安全性是系统设计中一项重要的、需要关注的项目。文中涉及的固定件一般用于固定特种密封箱端盖支撑附件，防止端盖开启时碎块在高温、高压、高速气体（燃气流）的冲刷作用下二次受力，导致支撑附件脱落而砸伤地面设备及工作人员，该固定件直接关系到系统工作的成功性和安全性。某型号密封箱端盖固定件及安装状态照片如图1所示。在某次飞行试验中，该型号端盖工作时有碎块飞出，在燃气流冲刷的影响下，出现固定件撕脱损坏的现象，导致支撑件与端盖分离，严重威胁地面设备及工作人员的安全。研究人员对固定件撕脱机制、铺层层数进行研究，对连接孔分布进行仿真分析，进一步提高了固定件与端盖的黏接强度，并提出了改进措施，以防止该类问题再次发生。

 

 

      由于目前端盖所属特种密封箱系统要求轻质化，因此需要采用比强度较高的材料成型端盖固定件。玻璃纤维增强复合材料（俗称玻璃钢）可以作为固定件原材料。该材料具有较好的耐腐蚀性、电绝缘性、热性能和可设计性等优点。固定件应用压制成型工艺，选用的材料及工艺制作的固定件需要具有一定的抗拉强度，且韧性较好。抗拉强度越大，固定件越不容易被外力拉断撕脱，韧性越好，固定件与端盖内表面的配合度越高。一般使用胶黏剂黏接和标准件（自攻螺钉等）固定的方式将固定件与端盖连接。

 

1. 撕脱原因

 

     固定件撕脱故障出现后，对影响产品质量的5个因素（人、机、料、法、环）进行排查，结果均无异常。经过进一步分析，发现该故障出现的原因属于工艺设计问题，最终定位为固定件强度不足和固定件连接孔分布不合理。

 

1.1 固定件强度不足

 

     解剖同批次生产的固定件，查看其内部结构，发现固定件压制后出现材料疏松、分层现象，内部分层固定件宏观形貌如图2所示。

 

    固定件由厚度为0.36mm的预浸玻璃纤维布压制成型，层数为6层，设计厚度为1.5mm，经计算，固定件预浸布的压缩率为30%，压缩率定义公式为

 

    经分析，预浸布层间存在的缺陷相对较多，导致固定件强度偏低、易撕裂，这是因为预浸布压缩率偏低。

 

1.2 固定件连接孔分布不合理

 

     故障固定件连接孔分布如图3所示。由于固定件在端盖打开飞出时受力，固定件连接孔处及附近区域会产生应力集中，且加工连接孔时，横向分布的玻璃纤维处于被切断状态，因此固定件破坏位置基本在连接孔附近，可得出固定件连接孔处易撕裂的结论。损坏的固定件连接孔宏观形貌如图4所示。

 

2. 解决措施

 

2.1 提高压缩率

 

     针对固定件强度设计余量不足的问题，用不同层数的玻璃纤维预浸布制作不同厚度的拉伸试样，对试样进行拉伸试验，试验结果如表1所示。由表1可知：预浸布压缩率为50%试样的抗拉强度明显提高。由于端盖内表面为弧面，固定件与端盖装配时产生协调变形，固定件刚度越低，协调变形能力越大，安装固定件的标准件承受的装配应力越小，对固定件安装状态越有利。

 

    根据上述分析，将预浸玻璃纤维布层数增加至9层，经压实后，固定件厚度为1.6mm，压缩率为50%时，固定件具有良好的综合力学性能。

 

2.2 优化连接孔数量及分布位置

 

     针对固定件受力时连接孔附近区域应力集中的问题，对故障固定件进行受力仿真分析。根据实际工况，对连接孔处施加固定约束，其余面施加恒定压力，应力分布云图如图5所示。图中横向连接孔间应力处于连续状态，可知当固定件受力时，该处所受拉力集中在孔附近，且使用钻孔工艺加工连接孔时，横向分布的玻璃纤维处于被切断状态，因此容易造成固定件撕脱。

     针对上述问题，调整连接孔数量及分布状态，拟改进的固定件（5孔）受力时应力分布云图如图6所示。该分布状态使得固定件受力时，孔与孔之间受力不连续，且横向只存在单一连接孔，可以减轻因机械加工连接孔造成的玻璃纤维损伤程度。

 

3. 试验验证

 

     根据固定件工作状态设计拉伸试验工装，模拟受力状态，对固定件进行试验验证，判断现有固定件和提高压缩率、优化连接孔数量及分布位置后固定件的抗拉强度，验证改进措施的可靠性和真实性。固定件拉伸试验工装如图7所示，其中泡沫基体与端盖为同一体系材料。

 

 

     制作改进前及改进后固定件试样，对其进行拉伸试验，每个试样的拉伸力如表2所示。由表2可知：改进后固定件拉伸力较改进前提高约1.56倍，拉伸力大幅增大。

 

 

     试验过程中固定件拉伸后宏观形貌如图8所示。

 

 

4. 改进措施

 

     端盖内表面和固定件黏接面为弧面，在上述改进状态的基础上，进一步对固定件形状进行优化设计，将固定件黏接面由平板结构优化为与端盖内表面匹配的弧面形式，与盖体内表面贴合，使得固定件与盖体内表面黏接时胶层厚度均匀，以降低装配应力造成的固定件强度受损程度。优化设计后的固定件黏接面如图9所示。

 

 

     采取提高压缩率、优化连接孔数量及分布位置、形状优化等措施，制作优化后固定件试样，对这些试样进行拉伸试验，拉伸试验结果如表3所示。由表2~3可知：进一步优化后固定件试样的拉伸力提高约13%。

 

5. 结语

 

     对某特种密封箱端盖固定件撕脱原因进行分析，结果表明：固定件压缩率偏低是造成固定件强度不足的主要原因，固定件连接孔分布不合理进一步造成其材料受损，最终导致固定件在受力时发生损坏并脱落。

 

     经过提高固定件压缩率、优化连接孔数量及分布位置，固定件的拉伸力提高1.56倍，进一步优化固定件形状后，拉伸力提高约13%。经过改进后，固定件撕脱将不再发生。

 

作者：蔡亮，刘宇盖

 

单位：上海材料研究所有限公司 上海市工程材料应用与评价重点实验室

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第12期

 

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 固定件撕脱原因