摘要：某型支線飛機(jī)排漏閥安裝時經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，針對這一典型安裝斷裂情況，本文通過宏觀檢驗、斷口分析和有限元計算對排漏閥斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：排漏閥斷裂失效模式為外螺紋接頭第一圈螺紋根部過載拉伸斷裂，通過有限元計算得到了排漏閥螺母安裝的定力值上限，避免排漏閥安裝時再次發(fā)生拉伸斷裂。

關(guān)鍵詞：排漏閥 有限元計算 斷裂分析

中圖分類號： V226 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1.前言

某型飛機(jī)在安裝發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)和APU供油系統(tǒng)套管排漏閥時，依據(jù)要求對套管排漏閥上的鎖緊螺母進(jìn)行定力安裝時，套管排漏閥發(fā)生斷裂，為了分析其斷裂原因，為排漏閥螺母安裝提出合理的建議，需對斷裂情況作出合理的分析計算。

2.斷裂現(xiàn)象與初步分析

排漏閥安裝是由排漏閥體和擰緊螺母組成。根據(jù)要求對排漏閥進(jìn)行安裝，給出的定力值要求為70-85IN-LBS，在未到該定力值時套管排漏閥就發(fā)生了斷裂，斷裂如圖1所示。

圖1 套管排漏閥安裝斷裂圖

分析排漏閥發(fā)生斷裂原因，由于排漏閥與螺母是螺紋連接，螺紋為細(xì)牙螺紋常用于高強(qiáng)度螺紋連接處。螺紋失效的原因有擠壓壓潰，剪切破壞，應(yīng)力集中疲勞破壞等。該排漏閥螺紋斷裂是整個排漏閥斷裂，且斷裂發(fā)生在排漏閥外螺紋接頭第一圈螺紋根部，斷裂表面斷口表面平整， 未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形。根據(jù)排漏閥斷裂的宏觀分析可以初步確認(rèn)排漏閥斷裂是在擰緊時使用定力值過大導(dǎo)致拉伸斷裂。

排漏閥在安裝時需要給出合理的定力值，在該定力值下，排漏閥體內(nèi)因預(yù)緊力而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力應(yīng)在排漏閥的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。這樣就可以通過首先根據(jù)安裝定力值計算排漏閥體的預(yù)緊力，然后將預(yù)緊力代入ABAQUS計算模型，得出排漏閥體內(nèi)的最大應(yīng)力，多次分析計算得出排漏閥體的許用應(yīng)力下的安裝定力值，即最大安裝定力值。再通過排漏閥實際安裝試驗得出最小安裝定力，從而確定合適的安裝定力值。

3.斷裂分析計算

3.1 預(yù)緊力計算

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，螺母擰緊力矩M由兩部分組成，分別是螺紋間的摩擦力矩和螺母承托面上的摩擦力矩，可以由式（1）表示。其中和分別可以由式（2）和（3）進(jìn)行計算。

由于給定定力值要求為70-85IN-LBS。將M=85IN-LBS代入式（4）可以得到排漏閥體中的預(yù)緊力=602.8 lbf。

3.2 排漏閥強(qiáng)度計算

由于排漏閥體為外螺紋形式，螺紋通常會有應(yīng)力集中系數(shù)。由文獻(xiàn)[2]可以知道：當(dāng)螺紋升角小于2.9°時，螺紋升角對缺口應(yīng)力集中的影響僅為1%，在軸向載荷作用下，螺栓可以簡化成軸對稱問題。

由螺紋升角計算公式tanα=t/（πd2）可以算出升角α=1.606°，排漏閥斷裂是軸向受預(yù)緊力過大導(dǎo)致，則可以將排漏閥斷裂問題考慮為軸對稱模型進(jìn)行分析。

計算得出排漏閥的預(yù)緊力，可以根據(jù)強(qiáng)度計算公式，算得排漏閥螺紋上的應(yīng)力，如果大于排漏閥的拉伸強(qiáng)度，則排漏閥就會斷裂。

根據(jù)排漏閥型號尺寸，在ABAQUS中可以建立排漏閥體和螺母的裝配模型如圖2所示，對其劃分網(wǎng)格，設(shè)置材料參數(shù)，邊界條件和施加預(yù)緊力，計算可得應(yīng)力云圖如圖3所示。

由螺紋預(yù)緊力公式可以算出在一定擰緊力矩下排漏閥體中的預(yù)緊力，將此預(yù)緊力加入到計算模型中可以算的排漏閥體中的最大主應(yīng)力，由此可以得到在不同擰緊力矩下排漏閥體的預(yù)緊力如下表2所示。由表2可以看出，在擰緊力矩為85IN-LBS下，排漏閥體的最大應(yīng)力為177.7MPa，遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力，在擰緊力矩為45IN-LBS下，排漏閥體的最大主應(yīng)力為94.41MPa，此時接近排漏閥的許用應(yīng)力值95.724MPa。

注：排漏閥許用應(yīng)力95.724MPa

以擰緊力矩M為85 IN-LBS時為例，在ABAQUS中計算得出排漏閥模型應(yīng)力云圖如圖4所示，由圖可知排漏閥體中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在排漏閥第一個螺紋牙底處。

由以上分析可以得出以下結(jié)果：

（a）排漏閥螺母在安裝定力為70-85（IN-LBS）下排漏閥必會斷裂；

（b）排漏閥斷裂位置是第一個螺紋牙底處；

（c）排漏閥螺母安裝力矩不應(yīng)大于45IN-LBS；

圖4 排漏閥模型在擰緊力矩為85 IN-LBS時應(yīng)力云圖

4.結(jié)論

根據(jù)分析計算，驗證了排漏閥斷裂失效模式為外螺紋接頭第一圈螺紋根部過載拉伸斷裂，通過有限元計算得到了排漏閥螺母安裝的定力值上限，即排漏閥體上鎖緊螺母的擰緊力矩不應(yīng)超過45IN-LBS，以避免排漏閥安裝時再次發(fā)生拉伸斷裂。

參考文獻(xiàn)

[1] 飛機(jī)設(shè)計手冊第9 冊：載荷、強(qiáng)度和剛度.北京：航空工業(yè)出版社，2001

[2] 方棟，陳繼志. 高強(qiáng)度螺栓螺紋根部應(yīng)力集中的有限元分析[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用， 2004， 22（2）： 37-39.