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[摘要]本文结合航空发动机控制系统附件振动试验失效故障，创新性将设计缺陷造成的故障模式分为结构设计缺陷、布局设计缺陷、选型设计缺陷三大类，并以典型案例定性的分析故障原因、失效机理，对设计缺陷造成的产品典型振动失效缺陷及预防进行归纳、总结，为今后产品设结构设计时提供一定的参考和借鉴。

[关键词]振动试验 振动失效 设计缺陷 案例分析 失效机理

1、 引言

航空武器装备对技战指标要求在不断提高，产品使用环境日趋复杂，因此，对产品安全性、可靠性和环境适应性要求也随之不断提高，特别是产品对振动环境适应能力的要求更加迫切[1]。

航空发动机附件产品在实际使用过程中会受到来自发动机噪声、气动噪声、发动机推力脉动等振动环境的影响，振动环境产生的应力反复作用于发动机配套产品时会造成产品的精度降低、磨损加剧、疲劳破坏，导致产品结构、强度的损坏、失灵，从而引发故障。

随着航空发动机研制向自主设计转变，许多在研、新研及预研产品设计验证、改进改型、可靠性验证等都需要大量试验考核进行支撑，尤其是逐步向自主设计转变后，许多产品结构强度及抗振动能力都需要开展专项振动试验来考核验证[2]。

在产品振动考核试验实施过程中，难免出现振动失效故障，这些故障现象充分暴露出型号产品在设计、加工制造、装配等过程中的各类缺陷隐患，现将试验工作中产品因设计缺陷造成的失效故障典型案例进行收集，并针对具体故障失效机理进行分析，旨在通过这些故障分析，重点对型号产品在设计过程中的典型缺陷进行归纳总结，形成振动试验对产品设计的反馈指导作用，为产品设计起到验证考核的保驾护航重要意义。

2、 设计缺陷造成的产品振动故障失效分类及案例分析

产品振动失效故障是一个机理复杂的故障模式[3]，大致可分为设计缺陷、制造缺陷、装配缺陷三大类，其中设计缺陷又可分为结构设计缺陷、布局设计缺陷、选型设计缺陷。设计对产品结构强度来说是非常重要的因素，因设计不合理引发的产品振动失效是一个很普遍的原因，通过对型号产品振动考核试验实施过程中对振动失效故障分析及经验积累，对其中典型的设计缺陷造成的产品振动失效案例进行分析。

2.1 结构设计缺陷

由于产品设计时考虑不周或设计不完善，设计时忽略产品形状突变处的尖角和表面粗糙度对结构性能的影响，导致设计结构不尽合理，从而导致早期失效，如在设计过程中经常出现零件边缘未倒角、转角处半径过小、孔穴处位置设置不当、相贯面过渡不好等。产品尺寸与形状，通常决定产品的应力分布或集合约束，这些都会引起应力集中成为疲劳源，从而导致产品振动考核过程中失效断裂。

2.1.1 某喷口加力调节器振动考核失效案例分析

2.1.1.1 故障概述

某喷口加力调节器壳体组件开展振动考核试验过程中，检查发现壳体进口出现裂纹（见图1），试验结束后，试验技术人员对壳体组件进口进行荧光试剂检查，发现壳体导线槽外壁产生裂纹。

故障部位存在穿透性裂纹，已裂透壳体壁厚，从断口的宏观形貌可以看出，壳体裂纹打开断面，断口呈脆性特征，断裂起源于图2中的A区（壳体直角面根部），呈线源特征，扩展区可见贝壳状的疲劳弧线特征。

2.1.1.2 故障分析

针对故障件，进行了壳体组件的振动特性分析。首先，根据产品的实际结构特征和试验安装状态，建立了壳体组件的有限元模型[4]，确定计算的边界条件；然后分析壳体组件的固有振动特性，并依据固有频率确定基础加速度激励的扫频范围，最后，计算壳体组件在X， Y， Z三个方向承受10g加速度载荷作用时发生最大响应的频率位置，得到响应最大时结构的整体应力分布状态及局部应力分布特征。

壳体组件各个方向最大应力计算结果见表1。阶次表示共振频率对应的模态阶次。应力最大值表示除去刚性约束附近的应力集中外，组件其他位置上出现的最大应力。从表1可以看出，在X、Y、Z方向上，最大应力集中位置都在裂纹位置。

加力壳体设计主要参考了工作条件及安装环境相近的成熟产品加力壳体的结构。故障件壳体在设计过程中，为保证产品的重量达标，对产品进口部位的结构进行了局部减重设计，进口部位的结构与成熟产品加力壳体结构存在一定的差异，见图6；从对比图中可以看出，成熟产品在进口处有框架式的支撑结构，进口整体强度明显比故障件加力壳体高。

故障件产品进口为产品主要安装受力点。三维剖面图见图7，从图中可以看出，主要受力部位设计不合理，突变处有直角根部形成，存在应力集中，且该处壳体厚度较薄，在外力作用下易疲劳开裂。

2.1.1.3 壳体改进方案

将加力壳体沿进口方向拉高约20mm，使得壳体边缘与进口所在面现成U字型结构，同时沿产品Z轴方向在产品进口与I区计量活门安装孔之间增加加强筋（见图8）。

改进后的产品通过仿真以及实际试验验证，在三个方向简谐加速度激励作用下，壳体组件相同部位改进方案的应力情况均优于原方案，证明改进方案不但能较好的解决产品裂纹部位的应力集中问题，而且对壳体的总体应力分布起到了改善作用。

2.2 布局设计缺陷

在振动试验过程中，发现部分产品布局设计不合理，如产品壳体装配后出现过大的悬臂，且没有有效的加强或支撑；电液伺服阀、电磁铁等外购成件安装布局远离产品安装刚性部位，导致振动考核过程中传递到外购成件上的考核振动量值过大；产品由多个壳体装配组成，产品重心分布不均匀，且支撑点远离产品重心，造成悬臂支撑，每个壳体有效安装支撑点只有一个，导致整体结构强度小等，这些布局设计不合理将会导致产品振动考核或实际使用中，出现振动量级放大，振动加剧，振动失效断裂，造成产品失效。

2.2.1 某燃油调节器安装孔耳振动考核失效分析

2.2.1.1 故障概述

某燃油调节器在振动考核过程中，产品与振动工装连接孔耳处出现裂纹，试验失败（见图9）。

2.2.1.2 故障分析

该燃油调节器产品由加力控制壳体、加力供油壳体、喷口控制壳体组成，该产品质量大，尺寸长，共有4个安装点。除加力控制壳体分布有两个安装点外，加力供油壳体、喷口控制壳体各只有1个安装点。从整体安装布局来说，可以满足产品安装需求，但对于各壳体来说，加力供油壳体、喷口控制壳体都只有一个安装点，且为悬臂支撑状态，在振动过程中造成该安装点将承受很大的应力（见图10）。

2.2.1.3 改进方案

产品尺寸与形状，通常决定产品的应力分布或集合约束，类似该燃油调节器产品这样由多部分组合的产品，在安装点的选择上要加以注意，首先各个部分都应该有两个以上的安装点，且一个为主支撑，另一个为辅助支撑，尽量避免悬臂支撑。同时，各支撑点的安装孔耳结构设计应考虑足够的强度，且面与面的结合处应考虑足够大的圆角过度，避免应力集中。

2.3 选型设计缺陷

选型缺陷主要体现在选材不合理和零件选型强度不合理等，选材不合理主要体现在所选材料性能不足、状态不对。错误的设计或错误的使用材料，往往会造成零部件或产品的韧性失效（过渡变形，弹性的或塑性的撕裂或剪切断裂）、脆性断裂、疲劳断裂（载荷循环变化、应力循环变化等）；错误地选型强度不合理则会导致零件强度不够，超出使用极限，导致断裂失效，如螺钉选型过小，在交变应力作用下松动甚至疲劳断裂。

2.3.1 某加力调节器电液伺服阀保护罩盖螺钉振动断裂失效分析

2.3.1.1 故障概述

某加力调节器开展振动试验，试验过程中发现电液伺服阀保护罩盖上7颗螺钉中有3颗断裂，2颗松动（见图11）。

2.3.1.1 故障机理分析

某加力调节器电液伺服阀保护罩布局在产品上方，采用7颗M2螺钉均匀分布，将保护罩盖板紧固在保护罩壳体上，使保护罩封闭，从而到达保护电液伺服阀的目的。

该电液伺服阀保护罩是一个薄壁型箱型结构，对于此类薄壁箱型结构，其内部为空腔，在经受振动考核时，保护罩盖板上在振动考核条件下，会出因振动产生形变现象，对安装螺钉形成交变应力，因此对安装紧固螺钉的强度要求很高，如果选用的螺钉规格过小，会存在因保护罩振动变形使安装螺钉出现松动脱出甚至超出强度极限断裂等故障。

2.3.1.2改进方案

针对该调节器电液伺服阀保护罩盖M2安装螺钉振动断裂故障，将M2安装螺钉选型改为M3，从而提高螺钉强度。并将螺钉数量从7颗增加至10颗，改善每颗螺钉受力情况。设计改进后对壳体强度开展振动试验进行验证，试验过程中电液伺服阀保护罩盖M3安装螺钉未出现松动、断裂等故障。

3、 设计缺陷造成的产品典型振动失效缺陷及预防

3.1 结构设计缺陷

产品尺寸与形状，通常决定产品的应力分布或集合约束，这些都会引起应力集中成为疲劳源，因此产品设计时应重点关注形状突变处以及过渡面的结构设计，应尽量避免出现直角结构，大量事实证明，产品形状突变处直角结构易造成应力集中，导致该处出现结构疲劳断裂故障。在产品设计时，针对形状突变处直角结构够设计（见图12），应有预见性的对该类结构的结构强度进行评估，并适当对直角突变处进行倒圆设计处理（见图13），从而增强结构突变处的结构强度。

3.2 典型布局设计缺陷及预防

公司大多数航空发动机附件产品都是由几部分壳体装配而成，很少有整体加工成型的产品，这些壳体组件并非每个都有有效的安装形式，如某加力调节器产品2号壳体除了与1号壳体安装面有紧固点外，没有其他有效的安装点，因此造成2号壳体悬臂安装状态（见图14），在振动环境下，2号壳体由于悬臂安装，导致响应量值过大，对安装面安装孔耳造成交变应力，最终导致安装面安装孔耳断裂失效。

在产品壳体设计布局时，针对类似该加力调节器有多个壳体装配组合的产品，对壳体的有效安装及结构强度应进行评估，避免出现壳体悬臂安装，必要时可采取产品整体加工成型，对悬臂安装的壳体组件采用加强筋以及增加辅助支撑等形式，增强壳体安装强度。

3.3 选型设计缺陷及预防

选型缺陷主要体现在选材不合理和零件选型强度不合理等，选材不合理主要体现在所选材料性能不足、状态不对。错误的设计或错误的使用材料，往往会造成零部件或产品的韧性失效（过渡变形，弹性的或塑性的撕裂或剪切断裂）、脆性断裂、疲劳断裂（载荷循环变化、应力循环变化等）；错误地选型强度不合理则会导致零件强度不够，超出极限，导致断裂失效，如螺钉选型过小，在交变应力作用下疲劳断裂。

3.3.1 泵类产品主轴壳体材料选型缺陷及预防

目前，公司大部分泵类产品主轴壳体基本上都是通过铸铝成形的壳体，且泵类产品在发动机上基本上都是悬臂形式安装（见图15、图16），因此，在振动环境下，产品主要受力部位在法兰安装部位的根部，该部位是交变应力集中部位，因此对其结构强度要求较高。通过多次对类似产品开展振动考核试验，发现其主轴壳体处为结构薄弱点，主要原因有两方面：一是安装法兰根部过渡面倒圆半径R过小；二是主轴壳体使用铸件材料，其材料性能强度较锻件材料性能低。因此，对于类似结构的泵类产品主轴壳体法兰根部过渡面的设计时，应加大过渡面倒圆半径R，或是采取加强筋的形式增强其结构强度。在材料选型时，应分析材料的特性，避免因材料设计及材料选型时，造成零部件或产品的韧性失效、性脆，或超出使用极限，导致断裂失效。

3.3.2 薄壁空腔盖板固定螺钉选型缺陷及预防

公司产品设计时，要求对电液伺服阀等部件设计一个保护罩进行保护，该保护罩多为一个薄壁箱型结构，其内部为空腔，在经受振动考核时，保护罩盖板上的振动响应远远大于输入量值，因此对安装紧固螺钉的强度要求很高，如果选用的螺钉规格过小，会存在因振动响应量值大，使安装螺钉出现松动脱出，或是超出强度极限断裂等故障。因此，设计时因根据实际情况，选择满足强度要求的紧固螺钉。

4 总结

通过对上述典型案例的分析[5]，产品振动时效故障，在设计方面，产生振动失效的原因往往是由多个原因造成，因此在设计之初，我们需要从结构设计、布局设计、选型设计等多方面综合考虑。对于一个产品的安装支撑，应避免产品出现悬臂支撑，合理设计支撑点，尽量使产品的重心通过支撑点的中心，避免支撑点振动量级被放大的情况；对于产品在振动过程中受力的过渡面，应避免出现直角过渡的造成应力集中的情况，在空间允许的情况下，尽量增大过渡面的过渡圆角；对于多部分组合的产品，各部分之间的连接要合理，连接强度满足要求，各部分间的支撑点布置要综合考虑各部件的重心和部件组合后的产品整体的重心，考虑合理布置主支撑点和辅助支撑点，同样的要避免各部件或整体出现悬臂支撑；紧固件或壳体材料强度也是十分重要的因素，应根据产品在实际使用过程总的镇定量级计算紧固件和材料强度，并考虑安装系数，同时考虑采用加强筋的方式增大强度，避免因强度不足等易造成产品振动失效的情况出现。

参考文献

[1] 施明荣等编著，GJB150.16A《军用设备环境试验方法 振动试验》 北京：总装备部军标出版发行部，2009年.

[2] 胡时岳等编著，机械振动与冲击测试技术 北京：科技大学出版社，1982年.

[3] 李方泽等编著，工程振动测试与分析 北京：高等教育出版社，1992年.

[4] 张文志编著，机械结构有限元分析 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006年.

[5] 黄朝辉编著，航空发动机燃油控制系统典型零组件失效与预防 北京：国防工业出版社，2015年.