中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在航空動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域，功率分出軸與發(fā)動(dòng)機(jī)附件的連接可靠性直接關(guān)系到整機(jī)運(yùn)行安全，其中緊固件作為關(guān)鍵連接部件，其在極端工況下的穩(wěn)定性備受關(guān)注。2025年，緊固件行業(yè)在航空領(lǐng)域的技術(shù)研究進(jìn)一步深化，針對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)景下緊固件可能出現(xiàn)的松動(dòng)、剪斷失效問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)探索聚焦于如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證，確保失效緊固件不對(duì)周邊部件造成安全威脅，而功率分出軸上套圈與保護(hù)罩對(duì)緊固件的包容能力研究，成為保障自鎖結(jié)構(gòu)安全的重要方向。以下是2025年緊固件行業(yè)技術(shù)分析。

  一、功率分出軸緊固件建模與包容性仿真基礎(chǔ)構(gòu)建

  功率分出軸與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附件采用自鎖結(jié)構(gòu)連接，雖能提升維護(hù)性、縮短拆裝時(shí)間并避免軸體磕碰，但實(shí)際工作中，自鎖螺母可能松動(dòng)、螺栓可能剪斷失效。失效后的緊固件會(huì)隨軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)飛出，可能損傷套圈與保護(hù)罩，若套圈 / 保護(hù)罩不具備包容能力，緊固件掉落機(jī)艙將引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需開(kāi)展功率分出軸緊固件包容性分析。

  《2025-2030年全球及中國(guó)緊固件行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，在建模過(guò)程中，因僅關(guān)注緊固件包容性，對(duì)功率分出軸模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅包含套圈、螺母、保護(hù)罩和螺栓這幾個(gè)與緊固件包容相關(guān)的核心部件。各部件材料參數(shù)明確，套圈采用 TA15 材料，彈性模量 118GPa、泊松比 0.39、密度 4450kg/m3、屈服極限 855MPa、強(qiáng)度極限 1130MPa;螺母采用 40CrNiMoA 材料，彈性模量 209GPa、泊松比 0.295、密度 7850kg/m3;保護(hù)罩采用 TC1 材料，彈性模量 118GPa、泊松比 0.39、密度 4550kg/m3、屈服極限 800MPa、強(qiáng)度極限 900MPa;螺栓采用 GH4169 材料，彈性模量 204GPa、泊松比 0.3、密度 8240kg/m3。

  選用 Plastic Kinematic 硬化模型，設(shè)置套圈及保護(hù)罩塑性失效應(yīng)變?yōu)? 0.5。為保證螺母飛出時(shí)能與套圈碰撞，對(duì)真實(shí)套圈一端進(jìn)行加長(zhǎng)并保留無(wú)孔半環(huán);真實(shí)保護(hù)罩為多段外殼焊接而成，建模時(shí)簡(jiǎn)化選取螺栓附近外殼作為研究對(duì)象。采用 8 節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，套圈 / 螺母共 21720 個(gè)單元、27833 個(gè)節(jié)點(diǎn)，保護(hù)罩 / 螺栓共 2624 個(gè)單元、3795 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

  設(shè)置套圈 / 保護(hù)罩與螺母 / 螺栓之間為侵蝕型點(diǎn)面接觸，套圈為目標(biāo)體，螺母為接觸體，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)均取 0.25。當(dāng)材料塑性應(yīng)變計(jì)算值超過(guò)失效塑性應(yīng)變時(shí)，判定單元失效并刪除，以此模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞情況?？紤]到套圈和保護(hù)罩實(shí)際裝配時(shí)由上下兩部分拼合并固定，在有限元模型中約束套圈與保護(hù)罩兩側(cè)截面。

  功率分出軸最高工作轉(zhuǎn)速為 13862.0r/min，為保證安全裕度，包容性試驗(yàn)需達(dá)到 120% 最高轉(zhuǎn)速(16634.4r/min)。螺母所在圓周半徑為 40mm，根據(jù)線速度計(jì)算公式v=ωr(其中v為線速度，ω為旋轉(zhuǎn)速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑)，可計(jì)算出螺母飛出初速度為 69.7m/s。

  響應(yīng)計(jì)算時(shí)間需兼顧求解精度與效率，通過(guò)設(shè)置不同求解時(shí)間多次迭代，得到不同計(jì)算時(shí)間下的求解結(jié)果。套圈 / 螺母在計(jì)算時(shí)間 0.5ms 時(shí)，最終時(shí)刻分離、未反彈飛出;5.0ms 和 50.0ms 時(shí)，最終時(shí)刻均分離且反彈飛出。保護(hù)罩 / 螺栓在計(jì)算時(shí)間 0.5ms 時(shí)無(wú)明確結(jié)果，5.0ms 和 50.0ms 時(shí)，最終時(shí)刻均分離且反彈飛出。綜合考慮獲取完整包容過(guò)程與提高求解效率，確定計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度為 5.0ms。

  二、功率分出軸緊固件包容性仿真結(jié)果分析

  通過(guò)仿真計(jì)算得到應(yīng)力云圖，結(jié)果顯示在 5.0ms 內(nèi)，緊固件均未擊穿靶板(套圈 / 保護(hù)罩)，且與靶板碰撞后彈回，表明套圈 / 保護(hù)罩對(duì)螺母 / 螺栓具備包容能力。

  從緊固件速度變化來(lái)看，飛出后螺母速度由初始的 69.7m/s 衰減到 14.0m/s，螺栓速度由 69.7m/s 衰減到 19.0m/s。撞擊過(guò)程中，套圈發(fā)生撞擊時(shí)最大應(yīng)力為 1050MPa，保護(hù)罩最大應(yīng)力為 1430MPa，均超出各自材料屈服強(qiáng)度。其中，套圈最大應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限的 92.9%，保護(hù)罩最大應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限的 158.9%。撞擊后，保護(hù)罩出現(xiàn)明顯塑性變形，但套圈和保護(hù)罩均未被擊穿，進(jìn)一步驗(yàn)證了套圈 / 保護(hù)罩對(duì)緊固件的包容效果。

  三、功率分出軸緊固件靶板彈道沖擊試驗(yàn)方案與原理

  考慮到旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)需額外設(shè)計(jì)飛脫裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下需通過(guò)附加質(zhì)量保持試驗(yàn)器動(dòng)平衡，暫不具備該試驗(yàn)條件，而靶板彈道沖擊試驗(yàn)可有效分析包容性和結(jié)構(gòu)受撞擊后的破壞機(jī)理，還能探究材料、結(jié)構(gòu)形式、沖擊形式等不同工況下的包容性規(guī)律和影響因素，因此選擇通過(guò)靶板彈道沖擊試驗(yàn)對(duì)套圈 / 保護(hù)罩進(jìn)行包容性機(jī)理研究，并與仿真結(jié)果對(duì)比。

  試驗(yàn)中明確了螺母 / 螺栓的沖擊方向及沖擊點(diǎn)位置。將套圈 / 保護(hù)罩固定在沖擊夾具上，為與仿真固定方式一致，在靶板兩端部打孔并用螺栓固定。把螺母 / 螺栓置于彈托后放入空氣炮中，調(diào)節(jié)氣壓使彈托以 69.7m/s 的速度發(fā)射，當(dāng)彈托接觸到炮口的脫彈器后，螺母 / 螺栓與彈托分離，以該初始速度水平飛出并沖擊靶板。

  試驗(yàn)需測(cè)量螺栓和螺母的反彈速度，同時(shí)在保護(hù)罩和套圈典型位置布置三向應(yīng)變花，這些位置需盡可能靠近撞擊點(diǎn)，但又不能因撞擊隨靶板一起破壞失效，以準(zhǔn)確獲取靶板上的最大應(yīng)力，用于監(jiān)測(cè)沖擊過(guò)程中的等效應(yīng)力。

  靶板試驗(yàn)臺(tái)布局清晰，使用空氣炮將緊固件以所需速度打出，通過(guò)脫彈器和定制彈托實(shí)現(xiàn)螺栓、螺母以實(shí)際工作姿態(tài)飛出。在炮管處布置紅光點(diǎn)狀激光器測(cè)量緊固件打出時(shí)的初始速度vs，利用高速攝像機(jī)拍攝緊固件飛出后與靶板的撞擊過(guò)程。選取沖擊后反彈脫離靶板的兩幀，對(duì)應(yīng)時(shí)刻記為t1和t2(t2>t1)，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)側(cè)面背景板上的刻度識(shí)別出兩幀之間彈體飛出的距離d，再根據(jù)公式vc=t2?t1d計(jì)算撞擊后的剩余速度vc。

  為模擬套圈和保護(hù)罩的實(shí)際安裝狀態(tài)，將其通過(guò)螺栓安裝在專(zhuān)用夾具上，夾具再通過(guò)螺栓固定在底板上，借助夾具與底板的腰形孔可調(diào)節(jié)其相對(duì)位置，從而控制螺栓 / 螺母的撞擊位置。

  四、功率分出軸緊固件靶板彈道沖擊試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

  試驗(yàn)件運(yùn)動(dòng)軌跡顯示，試驗(yàn)過(guò)程中螺母和螺栓分別未穿透套圈和保護(hù)罩。試驗(yàn)后觀察發(fā)現(xiàn)，套圈未出現(xiàn)破損現(xiàn)象，保護(hù)罩有較大塑性變形且出現(xiàn)破損。

  在沖擊過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)記錄沖擊點(diǎn)附近的三向應(yīng)變，并計(jì)算相應(yīng)的最大等效應(yīng)力。套圈 / 螺母試驗(yàn)中，0° 方向沖擊最大應(yīng)變?yōu)? 1212μm/m，45° 方向?yàn)?905μm/m，90° 方向?yàn)?7057μm/m，沖擊最大等效應(yīng)力為 1024.64MPa，與仿真結(jié)果的誤差為 2.42%;保護(hù)罩 / 螺栓試驗(yàn)中，0° 方向沖擊最大應(yīng)變?yōu)?3062μm/m，45° 方向?yàn)?11040μm/m，90° 方向?yàn)?- 666μm/m，沖擊最大等效應(yīng)力為 1491.02MPa，與仿真結(jié)果的誤差為 4.27%?？梢?jiàn)各試驗(yàn)對(duì)象均已超過(guò)材料屈服極限，其中保護(hù)罩最大應(yīng)力是抗拉強(qiáng)度的 1.66 倍，套圈最大應(yīng)力是抗拉強(qiáng)度的 0.91 倍。

  為確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性，額外進(jìn)行了 2 次靶板沖擊試驗(yàn)，均未出現(xiàn)穿透情況。由于撞擊角度和打出的初始速度略有不同，每次回彈軌跡存在差異，但回彈速度集中在 15~25m/s。具體數(shù)據(jù)如下：

  套圈 / 螺母試驗(yàn)：第一次初始速度 70.5m/s，剩余速度 15.6m/s，剩余速度與初始速度比值 22.1%;第二次初始速度 67.3m/s，剩余速度 12.5m/s，比值 18.6%;第三次初始速度 70.4m/s，剩余速度 16.6m/s，比值 23.6%，三次試驗(yàn)后靶板均未穿透且無(wú)破損，撞擊后平均速度 14.9m/s，試驗(yàn)與仿真誤差 6.0%。

  保護(hù)罩 / 螺栓試驗(yàn)：第一次初始速度 70.0m/s，剩余速度 17.2m/s，比值 24.6%;第二次初始速度 72.9m/s，剩余速度 12.2m/s，比值 16.7%;第三次初始速度 76.1m/s，剩余速度 15.4m/s，比值 20.2%，三次試驗(yàn)后靶板均未穿透但有破損，撞擊后平均速度 14.9m/s，因后 2 次初始速度過(guò)大，對(duì)比試驗(yàn)與仿真誤差時(shí)僅使用第一次結(jié)果，誤差為 9.5%。

  綜合來(lái)看，套圈和保護(hù)罩的包容性和損傷機(jī)理從試驗(yàn)層面得到驗(yàn)證，反彈速度方面，螺母和螺栓在多次試驗(yàn)中均減速至初始速度的 25% 以?xún)?nèi)，且分別與仿真誤差小于 10%;套圈和保護(hù)罩上的最大等效應(yīng)力與仿真誤差均在 5% 以?xún)?nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果得到有效驗(yàn)證。

  五、功率分出軸緊固件包容性研究結(jié)論與展望

  基于 Plastic Kinematic 硬化模型，結(jié)合有限元分析軟件對(duì)高能量緊固件撞擊套圈 / 保護(hù)罩包容結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及損傷機(jī)理展開(kāi)分析，并結(jié)合靶板沖擊試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

  首先，在 120% 最高轉(zhuǎn)速(16634.4r/min)下，螺母和螺栓以 69.7m/s 的初始速度飛出撞擊套圈和保護(hù)罩時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高于套圈和保護(hù)罩屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，其中保護(hù)罩承受的應(yīng)力甚至超過(guò)其強(qiáng)度極限，但套圈和保護(hù)罩均未被擊穿，僅保護(hù)罩出現(xiàn)塑性變形和破損，同時(shí)撞擊后緊固件速度衰減至初速度的 25% 以?xún)?nèi)(螺母最終速度 14.0m/s、螺栓 19.0m/s，試驗(yàn)中回彈速度集中在 15~25m/s)，這表明套圈和保護(hù)罩在 120% 最高工作轉(zhuǎn)速下對(duì)緊固件具備良好的包容能力。

  其次，將試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，撞擊后速度誤差小于 10%，最大等效應(yīng)力誤差小于 5%(套圈 / 螺母誤差 2.42%、保護(hù)罩 / 螺栓誤差 4.27%)，充分體現(xiàn)出精細(xì)化分析模型在高能量沖擊的瞬態(tài)非線性有限元分析場(chǎng)景中的優(yōu)越性，同時(shí)也證明了使用真實(shí)套圈 / 保護(hù)罩作為靶板開(kāi)展試驗(yàn)的必要性，能更準(zhǔn)確反映實(shí)際工況下緊固件與包容結(jié)構(gòu)的相互作用。

  最后，后續(xù)研究將進(jìn)一步在軸上安裝和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，模擬功率分出軸實(shí)際工作中緊固件松脫飛出的場(chǎng)景，對(duì)功率分出軸包容性進(jìn)行更深入的探索和分析，從而進(jìn)一步保證功率分出軸在極端飛行條件下的可靠性與安全性，為緊固件在航空動(dòng)力系統(tǒng)中的更安全應(yīng)用提供更全面的技術(shù)支撐。

  整篇文章圍繞功率分出軸緊固件的包容性展開(kāi)，從建模仿真到試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)呈現(xiàn)了2025年緊固件行業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)研究成果。通過(guò)明確的建模參數(shù)、詳細(xì)的仿真分析、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)對(duì)比，證實(shí)了套圈和保護(hù)罩對(duì)失效緊固件的包容能力，同時(shí)驗(yàn)證了精細(xì)化模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)與仿真結(jié)果的高度契合，為后續(xù)相關(guān)研究提供了可靠的技術(shù)參考，也為航空領(lǐng)域緊固件的安全應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動(dòng)了緊固件行業(yè)在極端工況下技術(shù)研究的深化與發(fā)展。

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