某型飞机舱盖吊挂螺栓断裂故障模拟分析

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摘 要 针对某型飞机座舱盖吊挂螺栓断裂故障情况，根据螺栓的受力状态，对舱盖吊挂螺栓的受载情况进行了模拟计算分析，并按螺栓的实际安装形式进行模拟验证，真实模拟了故障的情况。

关键词 吊挂螺栓；断裂试验；有限元；断裂分析

中图分类号V228.2 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）93-0087-02

0 引言

某型飞机做座舱盖应急抛放系统试验中，后舱盖的吊挂形式。在进行吊挂时，后舱盖右侧后端的吊挂螺栓断裂，断裂部位在Φ9过渡到Φ6区域。断裂后，为确定断裂属性，按照故障分析方法，对断裂螺栓做材料特性和断口分析，材料性能指标合格，组织正常，属大应力断裂。

本文根据吊挂螺栓断裂情况，对舱盖吊挂螺栓的承载能力进行了计算分析，并通过对螺栓进行断裂试验情况，对计算分析结果进行了验证。

1 座舱盖吊挂螺栓的属性及载荷分析

吊挂螺栓材料为30CrMnSiA，其材料属性为：σb=1180MPa， E=196000MPa，μ=0.33。螺栓Φ6断裂处的剖面特性为： A=28.27mm2，J=63.62mm4 。

根据座舱盖应急抛放系统试验吊挂图，做座舱盖吊挂时载荷分析有限元计算模型，计算模型。吊挂螺栓断裂前，在座舱盖吊挂载荷计算模型中，将配重185kg折算为1850N向上的作用力，并将1～4号螺栓固定，进行有限元模拟计算，得到4个螺栓的受力情况见表1。计算坐标系按机体坐标系，即飞机逆航向为X轴正向；垂直翼面向上为Y轴正向；Z轴正向由右手定则确定。

从表1计算，得到螺栓平均承载642.6 N。

2号吊挂螺栓断裂后，在座舱盖吊挂载荷计算模型中，将配重185Kg折算为1850N向上的作用力，并将1、3和4号螺栓固定，进行有限元模拟计算，得到4个螺栓的受力情况见表2。

表2 断裂后4个吊挂螺栓的受力情况（单位：N）

从表2可以看出，当2号螺栓断裂后，由于钢索的松弛，3号螺栓已不受力，实际上只有1号和4号螺栓受力。

2 座舱盖吊挂螺栓有限元分析

按照螺栓实际几何尺寸建立有限元模型，有限元模型见图1；根据螺栓在结构上的固定形式，将螺栓断面附近固支，并螺栓在Φ9过渡到Φ6的凸台处的受挤压面施加适当的约束，见图4。根据上面计算的吊挂螺栓载荷，共计算了两种情况，模拟螺栓在吊挂舱盖时的受力形式施加载荷，加载情况见表3，加载方式见图1。

图1 座舱盖吊挂螺栓有限元模型、加载及约束

通过对上述有限元模型计算分析得到：2号螺栓发生断裂前，吊挂螺栓断面处最大应力为907MPa，吊挂螺栓的应力分布情况；2号螺栓发生断裂后，吊挂螺栓断面处最大应力为1153MPa，吊挂螺栓的应力分布情况。

3 座舱盖吊挂螺栓断裂试验

3.1 试验情况

根据螺栓的安装形式，在进行吊挂螺栓断裂试验时，为模拟螺栓受载时，钢索与螺栓的夹角，采取试验方式加载。试验在加载机上进行，加载机行程为每分钟3mm，一直加载到吊挂螺栓断裂，断裂时试验机显示的最大载荷为1944N，试验加载曲线见图2。

图2试验测量的位移-载荷曲线

3.2试验情况的有限元模拟计算

根据试验情况，进行模拟计算，有限元模型见图3；按照试验时螺栓的固定形式，将螺栓断面附近固支，并螺栓在Φ9过渡到Φ6的凸台处的受挤压面施加适当的约束，见图3；根据4.1节载荷分解图得有限元模型加载点的载荷为：

通过有限元分析，得吊挂螺栓断裂断面处最大应力为1310Mpa，大于吊挂螺栓强度极限（σb=1180 Mpa），吊挂螺栓的断裂部位应力分布情况见图4。

因此，螺栓在该受载状态下的承载能力为：

P=1944×1180/1310=1751 （N）

4 结论和分析

综合上述计算分析，得到以下结论：

1）每一个座舱盖吊挂螺栓在吊挂舱盖的受力形式下，静承载能力为1751 N；

2）在正常吊挂下，螺栓承受的平均载荷为642.6 N；

3）从试验结果推算，在该受载状态下的承载能力为1751 （N）；

从上述结论分析，在螺栓材料性能指标合格，组织正常，在螺栓静力受载情况下，正常吊挂螺栓是有足够强度的，螺栓断裂的因素，只有承受载荷达到其破坏载荷。在加载时，加载速度过快，会产生一定的冲击载荷，当冲击加速度达到2.73m/s2时，螺栓承受的载荷达到2.73*642.6=1754 N，超过螺栓的承载能力1751 （N），使螺栓承受较大应力导致断裂。

参考文献

[1]孙聪，王向明.飞机结构典型故障分析与设计改进.北京：航空工业出版社：5-6.

[2]《飞机设计手册》-材料（上）[M].国防工业出版社：29.

[3]《飞机设计手册》-强度计算[M].国防工业出版社：195.