安全性是系統設計中一項重要的、需要關注的項目。文中涉及的固定件一般用于固定特種密封箱端蓋支撐附件，防止端蓋開啟時碎塊在高溫、高壓、高速氣體（燃氣流）的沖刷作用下二次受力，導致支撐附件脫落而砸傷地面設備及工作人員，該固定件直接關系到系統工作的成功性和安全性。某型號密封箱端蓋固定件及安裝狀態照片如圖1所示。在某次飛行試驗中，該型號端蓋工作時有碎塊飛出，在燃氣流沖刷的影響下，出現固定件撕脫損壞的現象，導致支撐件與端蓋分離，嚴重威脅地面設備及工作人員的安全。研究人員對固定件撕脫機制、鋪層層數進行研究，對連接孔分布進行仿真分析，進一步提高了固定件與端蓋的黏接強度，并提出了改進措施，以防止該類問題再次發生。

      由于目前端蓋所屬特種密封箱系統要求輕質化，因此需要采用比強度較高的材料成型端蓋固定件。玻璃纖維增強復合材料（俗稱玻璃鋼）可以作為固定件原材料。該材料具有較好的耐腐蝕性、電絕緣性、熱性能和可設計性等優點。固定件應用壓制成型工藝，選用的材料及工藝制作的固定件需要具有一定的抗拉強度，且韌性較好。抗拉強度越大，固定件越不容易被外力拉斷撕脫，韌性越好，固定件與端蓋內表面的配合度越高。一般使用膠黏劑黏接和標準件（自攻螺釘等）固定的方式將固定件與端蓋連接。

1. 撕脫原因

     固定件撕脫故障出現后，對影響產品質量的5個因素（人、機、料、法、環）進行排查，結果均無異常。經過進一步分析，發現該故障出現的原因屬于工藝設計問題，最終定位為固定件強度不足和固定件連接孔分布不合理。

1.1 固定件強度不足

     解剖同批次生產的固定件，查看其內部結構，發現固定件壓制后出現材料疏松、分層現象，內部分層固定件宏觀形貌如圖2所示。

    固定件由厚度為0.36mm的預浸玻璃纖維布壓制成型，層數為6層，設計厚度為1.5mm，經計算，固定件預浸布的壓縮率為30%，壓縮率定義公式為

    經分析，預浸布層間存在的缺陷相對較多，導致固定件強度偏低、易撕裂，這是因為預浸布壓縮率偏低。

1.2 固定件連接孔分布不合理

     故障固定件連接孔分布如圖3所示。由于固定件在端蓋打開飛出時受力，固定件連接孔處及附近區域會產生應力集中，且加工連接孔時，橫向分布的玻璃纖維處于被切斷狀態，因此固定件破壞位置基本在連接孔附近，可得出固定件連接孔處易撕裂的結論。損壞的固定件連接孔宏觀形貌如圖4所示。

2. 解決措施

2.1 提高壓縮率

     針對固定件強度設計余量不足的問題，用不同層數的玻璃纖維預浸布制作不同厚度的拉伸試樣，對試樣進行拉伸試驗，試驗結果如表1所示。由表1可知：預浸布壓縮率為50%試樣的抗拉強度明顯提高。由于端蓋內表面為弧面，固定件與端蓋裝配時產生協調變形，固定件剛度越低，協調變形能力越大，安裝固定件的標準件承受的裝配應力越小，對固定件安裝狀態越有利。

    根據上述分析，將預浸玻璃纖維布層數增加至9層，經壓實后，固定件厚度為1.6mm，壓縮率為50%時，固定件具有良好的綜合力學性能。

2.2 優化連接孔數量及分布位置

     針對固定件受力時連接孔附近區域應力集中的問題，對故障固定件進行受力仿真分析。根據實際工況，對連接孔處施加固定約束，其余面施加恒定壓力，應力分布云圖如圖5所示。圖中橫向連接孔間應力處于連續狀態，可知當固定件受力時，該處所受拉力集中在孔附近，且使用鉆孔工藝加工連接孔時，橫向分布的玻璃纖維處于被切斷狀態，因此容易造成固定件撕脫。

     針對上述問題，調整連接孔數量及分布狀態，擬改進的固定件（5孔）受力時應力分布云圖如圖6所示。該分布狀態使得固定件受力時，孔與孔之間受力不連續，且橫向只存在單一連接孔，可以減輕因機械加工連接孔造成的玻璃纖維損傷程度。

3. 試驗驗證

     根據固定件工作狀態設計拉伸試驗工裝，模擬受力狀態，對固定件進行試驗驗證，判斷現有固定件和提高壓縮率、優化連接孔數量及分布位置后固定件的抗拉強度，驗證改進措施的可靠性和真實性。固定件拉伸試驗工裝如圖7所示，其中泡沫基體與端蓋為同一體系材料。

     制作改進前及改進后固定件試樣，對其進行拉伸試驗，每個試樣的拉伸力如表2所示。由表2可知：改進后固定件拉伸力較改進前提高約1.56倍，拉伸力大幅增大。

     試驗過程中固定件拉伸后宏觀形貌如圖8所示。

4. 改進措施

     端蓋內表面和固定件黏接面為弧面，在上述改進狀態的基礎上，進一步對固定件形狀進行優化設計，將固定件黏接面由平板結構優化為與端蓋內表面匹配的弧面形式，與蓋體內表面貼合，使得固定件與蓋體內表面黏接時膠層厚度均勻，以降低裝配應力造成的固定件強度受損程度。優化設計后的固定件黏接面如圖9所示。

     采取提高壓縮率、優化連接孔數量及分布位置、形狀優化等措施，制作優化后固定件試樣，對這些試樣進行拉伸試驗，拉伸試驗結果如表3所示。由表2~3可知：進一步優化后固定件試樣的拉伸力提高約13%。

5. 結語

     對某特種密封箱端蓋固定件撕脫原因進行分析，結果表明：固定件壓縮率偏低是造成固定件強度不足的主要原因，固定件連接孔分布不合理進一步造成其材料受損，最終導致固定件在受力時發生損壞并脫落。

     經過提高固定件壓縮率、優化連接孔數量及分布位置，固定件的拉伸力提高1.56倍，進一步優化固定件形狀后，拉伸力提高約13%。經過改進后，固定件撕脫將不再發生。

作者：蔡亮，劉宇蓋

單位：上海材料研究所有限公司 上海市工程材料應用與評價重點實驗室

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第12期