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(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

貨艙系留系統(tǒng)位于飛機(jī)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(jī)飛行過(guò)程中在貨艙移動(dòng)影響飛機(jī)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(jī)各種情況下產(chǎn)生的載荷，因此，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，保證在飛機(jī)整個(gè)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(shí)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)壽命時(shí)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(kāi)始，形成損傷并逐漸累積，導(dǎo)致破壞發(fā)生。局部性是疲勞的明顯特點(diǎn)。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(xì)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(chēng)為應(yīng)力疲勞，也稱(chēng)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(duì)較小，則疲勞控制參量應(yīng)為應(yīng)變，故稱(chēng)為應(yīng)變疲勞。因?yàn)閼?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(chēng)為低周疲勞。

筆者通過(guò)對(duì)可拆卸式系留接頭疲勞試驗(yàn)斷裂進(jìn)行故障分析，得到疲勞試驗(yàn)故障分析方法及流程，為今后產(chǎn)品疲勞設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)，與其它系留設(shè)備一起，實(shí)現(xiàn)貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的系留。

系留接頭產(chǎn)品在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，在第150次循環(huán)加載并卸載后拆卸試驗(yàn)件時(shí)試驗(yàn)件從工裝上意外脫落，隨后進(jìn)行目視檢查時(shí)，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(jiàn)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(duì)可能導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行故障樹(shù)分析，故障樹(shù)詳見(jiàn)圖2。

根據(jù)故障樹(shù)分析結(jié)果，逐項(xiàng)進(jìn)行故障排查，排查結(jié)果詳見(jiàn)表1所列。

圖2 故障樹(shù)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(shù)定位進(jìn)行斷口失效分析。將接頭沿裂紋處打開(kāi)，并使用掃描電鏡高倍觀察，斷口源區(qū)微觀形貌為準(zhǔn)解理花樣，如圖3所示；擴(kuò)展區(qū)微觀形貌為準(zhǔn)解理花樣，并可見(jiàn)明顯的疲勞條帶特征，如圖4所示；人為打開(kāi)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(kuò)展區(qū)微觀形貌

圖5 人為打開(kāi)區(qū)微觀形貌

開(kāi)裂產(chǎn)品斷口宏觀形貌可見(jiàn)明顯疲勞弧線，微觀形貌可見(jiàn)明顯疲勞條帶特征，且在壽命試驗(yàn)過(guò)程中承受交變載荷，由此判斷開(kāi)裂產(chǎn)品為疲勞斷裂。此外，開(kāi)裂產(chǎn)品開(kāi)裂處側(cè)壁存在明顯外側(cè)塑性變形且僅加載150個(gè)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(kāi)裂屬于低周疲勞開(kāi)裂。

確定斷口形成原因，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品在相應(yīng)疲勞載荷工況下進(jìn)行有限元仿真分析進(jìn)而進(jìn)行低周疲勞壽命評(píng)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(guò)材料斷后伸長(zhǎng)率。由此可知，系留接頭在該載荷下不發(fā)生靜強(qiáng)度破壞。而產(chǎn)品斷裂原因是因?yàn)榇嬖诮蛔冚d荷導(dǎo)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(duì)疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。本文采用修正的Manson-Coffin公式計(jì)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(qiáng)度系數(shù)σf′=1.5σb,疲勞強(qiáng)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(guò)計(jì)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(guò)以上故障分析可以確定系留接頭座斷裂的故障原因?yàn)榈椭芷陂_(kāi)裂，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合疲勞壽命設(shè)計(jì)要求。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)

由于接頭疲勞壽命不滿足設(shè)計(jì)要求，因此分析接頭在疲勞載荷下的傳力特性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)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(duì)三種載荷分別進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)主要考慮減小航向力矩及增大航向力作用點(diǎn)接觸面積。

根據(jù)系留接頭承載形式，制定以下改進(jìn)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(guò)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(shí)側(cè)向載荷由接頭座底部全部承擔(dān)，接頭座與鎖塊之間無(wú)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(shí)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(shí)局部應(yīng)力集中的情況。

(4)將前端與鎖鉤接觸受力點(diǎn)整體前移，并模擬實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中極限基礎(chǔ)形式，所有接觸調(diào)整至單邊接觸，對(duì)出現(xiàn)裂紋接觸點(diǎn)進(jìn)行修形，將尖邊接觸改為圓弧面接觸，設(shè)計(jì)改進(jìn)如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)改進(jìn)

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)后的系留接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析及疲勞壽命評(píng)估。有限元仿真結(jié)果等效應(yīng)力及塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后等效應(yīng)力及塑性應(yīng)變?cè)茍D

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(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，未發(fā)生塑性應(yīng)變。采用應(yīng)力壽命法計(jì)算接頭壽命。

接頭疲勞載荷譜為脈動(dòng)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(jì)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(qiáng)度。

接頭材料固溶+時(shí)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(jì)算接頭疲勞壽命公式如式(4)：

(4)

通過(guò)以上分析計(jì)算設(shè)計(jì)更改后接頭疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為8.02E+04，試驗(yàn)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(jì)要求。

對(duì)更改后結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，750次載荷循環(huán)后結(jié)構(gòu)完整，性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)故障樹(shù)分析定位接頭故障原因，針對(duì)故障原因采用有限元仿真及疲勞裂紋斷口失效機(jī)理分析定位接頭故障原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)并對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真壽命評(píng)估和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)結(jié)構(gòu)滿足疲勞壽命要求，改進(jìn)措施有效。