某型飛機(jī)排漏閥安裝斷裂分析計(jì)算

摘要：某型支線飛機(jī)排漏閥安裝時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，針對(duì)這一典型安裝斷裂情況，本文通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、斷口分析和有限元計(jì)算對(duì)排漏閥斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：排漏閥斷裂失效模式為外螺紋接頭第一圈螺紋根部過(guò)載拉伸斷裂，通過(guò)有限元計(jì)算得到了排漏閥螺母安裝的定力值上限，避免排漏閥安裝時(shí)再次發(fā)生拉伸斷裂。

關(guān)鍵詞：排漏閥 有限元計(jì)算 斷裂分析

中圖分類號(hào)： V226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1.前言

某型飛機(jī)在安裝發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)和APU供油系統(tǒng)套管排漏閥時(shí)，依據(jù)要求對(duì)套管排漏閥上的鎖緊螺母進(jìn)行定力安裝時(shí)，套管排漏閥發(fā)生斷裂，為了分析其斷裂原因，為排漏閥螺母安裝提出合理的建議，需對(duì)斷裂情況作出合理的分析計(jì)算。

2.斷裂現(xiàn)象與初步分析

排漏閥安裝是由排漏閥體和擰緊螺母組成。根據(jù)要求對(duì)排漏閥進(jìn)行安裝，給出的定力值要求為70-85IN-LBS，在未到該定力值時(shí)套管排漏閥就發(fā)生了斷裂，斷裂如圖1所示。

圖1 套管排漏閥安裝斷裂圖

分析排漏閥發(fā)生斷裂原因，由于排漏閥與螺母是螺紋連接，螺紋為細(xì)牙螺紋常用于高強(qiáng)度螺紋連接處。螺紋失效的原因有擠壓壓潰，剪切破壞，應(yīng)力集中疲勞破壞等。該排漏閥螺紋斷裂是整個(gè)排漏閥斷裂，且斷裂發(fā)生在排漏閥外螺紋接頭第一圈螺紋根部，斷裂表面斷口表面平整， 未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形。根據(jù)排漏閥斷裂的宏觀分析可以初步確認(rèn)排漏閥斷裂是在擰緊時(shí)使用定力值過(guò)大導(dǎo)致拉伸斷裂。

排漏閥在安裝時(shí)需要給出合理的定力值，在該定力值下，排漏閥體內(nèi)因預(yù)緊力而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力應(yīng)在排漏閥的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。這樣就可以通過(guò)首先根據(jù)安裝定力值計(jì)算排漏閥體的預(yù)緊力，然后將預(yù)緊力代入ABAQUS計(jì)算模型，得出排漏閥體內(nèi)的最大應(yīng)力，多次分析計(jì)算得出排漏閥體的許用應(yīng)力下的安裝定力值，即最大安裝定力值。再通過(guò)排漏閥實(shí)際安裝試驗(yàn)得出最小安裝定力，從而確定合適的安裝定力值。

3.斷裂分析計(jì)算

3.1 預(yù)緊力計(jì)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，螺母擰緊力矩M由兩部分組成，分別是螺紋間的摩擦力矩和螺母承托面上的摩擦力矩，可以由式（1）表示。其中和分別可以由式（2）和（3）進(jìn)行計(jì)算。

由于給定定力值要求為70-85IN-LBS。將M=85IN-LBS代入式（4）可以得到排漏閥體中的預(yù)緊力=602.8 lbf。

3.2 排漏閥強(qiáng)度計(jì)算

由于排漏閥體為外螺紋形式，螺紋通常會(huì)有應(yīng)力集中系數(shù)。由文獻(xiàn)[2]可以知道：當(dāng)螺紋升角小于2.9°時(shí)，螺紋升角對(duì)缺口應(yīng)力集中的影響僅為1%，在軸向載荷作用下，螺栓可以簡(jiǎn)化成軸對(duì)稱問(wèn)題。

由螺紋升角計(jì)算公式tanα=t/（πd2）可以算出升角α=1.606°，排漏閥斷裂是軸向受預(yù)緊力過(guò)大導(dǎo)致，則可以將排漏閥斷裂問(wèn)題考慮為軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析。

計(jì)算得出排漏閥的預(yù)緊力，可以根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式，算得排漏閥螺紋上的應(yīng)力，如果大于排漏閥的拉伸強(qiáng)度，則排漏閥就會(huì)斷裂。

根據(jù)排漏閥型號(hào)尺寸，在ABAQUS中可以建立排漏閥體和螺母的裝配模型如圖2所示，對(duì)其劃分網(wǎng)格，設(shè)置材料參數(shù)，邊界條件和施加預(yù)緊力，計(jì)算可得應(yīng)力云圖如圖3所示。

由螺紋預(yù)緊力公式可以算出在一定擰緊力矩下排漏閥體中的預(yù)緊力，將此預(yù)緊力加入到計(jì)算模型中可以算的排漏閥體中的最大主應(yīng)力，由此可以得到在不同擰緊力矩下排漏閥體的預(yù)緊力如下表2所示。由表2可以看出，在擰緊力矩為85IN-LBS下，排漏閥體的最大應(yīng)力為177.7MPa，遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力，在擰緊力矩為45IN-LBS下，排漏閥體的最大主應(yīng)力為94.41MPa，此時(shí)接近排漏閥的許用應(yīng)力值95.724MPa。

注：排漏閥許用應(yīng)力95.724MPa

以擰緊力矩M為85 IN-LBS時(shí)為例，在ABAQUS中計(jì)算得出排漏閥模型應(yīng)力云圖如圖4所示，由圖可知排漏閥體中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在排漏閥第一個(gè)螺紋牙底處。

由以上分析可以得出以下結(jié)果：

（a）排漏閥螺母在安裝定力為70-85（IN-LBS）下排漏閥必會(huì)斷裂；

（b）排漏閥斷裂位置是第一個(gè)螺紋牙底處；

（c）排漏閥螺母安裝力矩不應(yīng)大于45IN-LBS；

圖4 排漏閥模型在擰緊力矩為85 IN-LBS時(shí)應(yīng)力云圖

4.結(jié)論

根據(jù)分析計(jì)算，驗(yàn)證了排漏閥斷裂失效模式為外螺紋接頭第一圈螺紋根部過(guò)載拉伸斷裂，通過(guò)有限元計(jì)算得到了排漏閥螺母安裝的定力值上限，即排漏閥體上鎖緊螺母的擰緊力矩不應(yīng)超過(guò)45IN-LBS，以避免排漏閥安裝時(shí)再次發(fā)生拉伸斷裂。

參考文獻(xiàn)

[1] 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9 冊(cè)：載荷、強(qiáng)度和剛度.北京：航空工業(yè)出版社，2001

[2] 方棟，陳繼志. 高強(qiáng)度螺栓螺紋根部應(yīng)力集中的有限元分析[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用， 2004， 22（2）： 37-39.