某型飞机锁销断裂问题分析

赵洪甲 时旭东

摘要：故障件锁销是飞机减速伞系统的一个重要部件，它安装在减速伞舱门的转臂上。当飞机着陆放伞时减速伞舱门开启，开启到合适角度时锁销沿滑轨进入限动孔内，给减速伞舱门起限动、锁定作用，防止减速伞舱门回弹。与此同时，减速伞锁钩开启飞机放出减速伞，为飞机减速。本次研究旨在通过有限元的分析方法，利用ANSYS软件进行建模分析，分析锁销断裂的原因。通过ANSYS软件的后处理过程，提取位移值、Y方向应力值、Von-miss应力值，并进行对比得出锁销过渡区应力集中的结论。优化设计改进，在锁销过渡区增加相应的倒角，再次进行有限元分析，重新进行建模计算。通过增加倒角前后得出位移值、Y方向应力值、Von-miss应力值的对比，进一步验证来检验增加倒角的可行性和必要性。从而通过增加倒角优化设计的方式，解决实际修理中的一起锁销断裂的故障。

关键词：飞机;锁销;断裂;有限元;ANSYS软件

0 引言

某型飞机减速伞系统上的锁销是减速伞系统的一个重要部件，它安装在减速伞舱门带锁销的转臂上。当飞机着陆放伞时减速伞舱门开启，开启到合适角度时锁销沿滑轨进入限动孔内，给减速伞舱门起限动、锁定作用，防止減速伞舱门回弹。与此同时，减速伞锁钩开启飞机放出减速伞，为飞机减速[1]。

锁销由高强度钢整体机加而成，其整体由三段组成，三段的直径分别为Φ6mm、Φ8.5mm、Φ4.8mm总长度为46mm，其中Φ6段长13mm，Φ8.5段长6mm，Φ4.8段长27mm，Φ8.5mm段还有一M4mm的螺纹孔用于安装拨杆。锁销构件的粗糙度除Φ8.5mm部分为1.6外，其余为3.2。一般尺寸公差按HB5800。热处理σb=1175±100MPa，表面处理D·YCrT2·CH（除螺纹）。

1故障件的金相分析

1.1 检查试验

使用ZEISS体视显微镜对断口两侧进行检查，发现断口一侧有明显损伤和较粗糙加工刀痕，其余位置未发现明显损伤，两侧断面均有光亮区，断口中间部位呈深暗色并有明显裂纹走向，区别明显。

1.2 分析讨论

根据检验试验可知，中间深暗色部位断裂起源于中央深色区裂纹呈收敛位置，呈现过载断裂特征，表面伤痕部位为最后瞬断区，表面伤痕对造成断裂影响不大;断口两侧光亮区为磨损区，根据断口受力可知，锁销长期受双向交变载荷，断口处于锁销连接过渡区，较强的应力集中造成线源裂纹扩展。根据减速伞系统的组成及工作原理分析可看出，锁销断裂处在系统中主要承受剪切载荷的作用且锁销变截面的过渡区存在应力集中的现象，是导致裂纹产生的原因。

2 故障件的有限元分析

2.1锁销的有限元模型简化

本次故障件锁销由于其Φ8.5mm段在壳体内，受到壳体对其横向的约束即垂直于锁销轴向的约束，使其在横向内无法产生相对运动，而锁销工作时受弹簧的作用其在轴向也不发生相对运动，同时锁销Φ6mm段受到剪切载荷的作用，在Φ6mm段和Φ8.5mm段的交界处应力最大，产生应力集中现象。锁销的受力和受约束的情况和悬臂梁的受力和受约束情况极为相似，由此可以将锁销的有限元分析过程简化为一悬臂梁的有限元的分析过程。

2.2建立锁销的有限元模型

单元类型是在网格划分时使用的单元形式，锁销的结构可近似为阶梯轴，因此选取Solid187单元对锁销进行模型建立。Solid187单元是一种三维高阶具有十个节点的四面体固体结构单元，其每个节点都有X、Y、Z方向上的平面自由度。由于锁销的材料为30CrMnSiA因此在ANSYS材料性能参数栏中分别设置其弹性模量和泊松比为：196GPa、0.28。设置完成后生成有限元模型[2]。

对建立好的有限元模型进行网格划分。选择菜单栏Main Menu→Preporcessor→Meshing→Mesh Tool命令，选中“Free”单选对话框单击“Mesh”按钮，在弹出的对话框中选择锁销实体模型，即可对锁销进行自由网格划分。

2.3施加约束和载荷

对构件施加5000N均布载荷，分别提取在5000N均布载荷构件的几何位移图、总位移云图、von-miss应力云图及局部应力提取值。

施加5000N的均布载荷后得出的位移值、Y方向应力值、Von-miss应力。从表中的位移值、Y方向应力值、Von-miss应力看出锁销两端面根部的值最大，产生了应力集中现象，而此处也恰好是故障件锁销断裂的地方。这和本文第1章中对故障件进行金相分析得到的结果相吻合即“拨杆发生断裂的原因是拨杆结构过渡区域由于应力集中长期受交变载荷和加工刀痕产生微裂纹进而产生疲劳断裂，疲劳断裂到一定程度，瞬间的受力会使零件应力过大进而产生过载断裂。”

由此原因采纳金相分析中给出的建议，优化锁销结构设计，在过渡区增加小倒角圆弧。

2.4 过渡区增加倒角的分析

对锁销过渡区增加0.2mm倒角，重新建立模型、网格划分、施加自由度约束。施加3000N的均布载荷后得出的位移值、Y方向应力值、Von-miss应力，

从表中得出的位移值、Y方向应力值、Von-miss应力可以看出，对变截面过渡区增加倒角后施加相同的均布载荷的情况下，应力集中现象得到了缓解，且随着倒角的不断增大应力集中现象得到的缓解程度也更好。

3 结束语

本文利用了ANSYS软件对断裂的锁销进行了详细的有限元分析，通过对锁销进行建模、网格划分、施加约束和施加不同程度的均布载荷，得出原锁销的设计中过渡区未设置倒角，导致过渡区部位应力的集中，在尖端承受均布载荷的情况下过渡区部位的位移值、Y方向应力值、Von-miss应力值相对较高，长期作用易导致过渡区端面的疲劳断裂。

在优化设计改进后即对过渡区增加倒角后从有限元分析的结果可以明显的看出。对比未增加倒角的设计渡区部位的位移值、Y方向应力值、Von-miss应力值明显降低，应力集中现象有了明显的改善，抗疲劳的性能得到了改善。

参考文献：

[1] 杨晨. 受阅方队和武器装备一瞥[J]. 祖国，2015， （9）.

[2] 王中要. 基于ANSYS的梁结构有限元分析 [J]. 公路，2009，（7）.

石家庄海山实业发展总公司 河北石家庄 050208