起落架调节接头开裂及安全评估方法分析

刘春江，黄 超，陈 星，姜 涛

(1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 中航工业失效分析中心，北京 100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；4.中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京 100095；5.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007)

0 引言

军机结构设计思想正朝着满足长寿命、高机动性、高可靠性、高出勤率、低维修成本的结构强度综合设计方向发展，基于损伤容限设计以确保安全的可靠性设计体系在我国已经基本建立，并且应用于新研飞机的设计和现役飞机寿命的可靠性评定[1-3]。在维修过程中基于损伤容限设计理论，基于裂纹生长理论和剩余强度理论建立的周期性的结构检查方案，可以选择合理正确的检查方法，避免过度维修，降低维修成本，使维修工作效率最大化[4-6]。失效分析通过对故障现象明了分析、对故障部件准确定位、对故障原因清楚判断，才能有针对性地制定排故、维修措施，防止故障再次发生。维修人员运用失效分析方法与飞机可靠性、维修性以及质量控制与管理有机地结合起来，提高飞机维修质量[7-9]。另外，失效分析不仅在飞机维修中发挥作用，还在民用领域指导着维修方向，例如某零件开裂是由于应力腐蚀开裂，而设计应力较大是产生应力腐蚀的主要来源，那么维修就不仅要修复裂纹，还要通过补强等手段降低失效部位应力水平[10]。疲劳断口定量分析技术是基于断裂力学发展的一项分析技术，通过获得零件的疲劳寿命、疲劳应力和原始疲劳质量等与裂纹扩展相关参量，不仅可得出构件在实际工作过程中的疲劳裂纹扩展速率,不但对深入分析失效原因提供依据，还可实现对零部件进行疲劳寿命估算，可确定构件形成裂纹的时间，评价其制造质量、检测周期的合理性,解决工程实际问题[11-12]。

飞机在经历约1 000个起落后进行大修，磁粉检测发现多件起落架调节接头在退刀槽与耳片之间的倒圆角处出现裂纹，发现裂纹的接头约占总体接头数量的60%，接头材料为30CrMnSiA钢，热处理工艺为900 ℃油淬+(500～570) ℃回火。通过宏观观察、断口微观观察和材质检查等方法，对接头的开裂性质和开裂原因进行分析，并针对接头使用情况从损伤容限设计、疲劳断口定量分析技术等角度出发对其安全评估方法进行分析。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观观察

接头宏观形貌见图1，裂纹位于转角处(图2)，取样将裂纹打开，观察裂纹断口宏观形貌，裂纹线性起源于倒圆角表面，开裂区裂纹面较粗糙，呈浅土黄色，并可见多个粗大的疲劳台阶，裂纹最深深度约为0.54 mm(图3)。

1.2 断口微观观察

裂纹断口源区呈线源，断面上可见疲劳台阶，源区未见夹杂和冶金缺陷，断面扩展区可见疲劳条带特征，人工打开区为韧窝特征(图4)。

图1 接头外观形貌Fig.1 Appearance of adjusting joint

图2 倒圆角处形貌Fig.2 Morphology of fillet

图3 裂纹断口宏观形貌Fig.3 Macrograph of fracture surface

图4 裂纹断口微观形貌Fig.4 Morphology of fracture surface

1.3 硬度检测

在裂纹断口附近取样，测量维氏硬度，平均值为HV 373.1，通过GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》，换算为抗拉强度为1 210 MPa，满足1 080～1 280 MPa的技术要求。

1.4 金相检验

在裂纹断口附近制取金相试样，材料组织为回火索氏体组织(图5)。

图5 接头金相组织形貌Fig.5 Metallographic microstructure of adjusting joint

2 分析与讨论

2.1 开裂性质和原因分析

接头裂纹均位于退刀槽与耳片外壁的倒圆角处，裂纹源区为线源，深度较浅，微观均可见疲劳条带，分析认为裂纹性质为疲劳裂纹。

接头金相组织和力学性能检查未见异常。

接头在工作时受轴向作用力，退刀槽与耳片外壁之间的倒圆角处是应力集中位置，当应力大于疲劳强度时就会产生疲劳破坏，引起接头在倒圆角处疲劳开裂。而当倒圆角处及附近表面存在加工痕迹或加工凹槽时，一方面会进一步增大应力集中现象，放大倒圆角处的应力水平，另一方面也会破坏表面完整性，降低接头抗疲劳性能，促使接头在倒圆角处疲劳开裂。

从承载能力上分析，接头应该存在一定的安全裕度，特别是倒圆角处。若接头承载能力不足(或安全裕度不够)，容易引起结构破坏。据介绍，接头设计为无限寿命，而此次大修发现60%的接头出现裂纹，建议对调节接头进一步进行强度计算，核实倒圆角处的安全裕度是否合适。

从减少促进疲劳开裂的因素方面考虑，若安全裕度合适的情况下，当倒圆角表面加工状态不良时，一方面会影响表面完整性，降低疲劳性能，另一方面会加重应力集中，提高应力水平，易引起疲劳开裂，因此，应控制加工质量，特别是倒圆角处的加工状态，减少促进疲劳开裂的因素。

从提高接头疲劳性能的方面考虑，倒圆角处是接头的薄弱部位，可以通过表面强化的方法对其处理，如对倒圆角处进行喷丸处理，使其表面处于压应力状态，从而提高其抗疲劳性能。

2.2 接头安全评估

接头设计寿命为无限寿命，在分析过程中了解到接头试验件也曾发生过疲劳断裂，疲劳扩展较充分，占整个断口面积的90%以上(图6)。这不仅说明接头存在较大的扩展寿命，可以基于使用工况对存在开裂的接头进行评估，还说明接头具备一定的损伤容限，可基于损伤容限设计和断裂力学对带裂纹的接头进行安全使用性评价。下面探讨针对接头的安全评估过程。

图6 接头试验件断口宏观形貌Fig.6 Macroscopical fracture surface of test specimen

利用断口定量反推和安全评估的方法，可以反推计算裂纹扩展寿命，并且可以评估开裂件的剩余寿命，试验和评价分析方案如下：

1)测试材料断裂韧度KIC。

断裂韧性是材料抵抗裂纹快速扩展的能力。在工程应用中，一般用应力强度因子K来与之比较。当K>KIC时，裂纹扩展发生失稳断裂；当K

2)临界裂纹长度ac0分析。

通过应力强度因子K与断裂韧性KIC的比较，即K=KIC时，最终计算出临界裂纹长度。首先需要按式(1)计算K值，其中形状因子Y可以参考相关手册，在接头结构下裂纹断面的名义应力不是恒值而为渐变值，需要大量试算才能获得K=KIC状态。将KIC直接代入式(1)，获得式(2)，即获取ac和σc的关系，关系曲线左侧为安全区域。通过有限元软件分析接头在最大工况条件下裂纹所处截面的应力分布情况，获取距离表面不同深度处的应力，此深度-应力曲线与ac-σc曲线相交位置即为接头在最大工况条件下的临界裂纹长度(图7)。

(1)

(2)

图7 临界裂纹长度计算示意图Fig.7 Calculation sketch map of critical crack length

另外，在有条件的情况下，也可以通过裂纹扩展软件直接算出不同裂纹长度下的K值，直接与KIC相对比，从而计算出ac0。

3)接头裂纹扩展速率研究。

依据飞机真实飞行起落中接头的载荷谱，制定合理的实验室载荷谱，开展裂纹扩展速率试验，获得裂纹长度a与飞行起落次数N之间的关系，并拟合a与N之间的关系曲线a=f(N)。图8为案例示意图。

图8 裂纹长度与飞行起落次数之间的关系Fig.8 Relationship between crack length and representative flights

4)裂纹扩展寿命和剩余寿命分析。

根据a=f(N)关系，可以获得裂纹扩展至a0时所需要的飞行起落次数，以及裂纹长度由a0继续扩展至ac所需要的飞行起落次数，从而评价构件的裂纹扩展寿命和剩余寿命。

通过上述方法的实施，可以实现对带裂纹体的安全使用性以及可维修性进行评价。

3 结论

1)起落架调节接头开裂性质为疲劳开裂，疲劳开裂主要与转角处安全裕度不足有关。

2)起落架接头为寿命件，可基于损伤容限设计和断裂力学对带裂纹的接头反推裂纹扩展寿命和裂纹剩余寿命，通过反推方法的实施可实现对带裂纹体的安全使用性以及可维修性进行评价。