某直升機機載吊艙使用壽命分析

龐利娥 呂喜春 郝 剛 劉繼鵬 胡凱博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

吊艙艙體是電子設備的載體，是實施作戰任務、發揮作戰能力的基礎。由于艙體結構相當復雜，關鍵件的檢修及局部更換通常需要在大修時實施，因此，吊艙的進廠大修時間主要取決于吊艙艙體。由于電子設備在吊艙總壽命期內可更換，只有吊艙艙體達到了總壽命才意味著吊艙總壽命的終止，因此，吊艙的總壽命主要由艙體的總壽命決定。

吊艙艙體的使用壽命包含兩個主要指標，一個是飛行小時數或飛行起落次數，另一個是用使用年限表示的日歷壽命［1］，以先到者為準。飛行小時數或飛行起落次數主要反映使用載荷對吊艙所造成的疲勞損傷，所以也稱為疲勞壽命。日歷壽命則反映吊艙在服役環境下，能夠完成使用功能的持續時間。本文就某直升機機載吊艙艙體的使用壽命進行探討。

1 某直升機機載吊艙疲勞壽命的估算

某直升機機載吊艙吊掛于某型直升機機身兩側短翼掛架下。為了保證載機飛行安全和電子設備性能發揮，該吊艙艙體需滿足機載環境條件下長時間振動的考驗。

某直升機機載吊艙的振動環境為寬帶隨機振動與若干定頻周期振動的疊加。下面我們對某直升機機載吊艙艙體進行分析，以獲得吊艙艙體每軸向的耐久試驗持續時間，并根據計算結果預估吊艙艙體的疲勞壽命。

1.1 某直升機機載吊艙艙體疲勞壽命分析方法

利用疲勞分析方法和有限單元法，在NX9.0 仿真工作平臺中完成吊艙艙體的疲勞壽命計算，根據計算結果預測該吊艙艙體的疲勞壽命。

1.2 某直升機機載吊艙艙體疲勞分析流程

某直升機機載吊艙艙體疲勞壽命分析分兩步進行。首先通過頻率響應計算傳遞函數，得到在單位載荷激勵下模型在各階頻率上的應力分布情況;然后再根據功率譜密度函數、材料S-N 曲線等計算吊艙艙體主受力件的疲勞壽命大小及分布［2］。某直升機機載吊艙艙體疲勞壽命分析流程見圖1。

圖1 某直升機機載吊艙艙體疲勞壽命分析流程

使用UG NX9.0 軟件對某直升機機載吊艙艙體進行疲勞壽命分析。分析時，對其施加應力或應變函數的材料，必須為所需耐久性屬性的材料。

1.3 吊艙艙體的有限元模型

某直升機機載吊艙艙體三維模型如圖2(a)所示，有限元模型如圖2(b)所示。

圖2(a) 某直升機機載吊艙艙體三維模型

圖2(b) 某直升機機載吊艙艙體有限元模型

吊艙內的功能模塊作為質量單元(0D 單元)通過剛性梁加載到吊艙艙體有限元模型上(見下圖3，去除天線罩和兩側側板)。

圖3 吊艙框架的有限元模型

小于10mm 的結構件主要用四邊形單元劃分網格，部分結構用六面體單元劃分網格。整個有限元單元共248370 單元、256896 節點。

某直升機機載吊艙通過吊耳與掛架連接，直升機的振動通過吊耳傳遞到吊艙結構上。在進行吊艙艙體疲勞壽命分析時，為了方便加載，我們通過剛性梁將吊艙艙體與吊耳連接到一點，振動加載到連接點上(見圖2(b)中兩吊耳中間剛性梁交匯點，下面簡稱加載點)。

對加載點施加Z 方向載荷激勵。先通過頻率響應計算傳遞函數，然后再根據材料的S-N 曲線及施加的載荷激勵計算吊艙艙體(共13 萬網格)的疲勞壽命，疲勞壽命計算結果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命計算結果

由圖4 可見，在Z 方向施加載荷激勵時，吊艙艙體最小疲勞壽命處在吊耳附近的鉚釘孔處，耐久試驗持續時間為7291h。

對加載點在X 方向和Y 方向分別施加載荷激勵，計算吊艙艙體在X 方向和Y 方向的耐久試驗持續時間。計算結果表明:X 軸向耐久試驗持續時間為8340h，Y 軸向耐久試驗持續時間為34h，總之:吊艙艙體每軸向的耐久試驗持續時間均超過34h。

式中:YF——吊艙艙體持續飛行小時數(h);

YJ——吊艙艙體每軸向的耐久試驗持續時間(h);

YS——首翻期(h);

YC——首翻期對應的每軸向耐久試驗持續時間(h)。

根據直升機機載吊艙主機環境技術條件要求:首翻期為3000 飛行小時，首翻期對應的每軸向耐久試驗持續時間為4.8h。把吊艙艙體每軸向的耐久試驗持續時間、首翻期及其對應的每軸向耐久試驗持續時間帶入(1)式后得出:

YF＞21250(h)

因此，吊艙艙體持續飛行小時數高于21250h。

損傷容陷設計思想承認結構在未使用之前就存在一定程度的未被發現的初始缺陷、裂紋或其他損傷。將不可檢查結構設計成緩慢裂紋擴展結構，其設計準則為:

式中:Ya0-aer——裂紋從a0擴展到aer時的疲勞壽命(h)，即吊艙艙體的疲勞壽命。其中a0為初始裂紋長度，aer為臨界裂紋長度;

n——損傷容陷疲勞分散系數，一般取2。

把吊艙艙體持續飛行小時數和損傷容陷疲勞分散系數代入(2)式后得出:

Ya0-aer＞10625(h)

所以，吊艙艙體的疲勞壽命超過10625 飛行小時。

2 某直升機機載吊艙艙體日歷壽命的估算

吊艙艙體日歷壽命可由下式估算:

式中:YN——吊艙艙體日歷壽命(y);

η——吊艙艙體空中飛行與總使用時間之比值。

我國目前大多數直升機機種年飛行強度較低［3］，只有150h 左右。如米一17 直升機，年飛行強度平均只有153h。服役期間某直升機機載吊艙空中飛行時間通常不會超過總使用時間的4%。把吊艙艙體的疲勞壽命、空中飛行與總使用時間之比值帶入(3)式得出:

YN＞30(Y)

從上式可看出:吊艙艙體日歷壽命估算值超過30年。

3 保證某直升機機載吊艙艙體使用壽命措施

環境引起的腐蝕損傷是影響某直升機機載吊艙艙體使用壽命的主要因素，而腐蝕損傷與材料選擇、防護體系、加工制造、使用維護等水平直接相關［4］。為了保證某直升機機載吊艙艙體使用壽命，我們采取了如下措施:

3.1 解決好材料的選擇搭配問題

吊艙艙體材料間的相容性問題實質就是材料的選擇搭配問題，材料的選擇一定要搭配合理。在進行結構設計時，選用對金屬無腐蝕的密封材料XM-22 聚硫密封劑、XM-60 聚硫密封劑等進行膠接。

3.2 選用抗腐蝕能力強的材料

合理選取吊艙艙體結構材料。目前7050 鋁合金是在美國海軍和空軍資助下，為提高厚壁零件的強度和抗應力腐蝕性能而研制的新型高強度、高斷裂韌度、高疲勞強度和高耐應力腐蝕等優良綜合性能的鋁一鋅一鎂一銅一鋯鋁合金。在進行艙體骨架設計時，除吊耳外，艙體的其他主要受力構件選用鋁合金7050 材料加工，緊固件均選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti 材料制作。

3.3 配以高效的復合涂層防護體系

表面防護層是提高吊艙艙體抗腐蝕品質，保障吊艙艙體達到預期服役使用年限的決定性因素［5］。在設計某直升機機載吊艙艙體時，吊艙艙體配以高效的復合涂層。采用鋁合金7050 材料加工的主要受力構件表面，先進行陽極化處理，再噴涂主機所規定的底漆H06-27，最后噴涂主機所規定的面漆S04-81。

3.4 選用優良的制造工藝和表面處理工藝

吊艙在制造過程中有嚴格的腐蝕控制措施，避免材料和工藝的缺陷，確保吊艙的防腐質量。對于陽極化處理后的鋁合金，應放在專用貨架上，接觸面襯牛皮紙存放，保護表面，以免遭到污染;預裝配過程中損傷表面涂防腐涂料SF-9;對于主要受力構件采用掃描電鏡以及電子探針等技術手段進行檢測，防止結構缺陷的存在。

3.5 做好吊艙的使用維護

在某直升機機載吊艙使用維護過程中，要貫徹各項日常保養和防腐措施，對于早期腐蝕故障及時采取針對性防腐修理，把腐蝕的危害消滅在萌芽狀態。在大修過程中，要進行全面徹底的腐蝕檢查，采取先進的防腐修理技術，恢復和增強吊艙的抗腐蝕能力。

3.6 定時翻修或部分更換以提高吊艙艙體使用壽命

在吊艙服役期間可采用定時翻修和部分更換達到使用要求。比如:在進行吊艙艙體套接口密封設計時，我們選擇硅橡膠材料制作O 形密封圈。為了更好滿足密封防水要求，O 形密封圈使用壽命超過10年［6-7］后，應該更換吊艙艙體套接口粘接的O 形密封圈。

通過采取上述措施，可以保證某直升機機載吊艙艙體使用壽命超過10625 飛行小時/30年。

4 結束語

在上面，我們通過對某直升機機載吊艙艙體進行了分析，預估了其疲勞壽命和日歷壽命，并提出了相應措施，這些措施可以提高和保證某直升機機載吊艙艙體的使用壽命。

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［6］林總君，高劼，王丕毅.不同溫濕度條件下硅橡膠密封圈貯存壽命研究［J］.海軍航空工程學院學報，2009，24(2):237-240.

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