎn)品故障模式與耗損相關(guān)，則進(jìn)入下一個(gè)判斷程序。

根據(jù)GJB/Z1391-2006《故障模式、影響和危害性分析指南》[16]，針對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)外場(chǎng)暴露的故障以及潛在故障，進(jìn)行產(chǎn)品硬件故障模式及影響分析，具體見表1。

根據(jù)表1可知，方向舵分配機(jī)構(gòu)可能存在長(zhǎng)期使用后密封件老化和殼體疲勞裂紋導(dǎo)致外部泄漏超標(biāo)的問題，經(jīng)對(duì)其相似產(chǎn)品(國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品)開展故障模式及影響分析可知，其相似產(chǎn)品同樣存在上述問題，因此，方向舵分配機(jī)構(gòu)的故障模式與工作時(shí)間、日歷耗損相關(guān)。

2)產(chǎn)品的重要度是A、B類嗎？

方向舵分配機(jī)構(gòu)是飛控系統(tǒng)重要執(zhí)行部件，按照飛行員指令信號(hào)向舵面液壓作動(dòng)筒分配液壓油，控制方向舵面的偏轉(zhuǎn)。方向舵分配機(jī)構(gòu)由兩個(gè)液壓系統(tǒng)供油，屬雙余度產(chǎn)品，當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由另一個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)向舵面液壓作動(dòng)筒輸出液壓油來實(shí)現(xiàn)舵面的偏轉(zhuǎn)，但液壓流量和輸出力減為原來的一半，飛機(jī)機(jī)動(dòng)性受到一定的限制，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，飛行員可通過平尾和襟副翼的差動(dòng)間接實(shí)現(xiàn)方向舵的偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)受到影響。綜上所述，方向舵分配機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)對(duì)飛行安全造成直接影響，但影響任務(wù)的完成，方向舵分配機(jī)構(gòu)的重要度為B類。

3)視情維修方式對(duì)具有該類故障模式的產(chǎn)品適用嗎？

由于方向舵分配機(jī)構(gòu)需離位檢測(cè)才能掌握其技術(shù)狀態(tài)，工作時(shí)液壓壓力較大，當(dāng)其出現(xiàn)密封件密封失效或殼體裂紋故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品所在液壓系統(tǒng)油液在較短時(shí)間內(nèi)全部泄漏，從而出現(xiàn)重大系統(tǒng)功能故障。因此，視情維修方式不適合方向舵分配機(jī)構(gòu)。

4)有相同、相似產(chǎn)品嗎？

對(duì)具有相同或相似功能的新產(chǎn)品，從其結(jié)構(gòu)、材料、使用環(huán)境、使用載荷、重要度等方面進(jìn)行比較，如是相同或相似產(chǎn)品，且相同或相似產(chǎn)品的壽命指標(biāo)是準(zhǔn)確、合理的，則參照新產(chǎn)品的壽命指標(biāo)執(zhí)行；否則進(jìn)入下一個(gè)判斷程序。方向舵分配機(jī)構(gòu)與某型國(guó)產(chǎn)分配機(jī)構(gòu)的重要度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境(外部環(huán)境為空氣，均裝配在飛機(jī)方向舵面底部)、使用載荷(額定工作壓力均為28 MPa)相同，材料相似(后者材料為前者的國(guó)產(chǎn)化材料)，某型國(guó)產(chǎn)分配機(jī)構(gòu)為其相似產(chǎn)品。

表1 故障模式及影響分析表

5)在初始?jí)勖笜?biāo)內(nèi)發(fā)生過耗損引起的功能失效嗎？

根據(jù)研制部門制定的初始?jí)勖笜?biāo)，當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到初始?jí)勖笜?biāo)且整個(gè)機(jī)群內(nèi)該產(chǎn)品沒有發(fā)生過由于耗損引起的功能失效，則通過翻修對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查和分析，可以根據(jù)對(duì)耗損情況的評(píng)估產(chǎn)品延壽潛力。否則，根據(jù)對(duì)產(chǎn)品壽命評(píng)估的結(jié)果，確定其壽命指標(biāo)的縮短值。

統(tǒng)計(jì)某型飛機(jī)方向舵分配機(jī)構(gòu)在初始設(shè)計(jì)壽命指標(biāo)內(nèi)使用故障信息，產(chǎn)品出現(xiàn)的主要故障模式為搖臂損傷變形導(dǎo)致不工作(人為分解或裝配不當(dāng)導(dǎo)致)、液壓系統(tǒng)油液污染導(dǎo)致產(chǎn)品工作效率降低問題，未出現(xiàn)因耗損引起的功能失效。

綜合上述分析，方向舵分配機(jī)構(gòu)為B類產(chǎn)品，產(chǎn)品故障模式與日歷耗損、工作時(shí)間耗損均相關(guān)，產(chǎn)品不能按視情維修方式進(jìn)行維修，滿足以可靠性為中心維修(RCM)理論中產(chǎn)品需要制定壽命指標(biāo)的要求，即該產(chǎn)品應(yīng)制定壽命指標(biāo)，需作為有壽件控制。

2.3 延壽潛力分析及指標(biāo)確定

延壽潛力分析通過檢查法來確定。檢查法是通過對(duì)產(chǎn)品開展檢查，如果產(chǎn)品在到達(dá)初始設(shè)計(jì)壽命指標(biāo)時(shí)未發(fā)現(xiàn)泄漏、銹蝕、磨損等異常現(xiàn)象，而且產(chǎn)品功能參數(shù)滿足技術(shù)文件規(guī)定要求，則產(chǎn)品實(shí)際壽命應(yīng)不小于其已使用的時(shí)間；另外如果產(chǎn)品在外場(chǎng)維護(hù)及翻修記錄檢查結(jié)果表明產(chǎn)品工作狀態(tài)良好，需要維護(hù)及翻修的工作量很少，則產(chǎn)品壽命可以延長(zhǎng)。

2.3.1 初始設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)使用情況分析

為了掌握方向舵分配機(jī)構(gòu)使用情況，對(duì)該型產(chǎn)品整個(gè)機(jī)群到達(dá)初始設(shè)計(jì)壽命期的所屬系統(tǒng)性能、產(chǎn)品性能以及零件損傷做如下工作：一是對(duì)產(chǎn)品拆卸前對(duì)其所在的飛行控制系統(tǒng)按技術(shù)規(guī)范要求開展性能檢查，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能符合性；二是對(duì)產(chǎn)品分解前性能開展測(cè)試，以掌握其經(jīng)過一個(gè)使用周期后的性能變化情況；三是對(duì)產(chǎn)品分解后零件損傷檢查，檢查非金屬件的老化情況，金屬件的腐蝕及磨損情況，檢查各耗損件幾何尺寸的變化情況。

經(jīng)梳理統(tǒng)計(jì)以往修理記錄，方向舵分配機(jī)構(gòu)在到達(dá)初始設(shè)計(jì)壽命時(shí)，其所屬系統(tǒng)性能滿足技術(shù)規(guī)范規(guī)定要求，產(chǎn)品分解前性能參數(shù)符合修理工藝技術(shù)要求，經(jīng)過一個(gè)使用周期后性能有所變化，但未發(fā)現(xiàn)有往某一極限發(fā)展的趨勢(shì)，金屬零件表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)有零件銹蝕、磨損等異常現(xiàn)象，非金屬件存在形狀變形、硬度變硬現(xiàn)象，但產(chǎn)品使用周期內(nèi)未發(fā)生滲漏異常故障，滿足產(chǎn)品的密封性要求。方向舵分配機(jī)構(gòu)的故障分布見圖2，累積平均故障率趨勢(shì)分析見圖2，方向舵分配機(jī)構(gòu)的平均故障率為0.000 033 6，整體上呈下降穩(wěn)定趨勢(shì)，其主要原因在于300小時(shí)之前集中發(fā)生了4起故障，屬于早期制造裝配問題，300飛行小時(shí)后，包括1 300飛行小時(shí)飛機(jī)大修后，累積平均故障率總體趨于穩(wěn)定，翻修后的方向舵分配機(jī)構(gòu)外場(chǎng)工作良好。因此，方向舵分配機(jī)構(gòu)沒有明顯耗損特征，翻修措施有效。

圖2 方向舵分配機(jī)構(gòu)累積平均故障率曲線圖

2.3.2 外場(chǎng)維護(hù)及翻修記錄檢查情況分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，方向舵分配機(jī)構(gòu)所屬機(jī)群在外場(chǎng)維護(hù)及翻修記錄檢查情況，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性高，外場(chǎng)工作中除按維護(hù)規(guī)范開展方向舵分配機(jī)構(gòu)所屬系統(tǒng)性能定期檢查、按飛行小時(shí)對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)過濾器分解和清洗、外部因素影響(人為操作不當(dāng)或液壓系統(tǒng)污染)產(chǎn)品性能需要開展故障排除外，方向舵分配機(jī)構(gòu)在外場(chǎng)無需開展其他維護(hù)及翻修工作。

2.3.3 延壽指標(biāo)分析

根據(jù)相似法確定方向舵分配機(jī)構(gòu)延壽指標(biāo)。方向舵分配機(jī)構(gòu)與某型國(guó)產(chǎn)分配機(jī)構(gòu)為其相似產(chǎn)品，而某型國(guó)產(chǎn)分配機(jī)構(gòu)壽命指標(biāo)是經(jīng)過廠內(nèi)壽命試驗(yàn)得出，壽命指標(biāo)制定科學(xué)、合理。因此，方向舵分配機(jī)構(gòu)壽命指標(biāo)可參照某型國(guó)產(chǎn)分配機(jī)構(gòu)壽命指標(biāo)執(zhí)行。

2.3.4 分析結(jié)果

根據(jù)檢查法兩項(xiàng)定壽原則，方向舵分配機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)使用情況和外場(chǎng)維護(hù)及翻修記錄檢查情況結(jié)果均滿足要求，因此，方向舵分配機(jī)構(gòu)實(shí)際壽命應(yīng)不小于初始設(shè)計(jì)壽命或具備延壽潛力；根據(jù)相似法延壽原則，方向舵分配機(jī)構(gòu)壽命指標(biāo)可參照相似產(chǎn)品壽命指標(biāo)延長(zhǎng)壽命。

2.4 故障模式、影響和危害性分析(FMECA分析)

故障模式、影響和危害性分析(FMECA)是分析產(chǎn)品所有可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法，屬于單因素的分析方法。

對(duì)某型方向舵分配機(jī)構(gòu)來說，是在其使用階段開展FMECA分析獲取使用過程中可能或?qū)嶋H發(fā)生的故障、原因及影響分析，查找產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，確定維修決策。按前述分析，方向舵分配機(jī)構(gòu)可能存在長(zhǎng)期使用后密封件老化和殼體疲勞裂紋導(dǎo)致外部泄漏超標(biāo)的問題，確認(rèn)密封件和殼體是影響方向舵分配機(jī)構(gòu)壽命的薄弱環(huán)節(jié)。

3 殼體有限元仿真分析與疲勞壽命計(jì)算

方向舵分配機(jī)構(gòu)的密封件和殼體是影響壽命的兩項(xiàng)薄弱環(huán)節(jié)，按薄弱環(huán)節(jié)延壽法通過更換該兩項(xiàng)零件即可實(shí)現(xiàn)延壽。對(duì)密封件而言，更換經(jīng)濟(jì)性好，可通過更換新密封件件來實(shí)現(xiàn)延壽，對(duì)于殼體而言，因其價(jià)格占比產(chǎn)品總價(jià)格在60%左右，直接更換延壽成本高昂，但作為長(zhǎng)期承受液壓脈動(dòng)壓力沖擊的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件來說，其一旦出現(xiàn)裂紋故障將直接導(dǎo)致產(chǎn)品功能乃至對(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)功能失效，對(duì)飛行安全產(chǎn)生不利影響。因此，在不能通過更換殼體這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)延壽時(shí)，必須對(duì)殼體的疲勞壽命能否滿足延壽使用需求開展分析。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞是由于靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而引發(fā)各類失效，在實(shí)際使用中，由交變載荷導(dǎo)致的飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞破壞在機(jī)械結(jié)構(gòu)的失效總數(shù)中占50%以上[17]。殼體是方向舵分配機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件，在長(zhǎng)期的工作中承受著液壓脈動(dòng)壓力的沖擊，影響殼體壽命的結(jié)構(gòu)失效主要是由于靜強(qiáng)度不足而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞和在循環(huán)載荷作用下發(fā)生的結(jié)構(gòu)疲勞破壞，而引起失效的循環(huán)載荷往往小于根據(jù)靜載荷強(qiáng)度分析的“安全”載荷，決定結(jié)構(gòu)零件疲勞強(qiáng)度和壽命的是最大局部應(yīng)力和應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)。因此，要保證飛機(jī)的飛行安全和產(chǎn)品使用的可靠性，需要對(duì)其靜強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行仿真、分析和計(jì)算，遵循的技術(shù)途徑如下：

1)確定殼體的材料性能；

2)建立有限元仿真模型，開展靜強(qiáng)度仿真分析；

3)在靜強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上完成疲勞壽命計(jì)算。

3.1 靜強(qiáng)度仿真分析計(jì)算

取工作壓力28 MPa的典型工況進(jìn)行研究。

3.1.1 材料性能

殼體材料為鋁合金LD5，材料屬性見表2。

表2 殼體材料屬性

3.1.2 主要管道有限元仿真分析

殼體在28 MPa工作壓力下，基于方向舵分配機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)和殼體結(jié)構(gòu)分析，對(duì)殼體施加載荷(圖3)，完成殼體主要管道有限元計(jì)算，圖4為28 MPa工作壓力時(shí)殼體的應(yīng)力云圖，表3為應(yīng)力仿真結(jié)果。

圖3 殼體仿真約束條件

圖4 28 MPa工作壓力時(shí)殼體的應(yīng)力云圖

表3 28 MPa工作壓力下殼體應(yīng)力仿真結(jié)果

由圖4、表3可以看出，在28 MPa工作壓力下，殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在安裝耳片部位，最大應(yīng)力σd約為138.55 MPa，殼體最大應(yīng)力的安全裕度最小為2.74>1，殼體靜強(qiáng)度滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)使用要求。

3.1.3 主要管道疲勞壽命分析計(jì)算

某型方向舵分配機(jī)構(gòu)研制定型耐久試驗(yàn)譜規(guī)定，飛行小時(shí)的試驗(yàn)時(shí)間與耐久試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的關(guān)系為1 250次/小時(shí)，得出產(chǎn)品延壽目標(biāo)對(duì)應(yīng)的耐久試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為37.5萬次。方向舵分配機(jī)構(gòu)殼體疲勞壽命指標(biāo)滿足該要求時(shí)，方可滿足延壽使用需求。

1)疲勞壽命分析計(jì)算方法：

細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法是一種根據(jù)材料特性、疲勞應(yīng)力譜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等結(jié)構(gòu)本身固有疲勞性能特征的細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)來表述結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞品質(zhì)的方法。其與常規(guī)疲勞壽命分析方法相比，主要不同是DFR方法通過強(qiáng)度安全裕度實(shí)施強(qiáng)度疲勞校核，評(píng)定疲勞壽命的符合性，具有便捷、可靠的顯著優(yōu)點(diǎn)和海量工程數(shù)據(jù)的支持，在民機(jī)和軍機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞分析的應(yīng)用非常廣泛[18-19]。

根據(jù)《飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性及損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)》[20]的細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法，按公式(1)和(2)對(duì)產(chǎn)品殼體的疲勞壽命進(jìn)行校核計(jì)算。

公式(1)為Z值計(jì)算公式：

(1)

式中，σmax為承受的最大應(yīng)力(通過有限元仿真獲取)；σmo為材料常數(shù)，對(duì)應(yīng)鋁合金σmo=310 MPa；DFR為細(xì)節(jié)疲勞額定值，對(duì)應(yīng)鋁合金DFR=240 MPa；R為應(yīng)力比，試件最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比，R=0。

公式(2)為疲勞循環(huán)次數(shù)計(jì)算公式：

N=10(5-log(Z)/log(S))

(2)

式中，N為疲勞循環(huán)次數(shù)；S為標(biāo)準(zhǔn)S—N曲線斜度參數(shù)，S=2.0。

2)疲勞壽命分析計(jì)算結(jié)果：

按照上述公式分別計(jì)算，得出殼體主要功能管道在28 MPa的典型工況下的疲勞循環(huán)次數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 主要功能管道疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

3)計(jì)算結(jié)果分析：

由表4結(jié)果可見，在28 MPa的典型工況下，殼體主要功能管道的疲勞循環(huán)次數(shù)最小為548.3萬次，大于延壽目標(biāo)值對(duì)應(yīng)37.5萬次循環(huán)次數(shù)的要求，殼體疲勞壽命指標(biāo)可滿足延壽使用需求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際使用中，方向舵分配機(jī)構(gòu)內(nèi)部承受著液壓交變壓力的沖擊，外部承受著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)以及空氣高低溫度變化的考驗(yàn)，上述三種因素可導(dǎo)致殼體在長(zhǎng)時(shí)間工作后疲勞斷裂。因此，殼體按實(shí)際裝配為完整產(chǎn)品開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案需包含振動(dòng)應(yīng)力、溫度應(yīng)力和液壓沖擊應(yīng)力。

4.1 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

科六字第1325號(hào)文《航空技術(shù)裝備壽命和可靠性工作暫行規(guī)定》[21]某型飛機(jī)的振動(dòng)類型為隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)頻率范圍為(20～2 000)Hz，施加方式為連續(xù)。同時(shí)，結(jié)合某型飛機(jī)方向舵面處隨機(jī)振動(dòng)的頻譜圖，確定方向舵分配機(jī)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)譜線，最小振動(dòng)頻率20 Hz，功率譜密度值為0.078 8 g2/Hz，最大振動(dòng)頻率2 000 Hz，功率譜密度值為0.066 g2/Hz，拐點(diǎn)頻率分別為120 Hz、400 Hz、1 000 Hz，功率譜密度值為0.078 8 g2/Hz、0.021 6 g2/Hz和0.021 6 g2/Hz，從X、Y、Z三個(gè)軸向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成一個(gè)軸向?qū)嶒?yàn)并檢查殼體情況，符合要求后開展下一個(gè)軸向，各方向分別振動(dòng)6 h。圖5為振動(dòng)譜線，圖6為振動(dòng)軸向圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，殼體應(yīng)無裂紋和其它機(jī)械損傷等現(xiàn)象。

圖5 振動(dòng)譜線

圖6 振動(dòng)軸向圖

4.2 壽命實(shí)驗(yàn)

依據(jù)產(chǎn)品研制鑒定試驗(yàn)中壽命實(shí)驗(yàn)規(guī)范，結(jié)合溫度應(yīng)力、液壓沖擊應(yīng)力考核要求以及本次延壽需求，制定對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)循環(huán)、溫度及壓力載荷條件，殼體為到達(dá)既定總壽命并經(jīng)維修合格產(chǎn)品。按表5開展實(shí)驗(yàn)，8個(gè)階段為一個(gè)周期循環(huán)，按每個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間，壽命試驗(yàn)共進(jìn)行12個(gè)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，產(chǎn)品應(yīng)無因殼體原因?qū)е碌男阅芄收?，殼體應(yīng)無裂紋和其它機(jī)械損傷等現(xiàn)象。

表5 壽命實(shí)驗(yàn)譜

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過振動(dòng)和壽命實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品未出現(xiàn)因殼體原因?qū)е碌男阅芄收希瑲んw也未出現(xiàn)裂紋和其它機(jī)械損傷等現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)考核，壽命滿足延壽使用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)有限元仿真分析表明，在28 MPa工作壓力下，殼體靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，最大應(yīng)力出現(xiàn)在安裝耳片部位，為殼體的薄弱環(huán)節(jié)，在延壽修理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其狀態(tài)的符合性；

2)細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法計(jì)算結(jié)果顯示，在28 MPa工作壓力下，殼體耐久試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于延壽目標(biāo)值對(duì)應(yīng)耐久試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，疲勞壽命可滿足延壽指標(biāo)要求；

3)方向舵分配機(jī)構(gòu)殼體通過振動(dòng)和壽命實(shí)驗(yàn)考核，實(shí)際驗(yàn)證了殼體能夠滿足飛機(jī)延壽目標(biāo)的使用需求。

綜上，針對(duì)現(xiàn)有延壽方法的不足，提出了一種延壽綜合決策方法，首先對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)延壽可行性和延壽指標(biāo)進(jìn)行了分析，并獲取了殼體為延壽的薄弱環(huán)節(jié)；其次基于有限元仿真和細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)對(duì)方向舵分配機(jī)構(gòu)殼體開展了靜強(qiáng)度仿真分析和疲勞壽命估算，理論分析殼體滿足延壽需求；最后模擬方向舵分配機(jī)構(gòu)工況條件，制定實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)際驗(yàn)證了殼體延壽指標(biāo)的可達(dá)性和延壽綜合決策方法的正確性，解決了殼體疲勞壽命的計(jì)算問題，為機(jī)載液壓產(chǎn)品殼體壽命分析和延壽研究提供重要參考。