高壓管路振動(dòng)斷裂失效研究

李東升，范東林，張茜，薛曉艷

（國(guó)營(yíng)洛陽丹城無線電廠，洛陽 471000）

引言

高壓管路是安裝在某型導(dǎo)彈舵機(jī)艙內(nèi)的高壓承力、傳力元件，在電爆管點(diǎn)火后可產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體推動(dòng)舵機(jī)解鎖裝置，使其解鎖。高壓管路結(jié)構(gòu)組成及安裝位置圖如圖1所示。

圖1 高壓管路結(jié)構(gòu)組成及安裝位置圖

在某型舵機(jī)環(huán)境應(yīng)力篩選振動(dòng)試驗(yàn)后進(jìn)行解鎖測(cè)試，出現(xiàn)舵機(jī)無法解鎖故障。分解舵機(jī)后，發(fā)現(xiàn)高壓管路斷裂部位位于與主管路接頭連接的同側(cè)支管路根部，即位于圖1所示三角接頭處。高壓管路的斷裂失效，從失效部位、使用環(huán)境來看，與本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、較大的環(huán)境振動(dòng)應(yīng)力相關(guān)，該處為焊縫，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且電爆管相連的主管路工作時(shí)處于懸空狀態(tài)，若振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“過應(yīng)力”將可能造成高壓管路斷裂失效。

1 失效分析

1.1 斷口分析

高壓管路斷裂處為焊接部位，焊接后外部涂有保護(hù)膠。采用ICP-OES以及碳、硫分析法對(duì)管路和接頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，氣管材質(zhì)為S30408不銹鋼，接頭材質(zhì)為S30403不銹鋼。

對(duì)斷口進(jìn)行形貌分析，端口附近未見明顯的塑性變形，斷口由兩個(gè)區(qū)域構(gòu)成，兩區(qū)域存在明顯的高度差，A區(qū)為主斷面，占90 %以上，裂紋源從圖示黑色箭頭處萌生，然后向兩側(cè)擴(kuò)展；B區(qū)裂紋從圖示黑色箭頭處萌生，然后向兩側(cè)擴(kuò)展。兩個(gè)裂紋源的連線與安裝水平面垂直，兩個(gè)裂紋源對(duì)稱分布，如圖2所示。

圖2 裂紋源形貌

對(duì)斷面進(jìn)行SEM觀察，A區(qū)域裂紋源，如圖3（a）、圖3（b）所示，A區(qū)裂紋源區(qū)未見明顯的冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶；B區(qū)裂紋源處發(fā)生磨損（圖3（c）、圖3（d）所示），擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶。A、B交匯斜面處形貌，可見塑性變形痕跡與韌窩，為瞬斷區(qū)。

圖2 裂紋源形貌

從以上分析可知，結(jié)構(gòu)件的斷裂為高周疲勞斷裂，兩個(gè)裂紋源對(duì)稱分布，裂紋均從表面萌生，裂紋源區(qū)未見明顯的冶金缺陷。

1.2 焊縫分析

對(duì)氣管與三角接頭處斷裂處分析，為焊接連接形式，氣管的組織為單相奧氏體，等軸晶粒；接頭組織為單相奧氏體，晶粒粗大，靠近焊縫處存在熱影響區(qū)，對(duì)焊縫進(jìn)行EDS分析，氣管與接頭的焊接方式為硬釬焊，釬料為銅鎳釬料。銅鎳釬料焊接時(shí)，需約1 200 ℃的溫度，對(duì)焊接控制要求較高。

1.3 小結(jié)

根據(jù)前述分析，高壓管路發(fā)生斷裂，為在振動(dòng)環(huán)境下，發(fā)生高周疲勞斷裂，裂紋起源于結(jié)構(gòu)突變位置焊料表面的缺陷處，其它焊接位置未見明顯的缺口。另一方面，高壓管路隨舵機(jī)產(chǎn)品經(jīng)歷了多個(gè)周期的振動(dòng)（沖擊）工作環(huán)境而未發(fā)生失效，在環(huán)境應(yīng)力篩選階段出現(xiàn)故障，應(yīng)與不合理的所施加振動(dòng)應(yīng)力相關(guān)。

2 環(huán)境應(yīng)力振動(dòng)試驗(yàn)研究

2.1 振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)性能要求

振動(dòng)夾具的動(dòng)剛度常用固有頻率來表征，求解固有頻率為對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是通過數(shù)學(xué)手段將物理空間中的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為模態(tài)空間的模態(tài)坐標(biāo)。模態(tài)空間的基是相互正交的（模態(tài)是解耦的），這就意味著我們可將實(shí)際物理空間的力分解在模態(tài)基上，從而得到力對(duì)不同模態(tài)的貢獻(xiàn)。這里引入了模態(tài)參與因子，模態(tài)參與因子指系統(tǒng)的某一階特定的模態(tài)在系統(tǒng)頻率響應(yīng)中的參與量，模態(tài)參與因子較大的模態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)模態(tài)，在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中起支配作用。結(jié)構(gòu)物和環(huán)境因素一旦被確定，結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)模態(tài)也就確定了。一般情況下，結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)模態(tài)有多個(gè)，當(dāng)有多個(gè)模態(tài)同時(shí)支配結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力可視為主導(dǎo)模態(tài)與各次主導(dǎo)模態(tài)的組合作用的結(jié)果，其對(duì)某點(diǎn)貢獻(xiàn)是空間矢量疊加。

振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)連接后可視為剛性較大的“懸臂梁”，橫向振動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)、單位長(zhǎng)度質(zhì)量為ρ的懸臂梁，前四階模態(tài)參與因子為0.783、0.4339、0.2544、0.1818，即前幾階模態(tài)（尤其一階模態(tài)）對(duì)產(chǎn)品影響最大。另一方面，對(duì)于單自由度系統(tǒng)，f/fn越?。ㄆ渲衒為試驗(yàn)頻率，fn為夾具一階固有頻率），傳遞特性越接近1，即要求振動(dòng)夾具固有頻率也盡可能提高。

綜合模態(tài)參與因子、傳遞特性要求，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能提高第一階固有頻率，使其不僅具有較好的傳遞特性，也可減少所貢獻(xiàn)模態(tài)的參與，降低振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)件的損傷概率。

2.2 兩種振動(dòng)夾具的研制

為進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，需對(duì)安裝有高壓管路的舵機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種螺栓連接方式的振動(dòng)試驗(yàn)夾具，該振動(dòng)夾具制造簡(jiǎn)單、加工周期短，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)鑄造結(jié)構(gòu)較差。

對(duì)振動(dòng)夾具利用SolidWorks中的Simulation進(jìn)行頻率計(jì)算，將不同板件之間連接處設(shè)置為“接觸對(duì)”，按照實(shí)際固定方式對(duì)底板進(jìn)行約束，計(jì)算可得振動(dòng)夾具的一階固有頻率為363.29 Hz，如圖4所示。

圖4 螺栓連接的振動(dòng)夾具一階模態(tài)

振動(dòng)夾具前四階固有頻率如表1所示。

表1 螺栓連接形式振動(dòng)夾具固有頻率

一般認(rèn)為，對(duì)于中型產(chǎn)品，振動(dòng)夾具一階固有頻率不宜低于500 Hz[1]，結(jié)構(gòu)的破壞常發(fā)生在低頻共振頻率區(qū)，即低頻模態(tài)參與因子最大。本產(chǎn)品振動(dòng)夾具一階固有頻率低于500 Hz，為螺栓連接裝配結(jié)構(gòu)，剛度相對(duì)較低。為避免后續(xù)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，高壓管路出現(xiàn)斷裂故障，研制了新型振動(dòng)夾具，該夾具底座為鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)，具有剛度高、阻尼比大特點(diǎn)。

對(duì)鑄造形式的振動(dòng)夾具進(jìn)行傳遞性試驗(yàn)，第一階固有頻率約600 Hz（有限元仿真第一階固有頻率為726 Hz，如圖5所示），滿足“夾具的頻率應(yīng)達(dá)到試件最低頻率（舵機(jī)艙第一階固有頻率不超過100 Hz）的三倍到四倍以上”及“振動(dòng)夾具一階固有頻率不低于500 Hz”要求[2,3]。

圖5 鑄造形式的振動(dòng)夾具一階固有頻率

高壓管路斷裂為在X向振動(dòng)載荷下發(fā)生，將舵機(jī)安裝到鑄造形式的振動(dòng)夾具上，經(jīng)測(cè)試，高壓管路隨舵機(jī)在X向振動(dòng)，三角接頭處加速度均方根值為12.01 g，如圖6所示；而安裝在螺栓連接形式振動(dòng)夾具上測(cè)試，X向振動(dòng)加速度均方根值為23 g。對(duì)比兩種振動(dòng)夾具試驗(yàn)，安裝在鑄造形式振動(dòng)夾具上的高壓管路振動(dòng)量級(jí)得到大幅降低，降低了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)高壓管路損傷概率。

圖6 高壓管路三角接頭處X向、Y向加速度均方根值

2.3 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算與分析

2.3.1 振動(dòng)控制策略

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)試驗(yàn)，一般均采用多點(diǎn)隨機(jī)控制方式，工程應(yīng)用中，平均值更為常見。

對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)為n點(diǎn)平均值控制，其平均控制功率譜密度為：

式中：

Si（w）—第i個(gè)參與控制的功率譜密度矩陣。

振動(dòng)試驗(yàn)控制的目的就是使n點(diǎn)響應(yīng)的平均功率譜滿足振動(dòng)控制試驗(yàn)條件不超過一定的容差要求，通過閉環(huán)控制，調(diào)整對(duì)試驗(yàn)件的輸入，滿足試驗(yàn)要求。

舵機(jī)高壓管路的振動(dòng)試驗(yàn)方式，分為兩種：一種為舵機(jī)產(chǎn)品上不布置加速度傳感器，全部安裝在振動(dòng)夾具上；另一種為在舵機(jī)艙體上高壓管路附近、振動(dòng)夾具上均布置傳感器。在舵機(jī)艙體高壓管路附近設(shè)置傳感器的目的是可使得該處響應(yīng)參與閉環(huán)控制，通過該種優(yōu)化控制方式，降低復(fù)雜產(chǎn)品各處響應(yīng)不均衡造成局部結(jié)構(gòu)損傷概率。

2.3.2 螺栓連接振動(dòng)夾具動(dòng)應(yīng)力分析

高壓管路振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，3個(gè)加速度傳感器均布置在振動(dòng)夾具底板上，采用3點(diǎn)平均值控制。受限加速度傳感器體積等條件，高壓管路斷裂部位動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)無法直接測(cè)試，利用Simulation，計(jì)算在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下高壓管路受力情況，確定斷裂部位以及斷裂闕值。仿真計(jì)算時(shí)，選擇“線性動(dòng)力”下的“無規(guī)則振動(dòng)”，確定相關(guān)邊界條件、阻尼后，選擇“選定的基準(zhǔn)激發(fā)”，編輯“曲線”，輸入高壓管路與艙體連接處響應(yīng)（加速度傳感器拾?。┑墓β首V密度曲線，可得圖7所示螺栓連接形式振動(dòng)夾具試驗(yàn)條件下高壓管路的動(dòng)應(yīng)力云圖，隨機(jī)振動(dòng)仿真計(jì)算最大動(dòng)應(yīng)力達(dá)到171.6 MPa，最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在三角接頭部位，與實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)斷裂位置相同。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，304不銹鋼S-N曲線，在109周次對(duì)應(yīng)條件的疲勞強(qiáng)度約為157 MPa，螺栓連接形式振動(dòng)夾具在X向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，最大動(dòng)應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度，高壓管路極易發(fā)生疲勞斷裂。

圖7 螺栓連接形式振動(dòng)夾具振動(dòng)時(shí)高壓管路動(dòng)應(yīng)力云圖

2.3.3 鑄造形式振動(dòng)夾具動(dòng)應(yīng)力分析

對(duì)于鑄造形式的振動(dòng)夾具，仍將3個(gè)加速度傳感器均布置在振動(dòng)夾具底板上，采用3點(diǎn)平均值控制，測(cè)得高壓管路與艙體連接處響應(yīng)的功率譜密度曲線，利用Simulation，計(jì)算鑄造形式振動(dòng)夾具在X向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下高壓管路受力情況，可得圖8所示動(dòng)應(yīng)力云圖，隨機(jī)振動(dòng)仿真計(jì)算最大動(dòng)應(yīng)力約為100 MPa，最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在三角接頭部位，但最大動(dòng)應(yīng)力低于材料的疲勞強(qiáng)度157 MPa，高壓管路發(fā)生疲勞斷裂的可能性大大降低。

圖8 鑄造形式振動(dòng)夾具振動(dòng)試驗(yàn)高壓管路動(dòng)應(yīng)力云圖（3點(diǎn)布置底板）

為進(jìn)一步降低高壓管路斷裂概率，高壓管路振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，將2個(gè)加速度傳感器布置在舵機(jī)艙體靠近高壓管路安裝處，保留1個(gè)加速度傳感器布置在振動(dòng)夾具底板上，采用傳感器不同安裝位置的3點(diǎn)平均值控制。利用Simulation，計(jì)算鑄造形式振動(dòng)夾具在X向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件下高壓管路受力情況，可得圖9所示動(dòng)應(yīng)力云圖，隨機(jī)振動(dòng)仿真計(jì)算最大動(dòng)應(yīng)力僅為59.3 MPa（約為1/3），最大動(dòng)應(yīng)力同樣發(fā)生在三角接頭部位，但最大動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的疲勞強(qiáng)度，高壓管路不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。

圖9 鑄造形式振動(dòng)夾具振動(dòng)試驗(yàn)高壓管路動(dòng)應(yīng)力云圖（1點(diǎn)布置底板）

三種振動(dòng)條件下，高壓管路動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比如表2所示。

表2 三種振動(dòng)條件高壓管路動(dòng)應(yīng)力對(duì)比

可以看出，通過提高振動(dòng)夾具一階固有頻率可以改善振動(dòng)夾具的傳遞性，而進(jìn)一步優(yōu)化振動(dòng)時(shí)傳感器的布置，通過抑制敏感元件處“最大振動(dòng)量級(jí)”，可以平衡試驗(yàn)件的響應(yīng)，避免過振動(dòng)或欠振動(dòng)。

2.4 故障高壓管路的修復(fù)

高壓管路斷裂部位為銅鎳硬釬焊，對(duì)斷裂部位修復(fù)應(yīng)采用局部加熱進(jìn)行焊接，即對(duì)高壓管路采用高頻感應(yīng)焊接，而銅鎳釬料熔點(diǎn)高、溫度控制困難，在局部焊接熔化銅鎳釬料時(shí)極易出現(xiàn)管路內(nèi)孔熔化故障，造成高壓管路內(nèi)孔部分或全部堵塞，最終可能引起舵機(jī)無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)解鎖。經(jīng)過多輪焊接工藝驗(yàn)證，采用牌號(hào)為HBCu71NiMnSiB銅基釬料，嚴(yán)格控制焊接時(shí)間，防止待焊部位焊接“過燒”，解決了高壓管路內(nèi)孔堵塞缺陷，完成了高壓管路的修復(fù)焊接。

3 結(jié)論

某型舵機(jī)高壓管路隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂失效，與本身的結(jié)構(gòu)、較大的振動(dòng)應(yīng)力、試驗(yàn)件材質(zhì)等相關(guān)，斷裂部位為焊縫，且振動(dòng)時(shí)該處相對(duì)處于懸空狀態(tài)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之不合理的“過應(yīng)力”造成了高壓管路的斷裂失效。

振動(dòng)夾具為振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)連接試驗(yàn)件與振動(dòng)臺(tái)的“媒介”，設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)夾具能夠篩選裝配、焊接等不合格產(chǎn)品，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)產(chǎn)品的累積應(yīng)力損傷；而設(shè)計(jì)不合理的振動(dòng)夾具或憑經(jīng)驗(yàn)采取振動(dòng)控制方式，極易造成振動(dòng)試驗(yàn)件的顯性或隱性損傷[5]。在振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)中，一階固有頻率、試驗(yàn)件的薄弱環(huán)節(jié)分析極為重要；振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)合理布置加速度傳感器以均衡、消除“過應(yīng)力”，同時(shí)也應(yīng)避免振動(dòng)量級(jí)不足導(dǎo)致“欠試驗(yàn)”，使得無法及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在缺陷。