趙洪甲 時(shí)旭東

摘要：故障件鎖銷是飛機(jī)減速傘系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，它安裝在減速傘艙門的轉(zhuǎn)臂上。當(dāng)飛機(jī)著陸放傘時(shí)減速傘艙門開啟，開啟到合適角度時(shí)鎖銷沿滑軌進(jìn)入限動(dòng)孔內(nèi)，給減速傘艙門起限動(dòng)、鎖定作用，防止減速傘艙門回彈。與此同時(shí)，減速傘鎖鉤開啟飛機(jī)放出減速傘，為飛機(jī)減速。本次研究旨在通過有限元的分析方法，利用ANSYS軟件進(jìn)行建模分析，分析鎖銷斷裂的原因。通過ANSYS軟件的后處理過程，提取位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力值，并進(jìn)行對(duì)比得出鎖銷過渡區(qū)應(yīng)力集中的結(jié)論。優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，在鎖銷過渡區(qū)增加相應(yīng)的倒角，再次進(jìn)行有限元分析，重新進(jìn)行建模計(jì)算。通過增加倒角前后得出位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力值的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證來檢驗(yàn)增加倒角的可行性和必要性。從而通過增加倒角優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，解決實(shí)際修理中的一起鎖銷斷裂的故障。

關(guān)鍵詞：飛機(jī);鎖銷;斷裂;有限元;ANSYS軟件

0 引言

某型飛機(jī)減速傘系統(tǒng)上的鎖銷是減速傘系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，它安裝在減速傘艙門帶鎖銷的轉(zhuǎn)臂上。當(dāng)飛機(jī)著陸放傘時(shí)減速傘艙門開啟，開啟到合適角度時(shí)鎖銷沿滑軌進(jìn)入限動(dòng)孔內(nèi)，給減速傘艙門起限動(dòng)、鎖定作用，防止減速傘艙門回彈。與此同時(shí)，減速傘鎖鉤開啟飛機(jī)放出減速傘，為飛機(jī)減速[1]。

鎖銷由高強(qiáng)度鋼整體機(jī)加而成，其整體由三段組成，三段的直徑分別為Φ6mm、Φ8.5mm、Φ4.8mm總長(zhǎng)度為46mm，其中Φ6段長(zhǎng)13mm，Φ8.5段長(zhǎng)6mm，Φ4.8段長(zhǎng)27mm，Φ8.5mm段還有一M4mm的螺紋孔用于安裝撥桿。鎖銷構(gòu)件的粗糙度除Φ8.5mm部分為1.6外，其余為3.2。一般尺寸公差按HB5800。熱處理σb=1175±100MPa，表面處理D·YCrT2·CH（除螺紋）。

1故障件的金相分析

1.1 檢查試驗(yàn)

使用ZEISS體視顯微鏡對(duì)斷口兩側(cè)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)斷口一側(cè)有明顯損傷和較粗糙加工刀痕，其余位置未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，兩側(cè)斷面均有光亮區(qū)，斷口中間部位呈深暗色并有明顯裂紋走向，區(qū)別明顯。

1.2 分析討論

根據(jù)檢驗(yàn)試驗(yàn)可知，中間深暗色部位斷裂起源于中央深色區(qū)裂紋呈收斂位置，呈現(xiàn)過載斷裂特征，表面?zhèn)鄄课粸樽詈笏矓鄥^(qū)，表面?zhèn)蹖?duì)造成斷裂影響不大;斷口兩側(cè)光亮區(qū)為磨損區(qū)，根據(jù)斷口受力可知，鎖銷長(zhǎng)期受雙向交變載荷，斷口處于鎖銷連接過渡區(qū)，較強(qiáng)的應(yīng)力集中造成線源裂紋擴(kuò)展。根據(jù)減速傘系統(tǒng)的組成及工作原理分析可看出，鎖銷斷裂處在系統(tǒng)中主要承受剪切載荷的作用且鎖銷變截面的過渡區(qū)存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。

2 故障件的有限元分析

2.1鎖銷的有限元模型簡(jiǎn)化

本次故障件鎖銷由于其Φ8.5mm段在殼體內(nèi)，受到殼體對(duì)其橫向的約束即垂直于鎖銷軸向的約束，使其在橫向內(nèi)無法產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而鎖銷工作時(shí)受彈簧的作用其在軸向也不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鎖銷Φ6mm段受到剪切載荷的作用，在Φ6mm段和Φ8.5mm段的交界處應(yīng)力最大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。鎖銷的受力和受約束的情況和懸臂梁的受力和受約束情況極為相似，由此可以將鎖銷的有限元分析過程簡(jiǎn)化為一懸臂梁的有限元的分析過程。

2.2建立鎖銷的有限元模型

單元類型是在網(wǎng)格劃分時(shí)使用的單元形式，鎖銷的結(jié)構(gòu)可近似為階梯軸，因此選取Solid187單元對(duì)鎖銷進(jìn)行模型建立。Solid187單元是一種三維高階具有十個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體固體結(jié)構(gòu)單元，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有X、Y、Z方向上的平面自由度。由于鎖銷的材料為30CrMnSiA因此在ANSYS材料性能參數(shù)欄中分別設(shè)置其彈性模量和泊松比為：196GPa、0.28。設(shè)置完成后生成有限元模型[2]。

對(duì)建立好的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇菜單欄Main Menu→Preporcessor→Meshing→Mesh Tool命令，選中“Free”單選對(duì)話框單擊“Mesh”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇鎖銷實(shí)體模型，即可對(duì)鎖銷進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。

2.3施加約束和載荷

對(duì)構(gòu)件施加5000N均布載荷，分別提取在5000N均布載荷構(gòu)件的幾何位移圖、總位移云圖、von-miss應(yīng)力云圖及局部應(yīng)力提取值。

施加5000N的均布載荷后得出的位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力。從表中的位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力看出鎖銷兩端面根部的值最大，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而此處也恰好是故障件鎖銷斷裂的地方。這和本文第1章中對(duì)故障件進(jìn)行金相分析得到的結(jié)果相吻合即“撥桿發(fā)生斷裂的原因是撥桿結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域由于應(yīng)力集中長(zhǎng)期受交變載荷和加工刀痕產(chǎn)生微裂紋進(jìn)而產(chǎn)生疲勞斷裂，疲勞斷裂到一定程度，瞬間的受力會(huì)使零件應(yīng)力過大進(jìn)而產(chǎn)生過載斷裂?！?/p>

由此原因采納金相分析中給出的建議，優(yōu)化鎖銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在過渡區(qū)增加小倒角圓弧。

2.4 過渡區(qū)增加倒角的分析

對(duì)鎖銷過渡區(qū)增加0.2mm倒角，重新建立模型、網(wǎng)格劃分、施加自由度約束。施加3000N的均布載荷后得出的位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力，

從表中得出的位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力可以看出，對(duì)變截面過渡區(qū)增加倒角后施加相同的均布載荷的情況下，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了緩解，且隨著倒角的不斷增大應(yīng)力集中現(xiàn)象得到的緩解程度也更好。

3 結(jié)束語

本文利用了ANSYS軟件對(duì)斷裂的鎖銷進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析，通過對(duì)鎖銷進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、施加約束和施加不同程度的均布載荷，得出原鎖銷的設(shè)計(jì)中過渡區(qū)未設(shè)置倒角，導(dǎo)致過渡區(qū)部位應(yīng)力的集中，在尖端承受均布載荷的情況下過渡區(qū)部位的位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力值相對(duì)較高，長(zhǎng)期作用易導(dǎo)致過渡區(qū)端面的疲勞斷裂。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)后即對(duì)過渡區(qū)增加倒角后從有限元分析的結(jié)果可以明顯的看出。對(duì)比未增加倒角的設(shè)計(jì)渡區(qū)部位的位移值、Y方向應(yīng)力值、Von-miss應(yīng)力值明顯降低，應(yīng)力集中現(xiàn)象有了明顯的改善，抗疲勞的性能得到了改善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊晨. 受閱方隊(duì)和武器裝備一瞥[J]. 祖國，2015， （9）.

[2] 王中要. 基于ANSYS的梁結(jié)構(gòu)有限元分析 [J]. 公路，2009，（7）.

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