某机载设备前端接收机法兰断裂原因分析

2022-12-25丁旺生李永胜

舰船电子对抗 2022年6期

丁旺生，李永胜，黄飞

(南京科瑞达电子装备有限责任公司，江苏南京 211100)

0 引言

随着各军事强国引领的军用电子技术的不断发展和作战环境的复杂、多元化，对军用电子设备的恶劣环境适应能力提出了更高的要求和挑战。机载电子设备在机械环境适应性方面的严酷考验尤为突出，例如会受到飞机在整个服役过程中的气动载荷、战术机动、发射武器及降落撞击等产生的强振动和强冲击作用。耐久振动试验是其必须进行的环境考核试验。机载电子设备在耐久振动随机载荷的作用下，结构会由于随机振动造成疲劳损伤，从而导致疲劳失效，对飞机安全造成威胁。因此，在产品设计阶段，对产品在随机载荷作用下结构的动强度分析和疲劳寿命预估具有很高的必要性。

随机振动疲劳寿命分析方法主要有基于统计计数的时域分析方法和基于功率谱密度的频域分析方法[1]。时域法是通过长时间记录时域内应力循环及其幅值、均值，然后进行疲劳计算，工作量大，在工程实践中难以实现。频域法是通过CAE软件进行仿真计算，找到结构应力较大部位的应力功率谱密度(PSD)，结合应力幅值的概率密度函数，采用损伤累积理论，预估疲劳寿命。结构随机振动应力响应为随机过程，用基于功率谱密度的频域法估算疲劳寿命较为方便。赵霞军[2]预估机载电子设备在振动环境下的疲劳寿命时采用了基于频域的随机疲劳分析方法；林明等[3]研究了在不同不规则因子下，多种频域疲劳预测方法的适用性；程侃等[4]针对随机载荷过程为宽带和窄带时基于频域的疲劳损伤计算模型的准确性进行了对比。

本文研究讨论了某机载设备前端接收机在耐久振动试验中，法兰清角槽位置发生断裂失效的原因。首先采用化学及金相组织检验的方法对法兰断口进行全面分析，并利用ANSYS有限元分析找出了法兰断裂的原因。然后，选择基于功率谱密度的频域分析法对结构进行寿命预估，最后对前端接收机法兰结构进行了改进设计及验证。

1 故障描述

某机载设备前端接收机的三维模型如图1所示。试验需进行X、Y、Z3个方向的耐久振动，给定的载荷功率谱为宽带随机振动，依据相关国军标对振动试验的要求，具体试验条件见图2和表1。

表1 随机振动试验条件

图1 前端接收机模型

图2 耐久振动试验条件

试验前先将夹具安装在振动台上，然后再将前端接收机通过4颗M5螺钉固定在试验夹具上。试验件在X和Z方向各振动7.5 h，Y方向振动6.5 h后，两侧安装法兰清角位置出现断裂现象，断裂位置如图3、图4所示。断裂面沿清角槽展开，无明显塑性变形，表面有黑色粉末。

图3 前端接收机断裂位置

图4 前端接收机断裂位置示意图

2 断裂分析

2.1 理化分析

对断裂后的法兰面进行了化学元素成分、金相组织及断面形貌的有关理化分析。

法兰材料化学成分分析结果如表2所示，从表中可以看出该零件材料成分为铝合金6061。法兰金相分析结果如图5所示，材料组织均匀，未有过烧现象。法兰断口形貌如图6所示，断面未发现腐蚀、夹杂等缺陷，但有明显的疲劳条带。金相分析结论为：零件裂纹产生从薄壁处起源，然后通过充分疲劳扩展最终出现疲劳断裂现象。

表2 化学成分分析结果(wt%)

图5 法兰金相分析

图6 法兰断口形貌

2.2 随机振动频域分析理论

功率谱密度函数(PSD)是稳态随机过程的频域描述[5]。使用PSD的谱矩可以获得其他统计学特性[6]。一个PSD的n阶谱矩定义为：

(1)

结构危险位置的应力PSD为：

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

(2)

式中：W(f)为输入加速度的功率谱密度；H(f)为应力的频率响应函数；f为频率。

用式(1)的谱矩来估算随机响应信号峰值频率E[p]值：

(3)

根据式(2)、式(3)对于高斯随机过程，米塞斯应力的统计平均频率E[p](响应信号峰值频率的期望)计算方法如下：

(4)

在随机振动时间t内，结构危险位置在niσ(i=1,2,3)3个应力区间内的应力循环次数为：

ni=p(i)f0t

(5)

式中：p(i)为1σ，2σ，3σ对应的发生时间概率。

根据材料的S-N曲线，可以查出结构在Si应力循环下产生疲劳破坏需要的应力循环次数Ni。

根据Steinberg提出的三带宽理论，结构在随机载荷作用下应力的分布时间历程为高斯随机过程[7]，三区间应力概率分布见表3。

表3 三区间应力概率分布

疲劳累积损伤理论——Miner线性累积损伤准则[8]应用广泛。Miner准则假定试件受到的总损伤量为：

(6)

该准则假定，试件在总损伤量D=1时发生疲劳破坏，据此可以计算出振动疲劳寿命。

2.3 有限元仿真分析

前端接收机结构较复杂，建立有限元分析模型，对CAD模型进行局部化简和修正，保留该元件的等效质量。前端接收机在试验中通过4颗螺钉与振动台连接，仿真中将4个螺栓孔设置固定约束。

由图7可以看出最大应力出现在接收机安装法兰根部清角位置，在此情况下的1σ应力、2σ应力和3σ应力分别为10.6 MPa、21.2 MPa和31.8 MPa，均远小于材料的屈服强度极限180 MPa，可以判断前端接收机法兰根部断裂是由于疲劳损伤而引起的。取法兰上米塞斯应力最严重位置作为危险部位进行疲劳寿命分析，其米塞斯应力响应功率谱密度曲线如图8所示。

图7 前端接收机应力云图

图8 最大应力位置米塞斯应力功率谱密度曲线

由式(1)计算可以得出前端接收机平均振动频率为740 Hz(接近其一阶固有频率)，结合铝合金6061的S-N疲劳曲线如图9所示，1σ、2σ应力水平下应许可循环次数N1σ=∞、N2σ=∞。3σ应力水平下应许可循环次数N3σ大约为8.5×105次。根据Miner线性疲劳累积损伤理论，试件在总损伤量D=1时发生疲劳破坏，由式(4)计算可得前端接收机的耐久振动试件受到的总损伤量D=1.02。有限元仿真分析结果与实际试验结果相符，前端接收机在振动6.5 h后法兰位置发生断裂。

图9 铝合金6061 S-N曲线

3 结构改进

根据理化分析和基于功率谱密度的频域分析疲劳寿命计算结果，前端接收机法兰的化学成分和晶体结构符合规范要求，法兰根部清角位置疲劳损伤的累积是造成法兰断裂的主要原因。随着振动时间的延长，法兰在随机载荷作用下产生裂纹，裂纹充分扩展直到法兰出现断裂。法兰清角位置应力水平较高的主要原因为：前端接收机法兰壁厚为6 mm，清角槽处厚度最小为3 mm，法兰变截面处产生了应力集中现象。

为了降低前端接收机法兰清角位置的应力水平，根据结构改进设计方面的经验和实际的加工工艺可能性，针对相关不足给出改进措施：将法兰壁厚由6 mm增加到7 mm，去除清角槽，内部倒R2的圆角。改进后三维模型如图10所示。

图10 改进后三维模型图

4 改进方案仿真与试验验证

对法兰改进后的前端接收机进行耐久振动工况下的有限元仿真。除法兰结构有所改变外，其余结构件均不变。有限元仿真得到的前端接收机应力云图如图11所示。最大应力仍然出现在法兰两端倒圆角附近，3σ应力为26.7 MPa。由图可知，1σ、2σ、3σ应力水平下应许可循环次数均为无穷大，此时不会出现疲劳破坏。改进后的前端接收机满足了机载随机振动环境的使用要求。