安全性是系統設計中一項重要的、需要關注的項目。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（燃氣流）的沖刷作用下二次受力,導致支撐附件脫落而砸傷地面設備及工作人員,該固定件直接關系到系統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,在燃氣流沖刷的影響下[2],出現固定件撕脫損壞的現象,導致支撐件與端蓋分離,嚴重威脅地面設備及工作人員的安全。筆者對固定件撕脫機制、鋪層層數進行研究,對連接孔分布進行仿真分析,進一步提高了固定件與端蓋的黏接強度,并提出了改進措施,以防止該類問題再次發生。

圖 1某型號密封箱端蓋固定件及安裝狀態照片

由于目前端蓋所屬特種密封箱系統要求輕質化,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、熱性能和可設計性等優點[4]。固定件應用壓制成型工藝,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。抗拉強度越大,固定件越不容易被外力拉斷撕脫,韌性越好,固定件與端蓋內表面的配合度越高。一般使用膠黏劑黏接和標準件（自攻螺釘等）固定的方式將固定件與端蓋連接。

1. 撕脫原因

固定件撕脫故障出現后,對影響產品質量的5個因素（人、機、料、法、環）進行排查,結果均無異常。經過進一步分析,發現該故障出現的原因屬于工藝設計問題,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

解剖同批次生產的固定件,查看其內部結構,發現固定件壓制后出現材料疏松、分層現象,內部分層固定件宏觀形貌如圖2所示。

圖 2內部分層固定件宏觀形貌

固定件由厚度為0.36 mm的預浸玻璃纖維布壓制成型,層數為6層,設計厚度為1.5 mm,經計算,固定件預浸布的壓縮率為30%,壓縮率定義公式為

式中：η為預浸布壓縮率；δ為壓制成板材的厚度；k為預浸布壓制前的單層厚度；n為預浸布層數。

經分析,預浸布層間存在的缺陷相對較多,導致固定件強度偏低、易撕裂,這是因為預浸布壓縮率偏低。

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域會產生應力集中,且加工連接孔時,橫向分布的玻璃纖維處于被切斷狀態,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

針對固定件強度設計余量不足的問題,用不同層數的玻璃纖維預浸布制作不同厚度的拉伸試樣,對試樣進行拉伸試驗,試驗結果如表1所示。由表1可知：預浸布壓縮率為50%試樣的抗拉強度明顯提高。由于端蓋內表面為弧面,固定件與端蓋裝配時產生協調變形,固定件剛度越低,協調變形能力越大,安裝固定件的標準件承受的裝配應力越小,對固定件安裝狀態越有利。

根據上述分析,將預浸玻璃纖維布層數增加至9層,經壓實后,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性能。

2.2 優化連接孔數量及分布位置

針對固定件受力時連接孔附近區域應力集中的問題,對故障固定件進行受力仿真分析。根據實際工況,對連接孔處施加固定約束,其余面施加恒定壓力,應力分布云圖如圖5所示。圖中橫向連接孔間應力處于連續狀態,可知當固定件受力時,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,因此容易造成固定件撕脫。

圖 5故障固定件（4孔）受力時應力分布云圖

針對上述問題,調整連接孔數量及分布狀態,擬改進的固定件（5孔）受力時應力分布云圖如圖6所示。該分布狀態使得固定件受力時,孔與孔之間受力不連續,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擬改進固定件（5孔）受力時應力分布云圖

3. 試驗驗證

根據固定件工作狀態設計拉伸試驗工裝,模擬受力狀態,對固定件進行試驗驗證,判斷現有固定件和提高壓縮率、優化連接孔數量及分布位置后固定件的抗拉強度,驗證改進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

制作改進前及改進后固定件試樣,對其進行拉伸試驗,每個試樣的拉伸力如表2所示。由表2可知：改進后固定件拉伸力較改進前提高約1.56倍,拉伸力大幅增大。

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. 改進措施

端蓋內表面和固定件黏接面為弧面,在上述改進狀態的基礎上,進一步對固定件形狀進行優化設計,將固定件黏接面由平板結構優化為與端蓋內表面匹配的弧面形式,與蓋體內表面貼合,使得固定件與蓋體內表面黏接時膠層厚度均勻,以降低裝配應力造成的固定件強度受損程度。優化設計后的固定件黏接面如圖9所示。

圖 9優化設計后的固定件黏接面示意

采取提高壓縮率、優化連接孔數量及分布位置、形狀優化等措施,制作優化后固定件試樣,對這些試樣進行拉伸試驗,拉伸試驗結果如表3所示。由表2~3可知：進一步優化后固定件試樣的拉伸力提高約13%。

5. 結語

對某特種密封箱端蓋固定件撕脫原因進行分析,結果表明：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一步造成其材料受損,最終導致固定件在受力時發生損壞并脫落。

經過提高固定件壓縮率、優化連接孔數量及分布位置,固定件的拉伸力提高1.56倍,進一步優化固定件形狀后,拉伸力提高約13%。經過改進后,固定件撕脫將不再發生。

文章來源——材料與測試網