基于故障物理學的結構故障淺析

焦超鋒，任康，張豐華，姜紅明，劉治虎

（中國航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

目前國內外的可靠性技術主要分為兩大類，即基于概率統計的傳統可靠性技術和基于故障物理的現代可靠性技術。傳統可靠性技術主要是依靠邏輯分析和失效率統計，要提高產品的可靠性水平，只能通過改變外部環境和提高元器件、零部件可靠性水平，工程上難以實現。而基于故障物理的可靠性技術則是通過對產生失效的根本原因進行分析，有針對性地利用結構優化、布局優化、器件更換等手段，達到現有條件下的最佳設計［1］。

加固計算機的結構部分是計算機的第一道屏障，其強度、剛度、熱設計、電磁屏蔽與防護設計等結構設計水平的高低，決定著結構產品的可靠性水平。而一般結構系統的串聯失效模型特點，也注定了結構系統存在單點故障的可能，如果結構中某個單點發生失效，就會直接影響飛行任務的完成甚至會影響飛行安全。因此，對加固計算機中結構部分的典型故障進行研究，不斷改進和提高結構系統的可靠性水平，具有十分重要的現實意義。

1 故障概述

符合GJB441 標準的采用A 型鎖緊機構的加固計算機作為一種標準產品，在航空產品中應用廣泛。結構產品的故障一般為耗損性故障，其故障現象包含零部件的磨損、疲勞斷裂等。典型的故障如安裝架表面磨損、前緊定裝置的螺桿發生斷裂等，如圖1 所示。經端口分析，發現端口呈平滑狀，有明顯的疲勞裂紋萌生區、擴展區及裂紋斷裂區，符合疲勞斷裂的故障現象，故該斷裂一般是在較低應力條件下發生的疲勞斷裂，從螺桿表面看，因為螺桿表面存在螺紋，在振動環境下，螺桿受到交變應力的作用，就會發生疲勞斷裂故障。

圖1 典型故障現象

2 設計分析

計算機與安裝架的后緊定采用GJB441 規定的A 型緊定裝置。通過機箱上的銷套和安裝架上的錐銷配合來實現。通過對前后緊定裝置的尺寸和配合關系進行分析，安裝架和機箱的設計均符合標準規范的相關要求，結構設計合理，前、后緊定裝置的設計未發現明顯異常。

3 強度仿真分析

根據目前的機箱和安裝架的結構設計，建立仿真模型，如圖2 所示。

在3 個方向施加耐久振動圖譜如圖3 所示，每個方向振動2.5 h，經計算，目前振動量值4.86g。

在前、后底座的4 個安裝孔的振動方向施加10～500 Hz 范圍的單位加速度，其余方向完全約束。用模態法計算設備3 個方向的頻率響應，施加如圖3 所示的耐久振動圖譜，計算隨機振動結果。頻率采樣點為10～500 Hz 范圍內線性插值采點和各階模態頻點的Lin.Spread 方法采點組合。黏滯阻尼系數（CRIT）取0.05。水平及垂直方向2σ 應力均方根如表1、表2 所示。

圖2 仿真分析簡化模型

圖3 振動圖譜

表1 機箱零件分析結論

表2 安裝架零件分析結論

仿真分析結論：根據機械疲勞與可靠性設計要求：對于一般航空構件，民航適航性組織指定的標準的安全系數為n≥1.5，從以上分析結果可看出，最小安全系數的錐銷，其安全系數大于一般航空結構安全系數1.5，因此，從仿真結果看，該產品應能通過以上振動量值振動試驗。

雖然產品的安全系數均大于設計準則的基本要求，但對于重要的承力件，可以考慮增加安全系數，進行安全裕度設計，提高產品的健壯程度，以降低故障率。

4 試驗裝夾分析

在試驗前，由試驗操作人員安裝機箱和安裝架，試驗人員根據經驗對安裝架上的前鎖緊組件進行徒手擰緊操作，如果沒有擰緊，就會導致安裝架和機箱之間存在間隙，導致振動量值放大，使得連接結構件如鎖鉤、前鎖緊組件及錐銷受過應力作用，導致斷裂。如果擰緊力矩過大，又會使螺桿收到過大的預緊力，導致螺桿抵抗振動沖擊的強度余量不足，在振動過程中，會導致螺桿承受過大應力而破壞。因此，有必要對擰緊力矩的大小進行研究，給定標準的擰緊力矩值，既保證機箱安裝架安裝緊固，又保證螺桿自身受力適當，且預留一定的強度來抵抗振動和沖擊。

螺桿可以施加的擰緊力矩

式中：K 為擰緊力矩系數，對于一般加工，無潤滑的表面，擰緊力矩系數選擇0.18～0.21［1］因此，取中值K=0.195；d 為螺桿直徑，對于常用的M8螺桿，取d=8；n 為強度預留系數，對于碳鋼螺釘，應取0.6～0.7，因此設計取中值0.65；σs為螺桿的屈服極限，經查GB/T1220-1992，規定不銹鋼1Cr18Ni9Ti 的σs=205 MPa，因此取205 MPa；As為螺桿受力截面積。As=30.77。

代入參數計算，M=K·d·n·σs·As=0.195×8×10-3×0.65×205×30.77=6.4 Nm。

這是按照使螺桿受到屈服極限65%應力條件下所計算的前鎖緊組件的擰緊力矩。

5 試驗驗證

為了進一步驗證改進后結構的可靠性，特制作了工程樣件的機箱、安裝架，將螺桿螺紋更換為MJ 螺紋，內部按照12 kg 標準設計并安裝了配重，按照計算的擰緊力矩進行安裝，在環境實驗室進行了耐久試驗，試驗分3 個方向，每個方向2.5 h，試驗結束后，螺桿沒有發生斷裂、彎曲等明顯故障，仔細查驗螺桿表面，發現螺桿表面沒有肉眼可見的裂紋，表面磨損在可承受的范圍之內。試驗順利通過，說明以上的改進方案是有效的。

6 結論

基于故障物理的可靠性設計方法是一種“事前分析、提前預防”設計思想，即通過對產品已知的失效模式、位置、機理進行研究，確定零件失效的根源，提出預防措施；通過對產品進行健壯設計，以預防失效，生產出具有高可靠性的產品。希望以上設計和分析方法為電子設備的結構可靠性設計起到拋磚引玉的作用。

［1］張令波，曾晨輝.艦載直升機機載電子產品可靠性設計驗證方法［J］.航空標準化與質量，2011（4）.

［2］張振華，應秉斌，矯明.螺栓擰緊力矩的確定方法及相關探討［J］.化學工程與裝配，2009（8）：105-107，96.

［3］趙蘊懿，李金萍.螺釘裝配及防松技術［J］.航天制造技術，2008（5）：45-47.