某直升機(jī)機(jī)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(shè)備的載體，是實(shí)施作戰(zhàn)任務(wù)、發(fā)揮作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ)。由于艙體結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，關(guān)鍵件的檢修及局部更換通常需要在大修時實(shí)施，因此，吊艙的進(jìn)廠大修時間主要取決于吊艙艙體。由于電子設(shè)備在吊艙總壽命期內(nèi)可更換，只有吊艙艙體達(dá)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(biāo)，一個是飛行小時數(shù)或飛行起落次數(shù)，另一個是用使用年限表示的日歷壽命［1］，以先到者為準(zhǔn)。飛行小時數(shù)或飛行起落次數(shù)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(huán)境下，能夠完成使用功能的持續(xù)時間。本文就某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體的使用壽命進(jìn)行探討。

1 某直升機(jī)機(jī)載吊艙疲勞壽命的估算

某直升機(jī)機(jī)載吊艙吊掛于某型直升機(jī)機(jī)身兩側(cè)短翼掛架下。為了保證載機(jī)飛行安全和電子設(shè)備性能發(fā)揮，該吊艙艙體需滿足機(jī)載環(huán)境條件下長時間振動的考驗(yàn)。

某直升機(jī)機(jī)載吊艙的振動環(huán)境為寬帶隨機(jī)振動與若干定頻周期振動的疊加。下面我們對某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體進(jìn)行分析，以獲得吊艙艙體每軸向的耐久試驗(yàn)持續(xù)時間，并根據(jù)計算結(jié)果預(yù)估吊艙艙體的疲勞壽命。

1.1 某直升機(jī)機(jī)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(jù)計算結(jié)果預(yù)測該吊艙艙體的疲勞壽命。

1.2 某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體疲勞分析流程

某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體疲勞壽命分析分兩步進(jìn)行。首先通過頻率響應(yīng)計算傳遞函數(shù)，得到在單位載荷激勵下模型在各階頻率上的應(yīng)力分布情況;然后再根據(jù)功率譜密度函數(shù)、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(jī)機(jī)載吊艙艙體疲勞壽命分析流程見圖1。

圖1 某直升機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)載吊艙艙體進(jìn)行疲勞壽命分析。分析時，對其施加應(yīng)力或應(yīng)變函數(shù)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(jī)機(jī)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(jī)機(jī)載吊艙艙體三維模型

圖2(b) 某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體有限元模型

吊艙內(nèi)的功能模塊作為質(zhì)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(cè)側(cè)板)。

圖3 吊艙框架的有限元模型

小于10mm 的結(jié)構(gòu)件主要用四邊形單元劃分網(wǎng)格，部分結(jié)構(gòu)用六面體單元劃分網(wǎng)格。整個有限元單元共248370 單元、256896 節(jié)點(diǎn)。

某直升機(jī)機(jī)載吊艙通過吊耳與掛架連接，直升機(jī)的振動通過吊耳傳遞到吊艙結(jié)構(gòu)上。在進(jìn)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(diǎn)，振動加載到連接點(diǎn)上(見圖2(b)中兩吊耳中間剛性梁交匯點(diǎn)，下面簡稱加載點(diǎn))。

對加載點(diǎn)施加Z 方向載荷激勵。先通過頻率響應(yīng)計算傳遞函數(shù)，然后再根據(jù)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(wǎng)格)的疲勞壽命，疲勞壽命計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命計算結(jié)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(yàn)持續(xù)時間為7291h。

對加載點(diǎn)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(yàn)持續(xù)時間。計算結(jié)果表明:X 軸向耐久試驗(yàn)持續(xù)時間為8340h，Y 軸向耐久試驗(yàn)持續(xù)時間為34h，總之:吊艙艙體每軸向的耐久試驗(yàn)持續(xù)時間均超過34h。

式中:YF——吊艙艙體持續(xù)飛行小時數(shù)(h);

YJ——吊艙艙體每軸向的耐久試驗(yàn)持續(xù)時間(h);

YS——首翻期(h);

YC——首翻期對應(yīng)的每軸向耐久試驗(yàn)持續(xù)時間(h)。

根據(jù)直升機(jī)機(jī)載吊艙主機(jī)環(huán)境技術(shù)條件要求:首翻期為3000 飛行小時，首翻期對應(yīng)的每軸向耐久試驗(yàn)持續(xù)時間為4.8h。把吊艙艙體每軸向的耐久試驗(yàn)持續(xù)時間、首翻期及其對應(yīng)的每軸向耐久試驗(yàn)持續(xù)時間帶入(1)式后得出:

YF＞21250(h)

因此，吊艙艙體持續(xù)飛行小時數(shù)高于21250h。

損傷容陷設(shè)計思想承認(rèn)結(jié)構(gòu)在未使用之前就存在一定程度的未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋或其他損傷。將不可檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計成緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，其設(shè)計準(zhǔn)則為:

式中:Ya0-aer——裂紋從a0擴(kuò)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(shù)，一般取2。

把吊艙艙體持續(xù)飛行小時數(shù)和損傷容陷疲勞分散系數(shù)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(jī)機(jī)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(shù)直升機(jī)機(jī)種年飛行強(qiáng)度較低［3］，只有150h 左右。如米一17 直升機(jī)，年飛行強(qiáng)度平均只有153h。服役期間某直升機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)載吊艙艙體使用壽命措施

環(huán)境引起的腐蝕損傷是影響某直升機(jī)機(jī)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(hù)體系、加工制造、使用維護(hù)等水平直接相關(guān)［4］。為了保證某直升機(jī)機(jī)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(shí)質(zhì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行膠接。

3.2 選用抗腐蝕能力強(qiáng)的材料

合理選取吊艙艙體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能而研制的新型高強(qiáng)度、高斷裂韌度、高疲勞強(qiáng)度和高耐應(yīng)力腐蝕等優(yōu)良綜合性能的鋁一鋅一鎂一銅一鋯鋁合金。在進(jìn)行艙體骨架設(shè)計時，除吊耳外，艙體的其他主要受力構(gòu)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(fù)合涂層防護(hù)體系

表面防護(hù)層是提高吊艙艙體抗腐蝕品質(zhì)，保障吊艙艙體達(dá)到預(yù)期服役使用年限的決定性因素［5］。在設(shè)計某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體時，吊艙艙體配以高效的復(fù)合涂層。采用鋁合金7050 材料加工的主要受力構(gòu)件表面，先進(jìn)行陽極化處理，再噴涂主機(jī)所規(guī)定的底漆H06-27，最后噴涂主機(jī)所規(guī)定的面漆S04-81。

3.4 選用優(yōu)良的制造工藝和表面處理工藝

吊艙在制造過程中有嚴(yán)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(zhì)量。對于陽極化處理后的鋁合金，應(yīng)放在專用貨架上，接觸面襯牛皮紙存放，保護(hù)表面，以免遭到污染;預(yù)裝配過程中損傷表面涂防腐涂料SF-9;對于主要受力構(gòu)件采用掃描電鏡以及電子探針等技術(shù)手段進(jìn)行檢測，防止結(jié)構(gòu)缺陷的存在。

3.5 做好吊艙的使用維護(hù)

在某直升機(jī)機(jī)載吊艙使用維護(hù)過程中，要貫徹各項(xiàng)日常保養(yǎng)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(tài)。在大修過程中，要進(jìn)行全面徹底的腐蝕檢查，采取先進(jìn)的防腐修理技術(shù)，恢復(fù)和增強(qiáng)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(dá)到使用要求。比如:在進(jìn)行吊艙艙體套接口密封設(shè)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(yīng)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(jī)機(jī)載吊艙艙體使用壽命超過10625 飛行小時/30年。

4 結(jié)束語

在上面，我們通過對某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體進(jìn)行了分析，預(yù)估了其疲勞壽命和日歷壽命，并提出了相應(yīng)措施，這些措施可以提高和保證某直升機(jī)機(jī)載吊艙艙體的使用壽命。

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