安全性是系統(tǒng)設(shè)計中一項重要的、需要關(guān)注的項目。文中涉及的固定件一般用于固定特種密封箱端蓋支撐附件,防止端蓋開啟時碎塊在高溫、高壓、高速氣體（燃?xì)饬鳎┑臎_刷作用下二次受力,導(dǎo)致支撐附件脫落而砸傷地面設(shè)備及工作人員,該固定件直接關(guān)系到系統(tǒng)工作的成功性和安全性[1]。某型號密封箱端蓋固定件及安裝狀態(tài)照片如圖1所示。在某次飛行試驗中,該型號端蓋工作時有碎塊飛出,在燃?xì)饬鳑_刷的影響下[2],出現(xiàn)固定件撕脫損壞的現(xiàn)象,導(dǎo)致支撐件與端蓋分離,嚴(yán)重威脅地面設(shè)備及工作人員的安全。筆者對固定件撕脫機制、鋪層層數(shù)進(jìn)行研究,對連接孔分布進(jìn)行仿真分析,進(jìn)一步提高了固定件與端蓋的黏接強度,并提出了改進(jìn)措施,以防止該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  某型號密封箱端蓋固定件及安裝狀態(tài)照片

由于目前端蓋所屬特種密封箱系統(tǒng)要求輕質(zhì)化,因此需要采用比強度較高的材料成型端蓋固定件。玻璃纖維增強復(fù)合材料（俗稱玻璃鋼）[3]可以作為固定件原材料。該材料具有較好的耐腐蝕性、電絕緣性、熱性能和可設(shè)計性等優(yōu)點[4]。固定件應(yīng)用壓制成型工藝,選用的材料及工藝制作的固定件需要具有一定的抗拉強度,且韌性較好?？估瓘姸仍酱?固定件越不容易被外力拉斷撕脫,韌性越好,固定件與端蓋內(nèi)表面的配合度越高。一般使用膠黏劑黏接和標(biāo)準(zhǔn)件（自攻螺釘?shù)龋┕潭ǖ姆绞綄⒐潭c端蓋連接。 

1.   撕脫原因

固定件撕脫故障出現(xiàn)后,對影響產(chǎn)品質(zhì)量的5個因素（人、機、料、法、環(huán)）進(jìn)行排查,結(jié)果均無異常。經(jīng)過進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)該故障出現(xiàn)的原因?qū)儆诠に囋O(shè)計問題,最終定位為固定件強度不足和固定件連接孔分布不合理。 

1.1   固定件強度不足

解剖同批次生產(chǎn)的固定件,查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)固定件壓制后出現(xiàn)材料疏松、分層現(xiàn)象,內(nèi)部分層固定件宏觀形貌如圖2所示。 

圖  2  內(nèi)部分層固定件宏觀形貌

固定件由厚度為0.36 mm的預(yù)浸玻璃纖維布壓制成型,層數(shù)為6層,設(shè)計厚度為1.5 mm,經(jīng)計算,固定件預(yù)浸布的壓縮率為30%,壓縮率定義公式為 

式中：η為預(yù)浸布壓縮率；δ為壓制成板材的厚度；k為預(yù)浸布壓制前的單層厚度；n為預(yù)浸布層數(shù)。 

經(jīng)分析,預(yù)浸布層間存在的缺陷相對較多,導(dǎo)致固定件強度偏低、易撕裂,這是因為預(yù)浸布壓縮率偏低。 

1.2   固定件連接孔分布不合理

故障固定件連接孔分布如圖3所示。由于固定件在端蓋打開飛出時受力,固定件連接孔處及附近區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中,且加工連接孔時,橫向分布的玻璃纖維處于被切斷狀態(tài),因此固定件破壞位置基本在連接孔附近,可得出固定件連接孔處易撕裂的結(jié)論。損壞的固定件連接孔宏觀形貌如圖4所示。 

圖  3  故障固定件連接孔分布示意

圖  4  損壞的固定件連接孔損壞宏觀形貌

2.   解決措施

2.1   提高壓縮率

針對固定件強度設(shè)計余量不足的問題,用不同層數(shù)的玻璃纖維預(yù)浸布制作不同厚度的拉伸試樣,對試樣進(jìn)行拉伸試驗,試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知：預(yù)浸布壓縮率為50%試樣的抗拉強度明顯提高。由于端蓋內(nèi)表面為弧面,固定件與端蓋裝配時產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形,固定件剛度越低,協(xié)調(diào)變形能力越大,安裝固定件的標(biāo)準(zhǔn)件承受的裝配應(yīng)力越小,對固定件安裝狀態(tài)越有利。 

根據(jù)上述分析,將預(yù)浸玻璃纖維布層數(shù)增加至9層,經(jīng)壓實后,固定件厚度為1.6 mm,壓縮率為50%時,固定件具有良好的綜合力學(xué)性能。 

2.2   優(yōu)化連接孔數(shù)量及分布位置

針對固定件受力時連接孔附近區(qū)域應(yīng)力集中的問題,對故障固定件進(jìn)行受力仿真分析。根據(jù)實際工況,對連接孔處施加固定約束,其余面施加恒定壓力,應(yīng)力分布云圖如圖5所示。圖中橫向連接孔間應(yīng)力處于連續(xù)狀態(tài),可知當(dāng)固定件受力時,該處所受拉力集中在孔附近,且使用鉆孔工藝加工連接孔時,橫向分布的玻璃纖維處于被切斷狀態(tài),因此容易造成固定件撕脫。 

圖  5  故障固定件（4孔）受力時應(yīng)力分布云圖

針對上述問題,調(diào)整連接孔數(shù)量及分布狀態(tài),擬改進(jìn)的固定件（5孔）受力時應(yīng)力分布云圖如圖6所示。該分布狀態(tài)使得固定件受力時,孔與孔之間受力不連續(xù),且橫向只存在單一連接孔,可以減輕因機械加工連接孔造成的玻璃纖維損傷程度。 

圖  6  擬改進(jìn)固定件（5孔）受力時應(yīng)力分布云圖

3.   試驗驗證

根據(jù)固定件工作狀態(tài)設(shè)計拉伸試驗工裝,模擬受力狀態(tài),對固定件進(jìn)行試驗驗證,判斷現(xiàn)有固定件和提高壓縮率、優(yōu)化連接孔數(shù)量及分布位置后固定件的抗拉強度,驗證改進(jìn)措施的可靠性和真實性。固定件拉伸試驗工裝如圖7所示,其中泡沫基體與端蓋為同一體系材料。 

圖  7  固定件拉伸試驗工裝示意

制作改進(jìn)前及改進(jìn)后固定件試樣,對其進(jìn)行拉伸試驗,每個試樣的拉伸力如表2所示。由表2可知：改進(jìn)后固定件拉伸力較改進(jìn)前提高約1.56倍,拉伸力大幅增大。 

試驗過程中固定件拉伸后宏觀形貌如圖8所示。 

圖  8  試驗過程中固定件拉伸后宏觀形貌

4.   改進(jìn)措施

端蓋內(nèi)表面和固定件黏接面為弧面,在上述改進(jìn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對固定件形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,將固定件黏接面由平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化為與端蓋內(nèi)表面匹配的弧面形式,與蓋體內(nèi)表面貼合,使得固定件與蓋體內(nèi)表面黏接時膠層厚度均勻,以降低裝配應(yīng)力造成的固定件強度受損程度。優(yōu)化設(shè)計后的固定件黏接面如圖9所示。 

圖  9  優(yōu)化設(shè)計后的固定件黏接面示意

采取提高壓縮率、優(yōu)化連接孔數(shù)量及分布位置、形狀優(yōu)化等措施,制作優(yōu)化后固定件試樣,對這些試樣進(jìn)行拉伸試驗,拉伸試驗結(jié)果如表3所示。由表2~3可知：進(jìn)一步優(yōu)化后固定件試樣的拉伸力提高約13%。 

5.   結(jié)語

對某特種密封箱端蓋固定件撕脫原因進(jìn)行分析,結(jié)果表明：固定件壓縮率偏低是造成固定件強度不足的主要原因,固定件連接孔分布不合理進(jìn)一步造成其材料受損,最終導(dǎo)致固定件在受力時發(fā)生損壞并脫落。 

經(jīng)過提高固定件壓縮率、優(yōu)化連接孔數(shù)量及分布位置,固定件的拉伸力提高1.56倍,進(jìn)一步優(yōu)化固定件形狀后,拉伸力提高約13%。經(jīng)過改進(jìn)后,固定件撕脫將不再發(fā)生。

文章來源——材料與測試網(wǎng)