高壓管路振動斷裂失效研究

李東升，范東林，張茜，薛曉艷

（國營洛陽丹城無線電廠，洛陽 471000）

引言

高壓管路是安裝在某型導彈舵機艙內的高壓承力、傳力元件，在電爆管點火后可產生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體推動舵機解鎖裝置，使其解鎖。高壓管路結構組成及安裝位置圖如圖1所示。

圖1 高壓管路結構組成及安裝位置圖

在某型舵機環境應力篩選振動試驗后進行解鎖測試，出現舵機無法解鎖故障。分解舵機后，發現高壓管路斷裂部位位于與主管路接頭連接的同側支管路根部，即位于圖1所示三角接頭處。高壓管路的斷裂失效，從失效部位、使用環境來看，與本身的結構設計、較大的環境振動應力相關，該處為焊縫，容易產生應力集中，且電爆管相連的主管路工作時處于懸空狀態，若振動時產生“過應力”將可能造成高壓管路斷裂失效。

1 失效分析

1.1 斷口分析

高壓管路斷裂處為焊接部位，焊接后外部涂有保護膠。采用ICP-OES以及碳、硫分析法對管路和接頭進行化學成分分析，氣管材質為S30408不銹鋼，接頭材質為S30403不銹鋼。

對斷口進行形貌分析，端口附近未見明顯的塑性變形，斷口由兩個區域構成，兩區域存在明顯的高度差，A區為主斷面，占90 %以上，裂紋源從圖示黑色箭頭處萌生，然后向兩側擴展；B區裂紋從圖示黑色箭頭處萌生，然后向兩側擴展。兩個裂紋源的連線與安裝水平面垂直，兩個裂紋源對稱分布，如圖2所示。

圖2 裂紋源形貌

對斷面進行SEM觀察，A區域裂紋源，如圖3（a）、圖3（b）所示，A區裂紋源區未見明顯的冶金缺陷，擴展區可見疲勞條帶；B區裂紋源處發生磨損（圖3（c）、圖3（d）所示），擴展區可見疲勞條帶。A、B交匯斜面處形貌，可見塑性變形痕跡與韌窩，為瞬斷區。

圖2 裂紋源形貌

從以上分析可知，結構件的斷裂為高周疲勞斷裂，兩個裂紋源對稱分布，裂紋均從表面萌生，裂紋源區未見明顯的冶金缺陷。

1.2 焊縫分析

對氣管與三角接頭處斷裂處分析，為焊接連接形式，氣管的組織為單相奧氏體，等軸晶粒；接頭組織為單相奧氏體，晶粒粗大，靠近焊縫處存在熱影響區，對焊縫進行EDS分析，氣管與接頭的焊接方式為硬釬焊，釬料為銅鎳釬料。銅鎳釬料焊接時，需約1 200 ℃的溫度，對焊接控制要求較高。

1.3 小結

根據前述分析，高壓管路發生斷裂，為在振動環境下，發生高周疲勞斷裂，裂紋起源于結構突變位置焊料表面的缺陷處，其它焊接位置未見明顯的缺口。另一方面，高壓管路隨舵機產品經歷了多個周期的振動（沖擊）工作環境而未發生失效，在環境應力篩選階段出現故障，應與不合理的所施加振動應力相關。

2 環境應力振動試驗研究

2.1 振動夾具動態性能要求

振動夾具的動剛度常用固有頻率來表征，求解固有頻率為對結構件進行模態分析。模態分析是通過數學手段將物理空間中的物理坐標轉化為模態空間的模態坐標。模態空間的基是相互正交的（模態是解耦的），這就意味著我們可將實際物理空間的力分解在模態基上，從而得到力對不同模態的貢獻。這里引入了模態參與因子，模態參與因子指系統的某一階特定的模態在系統頻率響應中的參與量，模態參與因子較大的模態稱為結構的主導模態，在結構響應中起支配作用。結構物和環境因素一旦被確定，結構的主導模態也就確定了。一般情況下，結構的主導模態有多個，當有多個模態同時支配結構的響應時，結構的動應力可視為主導模態與各次主導模態的組合作用的結果，其對某點貢獻是空間矢量疊加。

振動夾具與振動臺連接后可視為剛性較大的“懸臂梁”，橫向振動時，長度為L、單位長度質量為ρ的懸臂梁，前四階模態參與因子為0.783、0.4339、0.2544、0.1818，即前幾階模態（尤其一階模態）對產品影響最大。另一方面，對于單自由度系統，f/fn越小（其中f為試驗頻率，fn為夾具一階固有頻率），傳遞特性越接近1，即要求振動夾具固有頻率也盡可能提高。

綜合模態參與因子、傳遞特性要求，振動夾具設計時應盡可能提高第一階固有頻率，使其不僅具有較好的傳遞特性，也可減少所貢獻模態的參與，降低振動試驗時試驗件的損傷概率。

2.2 兩種振動夾具的研制

為進行環境應力篩選試驗，需對安裝有高壓管路的舵機進行振動試驗，設計了一種螺栓連接方式的振動試驗夾具，該振動夾具制造簡單、加工周期短，但動態性能相對鑄造結構較差。

對振動夾具利用SolidWorks中的Simulation進行頻率計算，將不同板件之間連接處設置為“接觸對”，按照實際固定方式對底板進行約束，計算可得振動夾具的一階固有頻率為363.29 Hz，如圖4所示。

圖4 螺栓連接的振動夾具一階模態

振動夾具前四階固有頻率如表1所示。

表1 螺栓連接形式振動夾具固有頻率

一般認為，對于中型產品，振動夾具一階固有頻率不宜低于500 Hz[1]，結構的破壞常發生在低頻共振頻率區，即低頻模態參與因子最大。本產品振動夾具一階固有頻率低于500 Hz，為螺栓連接裝配結構，剛度相對較低。為避免后續產品振動試驗時，高壓管路出現斷裂故障，研制了新型振動夾具，該夾具底座為鋁合金鑄造結構，具有剛度高、阻尼比大特點。

對鑄造形式的振動夾具進行傳遞性試驗，第一階固有頻率約600 Hz（有限元仿真第一階固有頻率為726 Hz，如圖5所示），滿足“夾具的頻率應達到試件最低頻率（舵機艙第一階固有頻率不超過100 Hz）的三倍到四倍以上”及“振動夾具一階固有頻率不低于500 Hz”要求[2,3]。

圖5 鑄造形式的振動夾具一階固有頻率

高壓管路斷裂為在X向振動載荷下發生，將舵機安裝到鑄造形式的振動夾具上，經測試，高壓管路隨舵機在X向振動，三角接頭處加速度均方根值為12.01 g，如圖6所示；而安裝在螺栓連接形式振動夾具上測試，X向振動加速度均方根值為23 g。對比兩種振動夾具試驗，安裝在鑄造形式振動夾具上的高壓管路振動量級得到大幅降低，降低了隨機振動試驗對高壓管路損傷概率。

圖6 高壓管路三角接頭處X向、Y向加速度均方根值

2.3 動應力計算與分析

2.3.1 振動控制策略

對于復雜結構件的振動試驗，一般均采用多點隨機控制方式，工程應用中，平均值更為常見。

對于隨機振動試驗，設為n點平均值控制，其平均控制功率譜密度為：

式中：

Si（w）—第i個參與控制的功率譜密度矩陣。

振動試驗控制的目的就是使n點響應的平均功率譜滿足振動控制試驗條件不超過一定的容差要求，通過閉環控制，調整對試驗件的輸入，滿足試驗要求。

舵機高壓管路的振動試驗方式，分為兩種：一種為舵機產品上不布置加速度傳感器，全部安裝在振動夾具上；另一種為在舵機艙體上高壓管路附近、振動夾具上均布置傳感器。在舵機艙體高壓管路附近設置傳感器的目的是可使得該處響應參與閉環控制，通過該種優化控制方式，降低復雜產品各處響應不均衡造成局部結構損傷概率。

2.3.2 螺栓連接振動夾具動應力分析

高壓管路振動試驗時，3個加速度傳感器均布置在振動夾具底板上，采用3點平均值控制。受限加速度傳感器體積等條件，高壓管路斷裂部位動應力響應無法直接測試，利用Simulation，計算在隨機振動試驗條件下高壓管路受力情況，確定斷裂部位以及斷裂闕值。仿真計算時，選擇“線性動力”下的“無規則振動”，確定相關邊界條件、阻尼后，選擇“選定的基準激發”，編輯“曲線”，輸入高壓管路與艙體連接處響應（加速度傳感器拾取）的功率譜密度曲線，可得圖7所示螺栓連接形式振動夾具試驗條件下高壓管路的動應力云圖，隨機振動仿真計算最大動應力達到171.6 MPa，最大動應力發生在三角接頭部位，與實際振動試驗斷裂位置相同。根據文獻[4]，304不銹鋼S-N曲線，在109周次對應條件的疲勞強度約為157 MPa，螺栓連接形式振動夾具在X向振動試驗時，最大動應力超過材料的疲勞強度，高壓管路極易發生疲勞斷裂。

圖7 螺栓連接形式振動夾具振動時高壓管路動應力云圖

2.3.3 鑄造形式振動夾具動應力分析

對于鑄造形式的振動夾具，仍將3個加速度傳感器均布置在振動夾具底板上，采用3點平均值控制，測得高壓管路與艙體連接處響應的功率譜密度曲線，利用Simulation，計算鑄造形式振動夾具在X向隨機振動試驗條件下高壓管路受力情況，可得圖8所示動應力云圖，隨機振動仿真計算最大動應力約為100 MPa，最大動應力發生在三角接頭部位，但最大動應力低于材料的疲勞強度157 MPa，高壓管路發生疲勞斷裂的可能性大大降低。

圖8 鑄造形式振動夾具振動試驗高壓管路動應力云圖（3點布置底板）

為進一步降低高壓管路斷裂概率，高壓管路振動試驗時，將2個加速度傳感器布置在舵機艙體靠近高壓管路安裝處，保留1個加速度傳感器布置在振動夾具底板上，采用傳感器不同安裝位置的3點平均值控制。利用Simulation，計算鑄造形式振動夾具在X向隨機振動試驗條件下高壓管路受力情況，可得圖9所示動應力云圖，隨機振動仿真計算最大動應力僅為59.3 MPa（約為1/3），最大動應力同樣發生在三角接頭部位，但最大動應力遠低于材料的疲勞強度，高壓管路不會發生疲勞斷裂。

圖9 鑄造形式振動夾具振動試驗高壓管路動應力云圖（1點布置底板）

三種振動條件下，高壓管路動應力響應對比如表2所示。

表2 三種振動條件高壓管路動應力對比

可以看出，通過提高振動夾具一階固有頻率可以改善振動夾具的傳遞性，而進一步優化振動時傳感器的布置，通過抑制敏感元件處“最大振動量級”，可以平衡試驗件的響應，避免過振動或欠振動。

2.4 故障高壓管路的修復

高壓管路斷裂部位為銅鎳硬釬焊，對斷裂部位修復應采用局部加熱進行焊接，即對高壓管路采用高頻感應焊接，而銅鎳釬料熔點高、溫度控制困難，在局部焊接熔化銅鎳釬料時極易出現管路內孔熔化故障，造成高壓管路內孔部分或全部堵塞，最終可能引起舵機無法在規定時間內解鎖。經過多輪焊接工藝驗證，采用牌號為HBCu71NiMnSiB銅基釬料，嚴格控制焊接時間，防止待焊部位焊接“過燒”，解決了高壓管路內孔堵塞缺陷，完成了高壓管路的修復焊接。

3 結論

某型舵機高壓管路隨機振動試驗時發生斷裂失效，與本身的結構、較大的振動應力、試驗件材質等相關，斷裂部位為焊縫，且振動時該處相對處于懸空狀態，容易產生應力集中，加之不合理的“過應力”造成了高壓管路的斷裂失效。

振動夾具為振動試驗時連接試驗件與振動臺的“媒介”，設計合理的振動夾具能夠篩選裝配、焊接等不合格產品，不會產生對產品的累積應力損傷；而設計不合理的振動夾具或憑經驗采取振動控制方式，極易造成振動試驗件的顯性或隱性損傷[5]。在振動夾具設計中，一階固有頻率、試驗件的薄弱環節分析極為重要；振動試驗時，應合理布置加速度傳感器以均衡、消除“過應力”，同時也應避免振動量級不足導致“欠試驗”，使得無法及早發現產品潛在缺陷。