某产品薄壁挂耳振动断裂排故及改进研究_刘少红.pdf

42环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE摘要：通过对某设备耐久振动试验中薄壁挂耳断裂排故发现,设备的安装方式、材料、厚度等因素均会对设备试验结果产生影响，对安装结构、方式进行优化并结合 ANSYS 软件模拟仿真和试验测试，最终通过试验验证了改进设计的可行性和效果。关键词：耐久振动；断裂；模拟仿真；试验测试中图分类号：TJ85 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0042-04某产品薄壁挂耳振动断裂排故及改进研究Research on Troubleshooting and Improvement of Thin-Walled Hanging Ear Vibration Fracture of a Product刘少红，肖伟，夏合勇，杨初（中国电子科技集团公司第五十二研究所，杭州 311121）LIU Shao-hong,XIAO Wei,XIA He-yong,YANG Chu(China Electronics Technology Group Corporation 52 Research Institute,Hangzhou 311121)A b s t r a c t：It is found that the installation method,material,thickness and other factors will affect the test results of the equipment through the troubleshooting of the thin-walled hanging ear fracture in the durable vibration test of an equipment.The installation structure and method are optimized and combined with ANSYS software analog simulation and experiment test.Finally,the feasibility and effect of the improved design is verified by experiments.K e y w o r d s：durable vibration;fracture;analog simulation;experiment test引言耐久振动主要是考核产品在高强度（一般为性能试验强度的 1.6 倍）、长时间（一般一个方向进行（2 3）h，性能试验一般为 1 h 甚至更少。）的振动试验过程中或试验后，产品的外观结构是否发生改变以及产品的本身性能试验是否完好。耐久试验能在较短的时间内，暴露出产品的设计缺陷，尤其是结构强度的缺陷。该项试验在机载设备中使用的较多，通过试验能提前验证焊接部分及较薄结构是否能够满足飞机或舰船等军事装备长时间振动带来的疲劳损伤，从而采取有针对性的改进措施，达到提高产品的可靠性的目的。1现象实际工作中，某机载设备经过两次同样指标的耐久振试验动后，出现了不同的试验结果。第一次试验为所内试验，设备采用压板直接装卡的固定方式固定在振动台上，进行随机振动试验（耐久振动）后，设备正常。第二次试验为用户试验，采用用户使用自有夹具将设备固定在振动台，进行随机振动（耐久振动）试验后（详见表 1）1，发现设备的四个安装挂耳有裂纹，严重处挂耳根部直接断裂。两次振动试验的试验指标如下，且两次试验采用完全一致的试验指标。432023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性频率（Hz）功能振动（g2/Hz）耐久振动（g2/Hz）XYZXYZ200.010.010.010.0160.0160.0161310.010.010.010.0160.0160.0163000.030.030.030.0480.0480.0481 0000.030.030.030.0480.0480.0482 0000.007 50.007 50.007 50.0120.0120.012注：功能振动时间为 1 h/轴向。耐久振动时间为 7.5 h/轴向。表 1 振动指标参数图 1 压板安装示意图图 2 工装内外部示意图2问题排查两次试验所采用的样机为同一台设备（样机技术状态未发生变更），唯一的改变就是装卡方式的改变。第一次试验采用压板的方式（详见图 1），将设备平放在振动台上，四个挂耳无需紧固，未受任何应力。第二次试验采用工装（飞机实际安装位测绘仿制）的方式进行试验，设备在实际使用中是竖直放置，两面四耳搭接在机架上，利用松不脱螺钉锁紧，安装方式如图 2 所示。以往的机载设备，采取水平上架的方式推入机柜，设备通过四个挂耳与机柜面板紧固，同时设备左右两侧通过导轨与机柜进行滑动推进。而本次第二次试验所采用的这种竖直安装方式为首次使用。竖直安装方式下，设备挂耳相当于悬臂梁，挂耳除了承受螺钉的横向切力外，还承受了设备本身的重量（约 5 k g）及设备在振动摆动过程中，由于重心不规则的偏转所产生的剪切和拉伸力矩作用。除受力增大外，挂耳断裂可能与材料的成分、挂耳部位设计厚度与指标要求的满足程度等因素有关。2.1材料分析 将断裂的零件，送到专业的实验室进行材料分析，试验结果（锰、镁、铜、锌、硅、铁、铬、钛等元素的含量）表明挂耳实测元素符合 G B/T 3 1 9 0-2 0 2 0 标准中5 0 8 3 牌号的化学成分要求 2，材料本身合格，不存在质量问题。2.2挂耳壁厚测量对异常挂耳的厚度，用游标卡尺进行测量（左上厚度为 2.0 2 m m，左下为 2.0 4 m m，右上为 2.0 3 m m，右下为 2.0 2 m m，设计值为 2 m m），根据 G B/T 1 8 0 4-44环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE2 0 0 0 规定 m级公差等级，（0.5 3）m m厚度的公差为0.1 m m 3，本设备的零件加工尺寸符合标准要求。机 箱 面 板 挂 耳 强 度 问 题 可 通 过 力 学 仿 真 进 行初 步 分 析，机 箱 材 料 为 5 0 8 3-H 1 1 2，屈 服 强 度 值R p 0.2 1 1 5 M p a，机箱面板厚度为 2 m m。对设备及工装进行力学仿真分析计算 4，仿真结果如图 3 所示。从分析结果可以看出，2 m m板厚的设备面板挂耳在功能振动时，所受最大应力为 1 3 8 M P a 左右，模拟分析的最大应力出现的位置与实际断裂位置相吻合，而该值大于材料本身的屈服强度的最小值，就会产生挂耳断裂的现象。同样通过力学仿真分析可知，由于工装为悬臂梁式安装，工装顶端设备安装面的振幅最大，设备固定在工装顶端，设备在工装上也为悬臂梁式安装，设备会随着水平方向振动及工装摆动而跟随摆动，设备四个安装点在力矩作用下，受力最大，所以工装的强度会对振动结果产生直接影响。对工装单独进行振动试验，因 Y向设备受力最大，故只对工装 Y向进行测试。试验方法：将振动测试探头固定在工装水平向顶端；试验内容：随机振动和（2 0 2 0 0 0）H z 的扫频测试，试验加速度量值为 2 g，试验方向为设备水平 Y向振动。频率（Hz）5401 152.51 992.5自功率谱密度（g2/Hz）6.238.409.51图 3 等效应力云图从功能振动测试结果中选取 3 个最大的值如表 2 所示。振动台的最大自功率谱密度为 0.1 g2/H z，而工装在部分频率下，测出的工装水平端面的振动量值明显大于振动测试台的值，说明工装确实存在共振放大情况，即实际测试过程中，设备四个挂耳承受的力会大于理论试验值。由于设备实际安装架无法获取，无法确认实际安装设备后，是否会存在共振放大的情况，且它是飞机上的定型安装架，改动的难度很大，因此只能从设备本身去着手进行改进。3试验验证为了进一步验证上述结论，将挂耳壁厚增加至2.5 m m，对设备及工装进行力学仿真分析计算，从仿真应力云图中可以看出，此时机箱所受最大应力与材料的屈服强度值基本相同，基本没有设计余量，后续还会存在挂耳的断裂风险。因此，挂耳断裂的原因基本可以判表 2 工装最大共振点量值452023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性定为挂耳厚度设计余量不足，在产品受到振动冲击等非正常应力的情况下，会由于设计部位的屈服强度不够而发生断裂。为提高安全余量，采取将挂耳厚度增加到 3.0 m m，在直角边增加圆角，减小应力集中（详见图 4）等改进措施。对改进后的机箱进行力学仿真分析，查看挂耳所受最大应力是否符合强度要求，应力云图如图 5 所示。板面厚度为 3 m m时，挂耳所受最大应力为 9 1 M P a左右，小于材料的屈服强度值，满足要求。为验证该厚度面板强度是否满足实际指标要求，加工新机箱按照表 1 规定的耐久指标和时间对其进行振动试验。试验结束后，产品的四个挂耳未出现异常，证明改进措施有效。图 4 3 mm 厚度面板改进图图 5 3 mm 厚度面板应力云图4结束语在相同材料、结构、安装形式等条件下，金属的厚度越厚，其抗拉强度也越大。但考虑到实际安装环境的限制，机载类产品还需要在产品的重量上进行严格控制。在保证足够的使用强度前提下，不能过设计增加重量和成本。在设计之初，就要借助计算机来仿真建模，重点要关注内部交互作用进行仿真研究，事先要根据产品使用环境，预设各种不同的方案，做好故障模式影响分析，通过仿真选择性价比最高方案的进行针对性设计，并进行相关的试验验证，确保功能性能满足使用要求，从而能使企业取得最优的经济效益。作者简介:刘少红（1973.8-），男，研究生，高级工程师，主要研究方向：长期从事军工产品质量管理和工艺研究等工作。肖 伟（1982.5-），男，本科，高级工程师，主要研究方向：从事军工产品的质量管理和测试工作。夏合勇（1990.5-），男，研究生，工程师，主要研究方向：从事军工电子产品结构设计工作。杨 初（1989.2-），男，研究生，高级工程师，主要研究方向：从事信息系统研究。1 GJB 150.16A2009,军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验 S.2 GB/T 3190-2020,变形铝及铝合金化学成分 S.3 GB/T 1804-2000,一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差S.4 王富耻,张朝辉,ANSYS10.0 有限元分析理论与工程应用 M.北京：电子工业出版社,2006.1.参考文献: