圖 1 某型號密封箱端蓋固定件及安裝狀態(tài)照片
分享：某特種密封箱端蓋固定件撕脫原因和優(yōu)化改進(jìn)
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。
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
| (1) |
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。
Table 1. 不同玻璃纖維層數(shù)及壓縮率試樣的抗拉強度
| 序號 | 層數(shù) | 厚度/mm | 壓縮率/% | 抗拉強度/MPa |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 6 | 1.5 | 30 | 268 |
| 2 | 9 | 2.2 | 30 | 283 |
| 3 | 12 | 3.0 | 30 | 281 |
| 4 | 9 | 1.6 | 50 | 372 |
| 5 | 12 | 2.2 | 50 | 370 |
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。
Table 2. 固定件試樣的拉伸力
| 狀態(tài) | 試樣編號 | 拉伸力 | 平均值 |
|---|---|---|---|
| 改進(jìn)前 | 1-1 | 2 185 | 2 288 |
| 1-2 | 2 490 | ||
| 1-3 | 2 190 | ||
| 改進(jìn)后 | 2-1 | 4 870 | 5 853 |
| 2-2 | 6 255 | ||
| 2-3 | 6 435 |
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%。
Table 3. 進(jìn)一步優(yōu)化后固定件試樣的拉伸力
| 試樣編號 | 拉伸力 | 平均值 |
|---|---|---|
| d-1 | 7 160 | 6 643 |
| d-2 | 6 470 | |
| d-3 | 6 298 |
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)
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