某型飛機排漏閥安裝斷裂分析計算

摘要：某型支線飛機排漏閥安裝時經常出現斷裂的現象，針對這一典型安裝斷裂情況，本文通過宏觀檢驗、斷口分析和有限元計算對排漏閥斷裂的原因進行了分析。結果表明：排漏閥斷裂失效模式為外螺紋接頭第一圈螺紋根部過載拉伸斷裂，通過有限元計算得到了排漏閥螺母安裝的定力值上限，避免排漏閥安裝時再次發生拉伸斷裂。

關鍵詞：排漏閥 有限元計算 斷裂分析

中圖分類號： V226 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1.前言

某型飛機在安裝發動機供油系統和APU供油系統套管排漏閥時，依據要求對套管排漏閥上的鎖緊螺母進行定力安裝時，套管排漏閥發生斷裂，為了分析其斷裂原因，為排漏閥螺母安裝提出合理的建議，需對斷裂情況作出合理的分析計算。

2.斷裂現象與初步分析

排漏閥安裝是由排漏閥體和擰緊螺母組成。根據要求對排漏閥進行安裝，給出的定力值要求為70-85IN-LBS，在未到該定力值時套管排漏閥就發生了斷裂，斷裂如圖1所示。

圖1 套管排漏閥安裝斷裂圖

分析排漏閥發生斷裂原因，由于排漏閥與螺母是螺紋連接，螺紋為細牙螺紋常用于高強度螺紋連接處。螺紋失效的原因有擠壓壓潰，剪切破壞，應力集中疲勞破壞等。該排漏閥螺紋斷裂是整個排漏閥斷裂，且斷裂發生在排漏閥外螺紋接頭第一圈螺紋根部，斷裂表面斷口表面平整， 未發現明顯塑性變形。根據排漏閥斷裂的宏觀分析可以初步確認排漏閥斷裂是在擰緊時使用定力值過大導致拉伸斷裂。

排漏閥在安裝時需要給出合理的定力值，在該定力值下，排漏閥體內因預緊力而產生的拉伸應力應在排漏閥的許用應力范圍之內。這樣就可以通過首先根據安裝定力值計算排漏閥體的預緊力，然后將預緊力代入ABAQUS計算模型，得出排漏閥體內的最大應力，多次分析計算得出排漏閥體的許用應力下的安裝定力值，即最大安裝定力值。再通過排漏閥實際安裝試驗得出最小安裝定力，從而確定合適的安裝定力值。

3.斷裂分析計算

3.1 預緊力計算

根據參考文獻[1]，螺母擰緊力矩M由兩部分組成，分別是螺紋間的摩擦力矩和螺母承托面上的摩擦力矩，可以由式（1）表示。其中和分別可以由式（2）和（3）進行計算。

由于給定定力值要求為70-85IN-LBS。將M=85IN-LBS代入式（4）可以得到排漏閥體中的預緊力=602.8 lbf。

3.2 排漏閥強度計算

由于排漏閥體為外螺紋形式，螺紋通常會有應力集中系數。由文獻[2]可以知道：當螺紋升角小于2.9°時，螺紋升角對缺口應力集中的影響僅為1%，在軸向載荷作用下，螺栓可以簡化成軸對稱問題。

由螺紋升角計算公式tanα=t/（πd2）可以算出升角α=1.606°，排漏閥斷裂是軸向受預緊力過大導致，則可以將排漏閥斷裂問題考慮為軸對稱模型進行分析。

計算得出排漏閥的預緊力，可以根據強度計算公式，算得排漏閥螺紋上的應力，如果大于排漏閥的拉伸強度，則排漏閥就會斷裂。

根據排漏閥型號尺寸，在ABAQUS中可以建立排漏閥體和螺母的裝配模型如圖2所示，對其劃分網格，設置材料參數，邊界條件和施加預緊力，計算可得應力云圖如圖3所示。

由螺紋預緊力公式可以算出在一定擰緊力矩下排漏閥體中的預緊力，將此預緊力加入到計算模型中可以算的排漏閥體中的最大主應力，由此可以得到在不同擰緊力矩下排漏閥體的預緊力如下表2所示。由表2可以看出，在擰緊力矩為85IN-LBS下，排漏閥體的最大應力為177.7MPa，遠大于許用應力，在擰緊力矩為45IN-LBS下，排漏閥體的最大主應力為94.41MPa，此時接近排漏閥的許用應力值95.724MPa。

注：排漏閥許用應力95.724MPa

以擰緊力矩M為85 IN-LBS時為例，在ABAQUS中計算得出排漏閥模型應力云圖如圖4所示，由圖可知排漏閥體中的最大應力值出現在排漏閥第一個螺紋牙底處。

由以上分析可以得出以下結果：

（a）排漏閥螺母在安裝定力為70-85（IN-LBS）下排漏閥必會斷裂；

（b）排漏閥斷裂位置是第一個螺紋牙底處；

（c）排漏閥螺母安裝力矩不應大于45IN-LBS；

圖4 排漏閥模型在擰緊力矩為85 IN-LBS時應力云圖

4.結論

根據分析計算，驗證了排漏閥斷裂失效模式為外螺紋接頭第一圈螺紋根部過載拉伸斷裂，通過有限元計算得到了排漏閥螺母安裝的定力值上限，即排漏閥體上鎖緊螺母的擰緊力矩不應超過45IN-LBS，以避免排漏閥安裝時再次發生拉伸斷裂。

參考文獻

[1] 飛機設計手冊第9 冊：載荷、強度和剛度.北京：航空工業出版社，2001

[2] 方棟，陳繼志. 高強度螺栓螺紋根部應力集中的有限元分析[J]. 材料開發與應用， 2004， 22（2）： 37-39.