軍用循環包裝箱金屬卡扣的壽命分析與仿真

杜雨芳，游藩，徐煒峰，劉卉＊，高靜

（1. 中國包裝科研測試中心，天津 300385；2. 中國人民解放軍32382部隊，北京 430311）

根據航空、軍用裝備器材的性能和使用方式，部分裝備器材交付使用后，在使用、倉儲等期間，對部分貴重部件、器材按照規定途經和要求對航空器材、軍用裝備等送修返修[1]，在此情形下，航空、軍用裝備器材等在其壽命期內，可能需要多次搬運、轉運、倉儲、使用，其配套包裝也應滿足多次循環使用的需求。為確保裝備、器材等在運輸、轉運、倉儲過程中的安全與可靠性，評估配套循環包裝的可靠性是重要的保障工作。循環包裝的可靠性涉及一整套包裝系統的可靠性，本文從某循環包裝箱的金屬部件著手，評估金屬部件壽命是否能滿足循環包裝箱的可靠性需求。

本文以某軍用器材循環包裝箱的金屬部件——卡扣為研究對象，分析卡扣在安裝、拆卸過程及工作狀態下的工作原理，對卡扣進行應力分析，計算壽命，同時利用有限元分析軟件ANSYS Workbench模擬卡扣的裝卸過程，得到卡扣的壽命，以評估是否滿足循環使用需求及循環使用中的可靠性。

1 循環包裝箱金屬部件工作原理介紹

某軍用戰備器材某型包裝箱（圖1）為配合戰備轉運等需求，包裝箱要完成反復拆裝50次以上，即金屬件卡扣需滿足循環使用至少100次，箱體主要由四個側面、底座、頂蓋六部分構成，包裝箱正常使用狀態下四個側面、頂蓋之間由卡扣（圖2）連接固定。為確保包裝箱循環使用中的可靠性，對該型號包裝箱用量最多的金屬部件——卡扣進行可靠性評估，計算卡扣的使用壽命。

圖1 循環包裝箱

圖2 卡扣

該包裝箱卡扣在未安裝時約為85°角，采用65Mn彈簧鋼加工而成，在卡扣壽命期內要滿足反復拆裝100次以上不發生永久變形，且使用過程中卡扣無裂紋產生。卡扣的工作原理如下：

安裝時先卡緊短邊，再按壓長邊以卡在底座上固定，工作狀態下保持90°，卡扣兩側張緊；拆卸時由外力翹起長邊，卸離底座（圖3）。因底座固定于箱體上，在包裝箱循環使用中不存在反復拆卸情況，本文僅考慮卡扣的疲勞情況與壽命。

圖3 卡扣安裝拆卸與工作示意圖

2 卡扣載荷分析與計算

卡扣在安裝或拆卸中受到足夠大的力才能實現安裝或拆卸，實測安裝拆卸過程需要50-75N，考慮實際操作中拆卸的一些不確定因素，拆卸力考慮冗余量，拆卸力為150N，在正常工作中卡在兩個梁邊緣，呈張緊狀態，受力約為40-50N。工作狀態下卡扣的三個角（圖4）α1=α2=α3=90°，在工作條件下，拐點應力由兩部分產生：彎矩和剪切力（或正向拉力）。

圖4 卡扣工作狀態受力示意圖

卡扣在反復安裝、拆卸、卡緊狀態下，卡扣拐點c是主要關注點，無論何種工作狀態，該點都是主要受力點，按照疲勞壽命計算基本法[2]中局部應力——應變法，若一個構件危險區的應力——應變歷程與一個光滑試件的應力——應變歷程相同，則壽命相同[3]，卡扣整體疲勞情況以該點做參考。卡扣拐點c處應力σ由彎矩與正向拉力產生，保守估計為兩者之和，σ=σb+σs，卡扣橫截面為矩形面，慣性矩為I=bh3/12，剪切力或正向力的應力=F/A，b點彎矩Mb=Fl+Ma，c點彎矩Mc=Fl+Mb，經計算，卡扣工作狀態下的應力：

代入卡扣相關數值，得到應力σ=136Mpa。

在該模型中，安裝、拆卸過程相似，安裝完畢瞬間與拆卸開始瞬間過程受力狀態基本一致，卡扣在安裝或拆卸中的中間受力情況，以安裝或拆卸即將呈現工作狀態的瞬間受力最大，因此以工作狀態相似的瞬間計算，得到表1中卡扣在安裝、拆卸、工作中的受力和應力值。卡扣在壽命周期內反復拆裝，出現裂紋或永久變形則到達壽命極限，整個過程建立疲勞模型，考慮卡扣表面處理、表面質量、尺寸效應等因素，根據《應力集中系數手冊》等資料選擇應力集中系數Kt=2.2，疲勞因子f=1.21，得到疲勞因素影響下的應力值[σ]=σ＊f＊Kt，并繪制工作中的應力譜（圖5）。

圖5 卡扣工作應力譜

表1 卡扣應力值

3 疲勞壽命與損傷分析

卡扣重復安裝、拆卸、工作的過程載荷循環往復，根據卡扣工作應力圖譜歸結該模型為低周疲勞損傷模型，該過程載荷應力能夠引起卡扣材料力學性能劣變，產生疲勞累積損傷，根據Palmgren-Miner線性積累損傷準則[4]，卡扣疲勞損傷D為使用應力下的循環次數n與該應力下材料疲勞壽命N的比，公式為：

卡扣設計壽命n=100次，根據卡扣材料的S-N曲線（圖6），疲勞因素下的應力值為724Mpa，log（7.24＊108）=8.9，對應logN=2.6的疲勞壽命N=398次，D=n/N=0.25，考慮疲勞中散射因素，D=n/N＊2=0.5，D＜1，符合低周疲勞損傷理論。因此理論計算卡扣的使用壽命為398次。

圖6 結構鋼的S-N曲線

4 卡扣疲勞仿真模擬

卡扣的工作狀態按準靜態分析，由圖5卡扣應力譜可得知，在卡扣安裝或者拆卸時受應力最大，結合實際使用情況，在安裝和拆卸情況下最容易發生疲勞或者永久變形，因此在有限元仿真時主要考慮該工況下的疲勞，以安裝或拆卸瞬間最大力情況加載載荷，以模擬卡扣的疲勞工況。

將已有的卡扣數模導入到ANSYS Workbench軟件中，建立Static Structure模型。卡扣材料為65Mn彈簧鋼，表2是相關材料參數，導入到材料庫中，并在Model中賦予卡扣材料屬性。

表2 材料參數

卡扣結構特點為長寬方向遠大于厚度方向，在模擬卡扣時，將卡扣作為殼單元處理，因此在對卡扣進行網格劃分時，首先進行抽中面處理，然后賦予卡扣實際厚度1.5mm的數值，再對卡扣的殼做網格劃分，網格以四邊形為主（圖7），網格質量中等。

圖7 卡扣網格劃分

按照前文對卡扣工作情況的分析，卡扣在安裝或拆卸時受力最大，瞬間工況為長邊一側受力，因此為卡扣長邊邊緣添加載荷，以最嚴酷狀態下即載荷最大150N加載集中力；然后再為卡扣添加約束，以短邊一側固定添加固定約束，完成卡扣模型前處理，并進行solve運算。

運行模型結束后，在Solution中添加應力、應變，以及fatigue tool。再次運行后得到應力、應變、壽命云圖（圖8），拐點附近卡扣有應力集中發生，且拐點處應變最大，該處容易發生疲勞損傷，與力學分析基本一致。根據云圖，所受的最大應力為837Mpa，應變最大處及損傷易發生處，壽命為377次。

圖8 卡扣應力、應變、壽命云圖

受力分析計算得到卡扣所受的最大應力為724Mpa，與仿真模擬結果的應力值837Mpa接近，約15%的誤差，壽命數值接近，仿真結果趨勢與分析一致。

5 結論

本文經過對卡扣安裝、拆卸、工作狀態下應力情況分析，應用低周疲勞模型對卡扣的使用壽命進行計算，得到卡扣的使用壽命為398次；同時對卡扣進行有限元仿真計算，模擬卡扣準靜態下安裝或拆卸工況，得到卡扣的應力、應變以及疲勞壽命377次。結合計算與仿真分析比對，兩者應力與壽命接近，得到卡扣的疲勞可靠性可以滿足使用需求。

因此，循環包裝箱的金屬部件——卡扣在安裝、拆卸和工作狀態下，疲勞強度滿足使用要求，使用壽命300次以上，能夠滿足可循環包裝箱循環拆卸50次，卡扣反復拆卸100次的使用要求，金屬部件的可靠性能夠達到包裝箱系統循環使用要求的可靠性。