李鑒濤 李華霖

摘要：針對(duì)某型裝備在延壽科研振動(dòng)試驗(yàn)中先后出現(xiàn)轉(zhuǎn)接艙固定面和攝像機(jī)固定支架結(jié)構(gòu)件斷裂失效故障，在剖析裝備結(jié)構(gòu)件發(fā)生失效的原因基礎(chǔ)上，采用疲勞等價(jià)原理，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際貯存環(huán)境，科學(xué)評(píng)估結(jié)構(gòu)斷裂對(duì)裝備科研定壽的影響。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)試驗(yàn);結(jié)構(gòu)件;斷裂;科研定壽

0引言

振動(dòng)試驗(yàn)是考核裝備掛機(jī)飛行耐沖擊能力的重要手段。受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)條件、振動(dòng)時(shí)間和工作特性等因素影響，試驗(yàn)件在振動(dòng)過(guò)程很容易發(fā)生結(jié)構(gòu)件斷裂等失效故障。如何分析失效原因，科學(xué)給出失效結(jié)論，是分析裝備總體貯存壽命、制定修理措施等的重要依據(jù)。

本文采用常規(guī)失效分析手段，在對(duì)斷裂材料開(kāi)展成分、斷面、金相、硬度等手段分析基礎(chǔ)上，針對(duì)武器裝備實(shí)際使用特點(diǎn)，同時(shí)采用疲勞等效分析原理，外推產(chǎn)品振動(dòng)條件、斷裂時(shí)機(jī)與貯存壽命的關(guān)系，最終科學(xué)評(píng)估斷裂失效對(duì)產(chǎn)品實(shí)際掛機(jī)使用的影響結(jié)論。

1試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1試驗(yàn)背景及條件

為科學(xué)評(píng)估某型裝備的貯存壽命，對(duì)其進(jìn)行延壽科研試驗(yàn)。按照總體試驗(yàn)大綱要求，在裝備機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行貯存加速試驗(yàn)達(dá)到16年貯存壽命時(shí)，需提取1套樣品恢復(fù)成整彈，進(jìn)行測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)和采取必要的修理措施，確認(rèn)各機(jī)電產(chǎn)品貯存壽命能否滿足16年貯存壽命的要求，并驗(yàn)證修理措施的正確性。其中振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)時(shí)間為1h，試驗(yàn)譜型如圖1，試驗(yàn)量值如表1。

1.2試驗(yàn)結(jié)果

在振動(dòng)試驗(yàn)中，采用在振動(dòng)夾具上安裝控制傳感器的控制方式，振動(dòng)夾具的安裝如圖2所示。

在振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行到4min時(shí)，發(fā)現(xiàn)該型裝備的導(dǎo)引頭與戰(zhàn)斗部轉(zhuǎn)接艙固定面發(fā)生斷裂，如圖3所示。

更換轉(zhuǎn)接艙后，根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更改控制方式，在裝備的頭部和尾部增加傳感器控制點(diǎn)，重新進(jìn)行振動(dòng)。

在振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行到約50min時(shí)，發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)逐漸向下傾斜;在進(jìn)行完1h的隨機(jī)振動(dòng)后，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)不受控制，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)安裝攝像機(jī)的支架發(fā)生斷裂，導(dǎo)致無(wú)法控制攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，斷裂情況如圖4所示。

2失效分析與討論

通過(guò)對(duì)發(fā)生斷裂的部件材料進(jìn)行外觀、成分、、金相、斷面、硬度等分析和測(cè)定，結(jié)合實(shí)際的力學(xué)狀態(tài)分析斷裂原因。

2.1外觀檢查

對(duì)斷裂樣品的表面及外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)斷裂部件的表面都涂有油漆，油漆層保持完好，材料表面沒(méi)有氧化、腐蝕現(xiàn)象。但在試驗(yàn)前檢查時(shí)兩處連接處均無(wú)裂紋、變形等缺陷。

2.2成分分析

斷裂樣品的化學(xué)成份分析結(jié)果如表2所示，通過(guò)光譜分析可知轉(zhuǎn)接艙的材料為ZL101，攝像機(jī)固定支架的材料為ZL102。

2.3斷面分析

轉(zhuǎn)接艙斷面如圖5所示，斷口表面沒(méi)有規(guī)律性，呈脆性閃光小面狀，從斷面情況分析，屬脆性斷裂，斷面沒(méi)有異常的鑄造缺陷。

攝像機(jī)固定支架的斷面如圖6所示，斷面表面平滑，可看到疲勞源區(qū)和瞬間破斷區(qū)，斷裂邊緣有嚴(yán)重的變形和損傷痕跡，呈強(qiáng)力變形后斷裂的特征。從斷面分析結(jié)果，試樣屬疲勞斷裂，斷面沒(méi)有異常的鑄造缺陷。

2.4金相分析及硬度檢驗(yàn)

對(duì)轉(zhuǎn)接艙進(jìn)行金相分析，通過(guò)拍攝金相顯微組織圖譜進(jìn)行分析、比對(duì)，其組織形貌如圖7所示。該鑄造鋁合金經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理，顯微組織為樹(shù)枝狀均勻分布的a（A1）初晶和短條狀基體與硅形成的（a+ Si）共晶，在高放大倍數(shù)下可清楚地看到大部分共晶硅呈短條狀，針狀者則為β（A19Fe2Si2）相。由于a（A1）枝晶和（a+Si）共晶的晶粒較大，因此該材料力學(xué)性能不高。經(jīng)檢測(cè)，該鑄件斷口附近的硬度在41.9HB左右。

對(duì)攝像機(jī)固定支架進(jìn)行金相分析，通過(guò)拍攝金相顯微組織圖譜分析、比對(duì)，其組織形貌如圖8所示，該鑄造鋁合金經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理，顯微組織為樹(shù)枝狀均勻分布的a（A1）初晶和短條狀基體與硅形成的（a+Si）共晶，提高放大倍數(shù)，可看出共晶硅晶粒甚為細(xì)小，使該材料力學(xué)性能有所提高。經(jīng)檢測(cè)，該鑄件斷口附近的硬度在64.2HB左右。

2.5力學(xué)分析

在第一次振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)接艙7個(gè)螺栓連接部位都出現(xiàn)斷裂，斷裂處是艙段之間的應(yīng)力集中點(diǎn)，斷裂面呈月牙型。根據(jù)理化分析結(jié)果，斷裂處沒(méi)有發(fā)生塑性變形，應(yīng)是由于振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)連接艙體材料的強(qiáng)度極限而引起的突然脆性斷裂失效。

在第二次在振動(dòng)試驗(yàn)中，裝備一直處于通電狀態(tài)，裝備目標(biāo)鎖定機(jī)構(gòu)使攝像機(jī)保持恒定姿態(tài)，由于在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生較大慣性力致使攝像機(jī)固定支架長(zhǎng)時(shí)間承受較大交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂失效。

該疲勞斷裂失效發(fā)生在試驗(yàn)時(shí)間50min，根據(jù)疲勞等價(jià)原理可推算出該型裝備經(jīng)歷50min功能振動(dòng)的等效掛飛壽命約為25h，計(jì)算過(guò)程如下：

1）設(shè)裝備的功能振動(dòng)量值為W₁，耐久振動(dòng)量值為W₂，且W₂=1.6 W₁。根據(jù)Miner線性損傷原理，疲勞等價(jià)關(guān)系為：（W₂/ W₁）⁴=T₁/T₂。式中：T₁為W₁條件下的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，T₂為W₂條件下的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

2）已知T₁=5 0min，W₂=1.6 W₁，則可推算出T₂=7.63 min，即在功能振動(dòng)試驗(yàn)條件下經(jīng)歷50min試驗(yàn)等效于在耐久振動(dòng)試驗(yàn)條件下經(jīng)歷7.63min試驗(yàn)。

3）已知當(dāng)試驗(yàn)樣品等效掛飛時(shí)間為150飛行小時(shí)時(shí)，如果耐久振動(dòng)試驗(yàn)量值為功能振動(dòng)量值的1.6倍，耐久試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間等效為46min。根據(jù)Miner線性損傷原理可得出，經(jīng)歷50min功能振動(dòng)的等效掛飛壽命為：150×7.63/46=25飛行小時(shí)。

3分析結(jié)論

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，該枚電視制導(dǎo)裝備轉(zhuǎn)接艙、攝像機(jī)固定支架發(fā)生斷裂的結(jié)論如下。

1）通過(guò)對(duì)故障部位材料進(jìn)行理化分析，材料表面無(wú)銹蝕、氧化、裂紋等缺陷，表明長(zhǎng)期貯存對(duì)故障部位的結(jié)構(gòu)材料性能無(wú)明顯影響;

2）轉(zhuǎn)接艙斷裂為脆性斷裂，是由于試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)控制不當(dāng)所引起。在第一次的振動(dòng)中，轉(zhuǎn)接艙斷裂區(qū)域?yàn)閮膳摱沃g的連接部分，斷裂面呈月牙型，是艙段之間的應(yīng)力集中點(diǎn)，結(jié)合艙段之間的7個(gè)連接耳都出現(xiàn)斷裂，說(shuō)明此類斷裂不是偶然的，是群體性發(fā)生的，是因?yàn)檫B接耳材料在大應(yīng)力作用下，經(jīng)受不住強(qiáng)度要求而產(chǎn)生斷裂。

斷裂處沒(méi)有發(fā)生塑性變形，屬于彈性畸變失效。在試驗(yàn)中，由于轉(zhuǎn)接艙離振動(dòng)夾具固定部位較遠(yuǎn)，力臂較長(zhǎng)，振動(dòng)量級(jí)及振幅隨臂長(zhǎng)增加而成倍放大，使應(yīng)力集中在導(dǎo)引頭與戰(zhàn)斗部過(guò)渡的梯形艙段，應(yīng)力和振幅超過(guò)了材料許用上限，產(chǎn)生彈性畸變失效。在樣品修復(fù)后重新投入試驗(yàn)并改變控制方式后，轉(zhuǎn)接艙未再發(fā)生斷裂，表明轉(zhuǎn)接艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足掛飛振動(dòng)要求。

3）第二次試驗(yàn)中，改變控制點(diǎn)的位置，在裝備上的各點(diǎn)安裝控制點(diǎn)，對(duì)整體進(jìn)行控制，使導(dǎo)引頭、彈身及尾艙的振幅保持在一定的范圍內(nèi)，這樣振動(dòng)過(guò)程中可一定程度上限制力臂的放大作用。第二次振動(dòng)過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)表明力臂的放大作用減小了，但并不能完全的消除此類放大作用，在裝備的兩端位置振動(dòng)量級(jí)還是超過(guò)了試驗(yàn)規(guī)定的振動(dòng)量。在第二次振動(dòng)試驗(yàn)中，裝備一直處于通電狀態(tài)，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)陀螺使攝像機(jī)保持平衡，攝像機(jī)固定支架受到陀螺的穩(wěn)定力矩，同時(shí)也受振動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)產(chǎn)生的抗力，振動(dòng)中的抗力被放大，材料所受的載荷變大，超出了材料正常使用應(yīng)力，材料在長(zhǎng)時(shí)間大載荷作用下，疲勞壽命將大大縮減，所以造成支架在大約50min時(shí)，產(chǎn)生疲勞斷裂。

4）該型裝備掛飛壽命要求為20飛行小時(shí)，該型裝備經(jīng)歷50min功能振動(dòng)試驗(yàn)未發(fā)生故障的等效掛飛壽命為25飛行小時(shí)，表明經(jīng)歷長(zhǎng)期貯存后裝備仍能滿足掛飛環(huán)境下的壽命要求，該型裝備能夠滿足貯存16年的壽命要求。

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