平尾構(gòu)型更改中失效模式和影響分析

摘 要：為適應(yīng)航空業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)需求，各主機(jī)廠均會(huì)在原有航空產(chǎn)品構(gòu)型基礎(chǔ)上尋找結(jié)構(gòu)改進(jìn)點(diǎn)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)以創(chuàng)造更多利潤。而如何確立和把握構(gòu)型更改過程中的關(guān)鍵要素并促成構(gòu)型成功更改，目前的商用航空領(lǐng)域尚無有效方法。本文以商用飛機(jī)水平安定面下蒙皮零件構(gòu)型更改為研究對(duì)象，運(yùn)用失效模式和影響分析方法識(shí)別構(gòu)型更改中的產(chǎn)品和過程開發(fā)的關(guān)鍵特性，制定關(guān)鍵特性控制計(jì)劃，提升構(gòu)型更改成功率。并給出在機(jī)體結(jié)構(gòu)件構(gòu)型更改過程中應(yīng)用失效模式和影響分析的方法，展望先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃在航空業(yè)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：失效模式和影響分析；水平安定面下蒙皮；關(guān)鍵特性；先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃

中圖分類號(hào)：V 21" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 失效模式和影響分析

目前航空業(yè)主機(jī)廠正面臨越來越多的構(gòu)型更改，雖然已經(jīng)采用項(xiàng)目管理模式，但是仍然沒有規(guī)范化的流程作為導(dǎo)向，容易出現(xiàn)疏忽和遺漏，設(shè)計(jì)和工藝方案沒有全面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，會(huì)出現(xiàn)反復(fù)試制、更改方案的問題，增加項(xiàng)目時(shí)間和成本[1]。在航空業(yè)構(gòu)型更改過程中，在項(xiàng)目初期亟需建立規(guī)范化的流程，縮短構(gòu)型更改的開發(fā)時(shí)間，提高新品開發(fā)的質(zhì)量[2]。

失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）是汽車工業(yè)先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃（Advanced Product Quality Plan，APQP）的方法之一，用于分析產(chǎn)品和過程開發(fā)中的潛在問題。FMEA基本流程包括識(shí)別產(chǎn)品的功能和要求、分析潛在失效模式、建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣并管理關(guān)鍵參數(shù)并制定措施，以降低風(fēng)險(xiǎn)，還可細(xì)分并應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)2個(gè)階段。產(chǎn)品設(shè)計(jì)FMEA著重在設(shè)計(jì)早期識(shí)別產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，過程FMEA著重在制造過程開發(fā)中識(shí)別過程的關(guān)鍵特性，并進(jìn)行控制和管理。

對(duì)航空業(yè)來說，產(chǎn)品工程信息量大、周期長(zhǎng)，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程更改中極易產(chǎn)生功能和要求的偏離。失效模式和影響分析能夠消除或降低潛在不利因素的發(fā)生，成功促成構(gòu)型更改和設(shè)計(jì)。

2 某型水平安定面構(gòu)型更改

2.1 某型水平安定面原有構(gòu)型簡(jiǎn)介

某型商用飛機(jī)水平安定面結(jié)構(gòu)以骨架為基準(zhǔn)，上、下以銑薄蒙皮，下蒙皮處內(nèi)側(cè)設(shè)置4個(gè)檢修口蓋，外側(cè)設(shè)置9個(gè)檢修口蓋。水平安定面通過前、后梁接頭和破損梁接頭直接連在機(jī)身上。在前緣艙內(nèi)，肋板為整體深拉伸肋。在前、后梁間，翼根部采用橫向肋的鳥籠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其余27處梁間肋采用整體機(jī)加形式制成，同時(shí)下蒙皮處增設(shè)12處加強(qiáng)件以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。后緣艙內(nèi)，壁板為復(fù)合材料（玻璃鋼夾紙蜂窩），一部分后緣肋為整體機(jī)加肋，在平衡舵兩側(cè)采用金屬膠接肋，7處鉸鏈構(gòu)成鉸鏈線并與升降舵進(jìn)行配合。翼尖由玻璃鋼夾金屬網(wǎng)構(gòu)成[3]。如圖1所示。

2.2 水平安定面構(gòu)型更改概念方案

本文結(jié)合原有構(gòu)型特點(diǎn)，充分利用結(jié)構(gòu)約束、材料類型和特種工藝，以保證水平安定面整體傳力和抗扭方式不變，避免前/后梁緣條、破損安全緣條與升降舵鏈接鉸鏈等的變更。某構(gòu)型更改團(tuán)隊(duì)提出的概念設(shè)計(jì)方案如下：下蒙皮材料厚度從0.254cm增至0.318cm（0.100in增至0.125in），并對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行銑薄，移除下蒙皮12處梁間加強(qiáng)件并使緊固件的數(shù)量減少39.4%。

概念設(shè)計(jì)方案涉及下蒙皮厚度的重大更改，同時(shí)作為飛機(jī)尾翼升力和氣動(dòng)外形的主要載體，下蒙皮更改后的強(qiáng)度和產(chǎn)品制造可行性會(huì)直接影響方案成功性，因此在設(shè)計(jì)階段針對(duì)下蒙皮零件進(jìn)行產(chǎn)品和過程的失效模式和影響分析是必要的。

3 水平安定面下蒙皮失效模式和影響分析

3.1 下蒙皮設(shè)計(jì)失效模式和影響分析

對(duì)1個(gè)典型的結(jié)構(gòu)組件來說，其靜強(qiáng)度失效模式可概括為拉、壓、剪以及復(fù)合失效，這些失效模式可發(fā)生在結(jié)構(gòu)本體及其連接結(jié)構(gòu)。

3.1.1 蒙皮受壓和剪切屈曲失效模式分析

當(dāng)受壓、剪或同時(shí)承受壓剪載荷時(shí)，蒙皮和緣條、肋組合成的結(jié)構(gòu)會(huì)使蒙皮發(fā)生局部屈曲。蒙皮受壓屈曲可簡(jiǎn)化為模型（如圖2所示）。

臨界屈曲應(yīng)力Fccr計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：kc為受壓臨界屈曲系數(shù)；E為材料彈性模量；μ為材料泊松比；t為材料厚度；b為支持邊長(zhǎng)度。

因項(xiàng)目中涉及的機(jī)加肋板均采用整體機(jī)加形式，臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算中的b值應(yīng)為相鄰緊固件間距。

公式（1）中的kc在進(jìn)行受壓結(jié)構(gòu)屈曲分析的過程中，原有機(jī)型緣條可以對(duì)蒙皮提供固支約束，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)曲線中的情況A進(jìn)行分析（如圖3所示）。

與受壓結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)蒙皮受剪時(shí)會(huì)表現(xiàn)出屈曲，沿屈曲角度產(chǎn)生斜波。對(duì)于由同一種材料制成的張力場(chǎng)梁，可由能量最低原理得出具體的屈曲角度。蒙皮受剪臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：ks為剪切臨界屈曲系數(shù)。

通過平板剪切臨界屈曲系數(shù)表的插值計(jì)算可得ks（見表1）。

表1 平板剪切臨界屈曲系數(shù)

a/b ks a/b ks

1 9.34 1.6 6.9

1.1 8.47 1.8 6.63

1.2 7.96 2 6.47

1.3 7.57 2.5 6.2

1.4 7.28 3 6.04

1.5 7.09 ∞ 5.35

對(duì)于構(gòu)型更改方案，為保證受壓/受剪臨界屈曲應(yīng)力不變，將應(yīng)蒙皮局部區(qū)域厚度分別從1.98mm提升至2.88mm～2.89mm，從2.26mm提升至3.16mm～3.18mm。具體見表2。

根據(jù)表2構(gòu)型更改后的厚度控制要求設(shè)定蒙皮設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性，1#、2#加強(qiáng)件移除區(qū)域蒙皮須增厚至2.90mm，3#～12#加強(qiáng)件移除區(qū)域蒙皮須增厚至3.18mm。

3.1.2 蒙皮釘間屈曲失效

蒙皮與機(jī)加肋板組合結(jié)構(gòu)受壓且釘間距過大時(shí)，蒙皮會(huì)在鉚釘間發(fā)生屈曲。臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：Et為材料切線模量；2024-T3鋁合金為31GPa；C為釘間屈曲端部支持系數(shù)；凸頭釘，C=4.0；埋頭釘，C=1.0。Lr為釘間距離；t為材料厚度。

因?yàn)槊善ぞ植繀^(qū)域厚度分別從1.98mm提升至2.90mm，從2.26mm提升至3.18mm，所以更改后蒙皮臨界釘間屈曲應(yīng)力分別提升了26.25%和22.37%（見表3）。

表3 蒙皮釘間屈曲分析

構(gòu)型更改前（mm） 構(gòu)型更改后（mm）

蒙皮厚度 鉚釘間距 蒙皮厚度 臨界屈曲應(yīng)力提升 建議鉚釘間距

1.98 19.81 2.87 30.19% 28.70

2.26 19.81 3.18 22.37% 27.94

根據(jù)蒙皮釘間屈曲失效分析，建議進(jìn)一步優(yōu)化緊固件間距，從19.81mm增至27.94mm，以減少該區(qū)域12處梁間肋緊固件數(shù)量348個(gè)，促成構(gòu)型更改方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1.3 蒙皮疲勞和損傷容限失效分析

構(gòu)型更改設(shè)計(jì)影響蒙皮疲勞特征值CFQ。該值是當(dāng)應(yīng)力比R=0.06時(shí)，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)壽命具有95%置信度和95%可靠度，能夠達(dá)到105次循環(huán)壽命的最大應(yīng)力（MPa）。由于零件材料、工藝與CFQ值對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)存在差異，因此實(shí)際零件疲勞特征值需要通過一系列系數(shù)進(jìn)行修正，包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中修正、陽極化處理修正、埋頭深度系數(shù)修正和凸臺(tái)有效系數(shù)修正等。

構(gòu)型更改造成的零件疲勞特征值變化會(huì)影響蒙皮疲勞和損傷容限，為保持構(gòu)型更改前、后零件疲勞強(qiáng)度不變，須對(duì)其進(jìn)行失效分析。影響蒙皮的修正系數(shù)主要包括鋁合金陽極化處理修正系數(shù)和埋頭深度系數(shù)。

根據(jù)零件實(shí)際抗氧化工藝選取鉻酸陽極化或硫酸陽極化，以保證陽極化處理修正系數(shù)不變。同時(shí)，鑒于蒙皮外表面為氣動(dòng)表面，為保證構(gòu)型更改前、后飛機(jī)氣動(dòng)特性不變，埋頭緊固件安裝后齊平度應(yīng)保持不變，高鎖螺栓仍為-0.064mm～+0.0216mm，抗剪鉚釘仍為+0.025mm～+0.152mm，以此保證埋頭深度系數(shù)不變。

3.2 下蒙皮過程失效模式和影響分析

過程失效模式和影響分析是一種結(jié)構(gòu)化的方法，通過對(duì)過程中的潛在失效模式進(jìn)行排序和記錄來分析過程風(fēng)險(xiǎn)。下蒙皮零件過程流程復(fù)雜，包括零件成形工裝的設(shè)計(jì)和試模、外形樣板的設(shè)計(jì)、零件減重區(qū)域銑切方式的選擇、銑切工裝的設(shè)計(jì)、特種工藝的控制以及產(chǎn)品運(yùn)輸/保護(hù)等。針對(duì)下蒙皮零件過程流程的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行過程失效模式和影響分析，有助于識(shí)別過程關(guān)鍵特性，確定減輕風(fēng)險(xiǎn)的行動(dòng)計(jì)劃的優(yōu)先順序，并將其作為持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的知識(shí)庫。

本次構(gòu)型更改涉及蒙皮銑薄過程方法，包括機(jī)械加工銑薄或化學(xué)銑薄，科學(xué)、合理分析并選擇銑薄方式將影響制造過程的有效性。2種過程方法具體失效分析包括以下2個(gè)方面。1）機(jī)加銑薄失效模式。①銑切工裝底座無法清潔影響形面精度。②銑切工裝體積大，導(dǎo)致無法校準(zhǔn)形面。③銑切工裝底座為焊接結(jié)構(gòu)，易變形。④銑切厚度和粗糙度超差。⑤由于是先成形、后機(jī)加，因此只能采用行切加工，加工時(shí)間長(zhǎng)，銑刀易斷裂或磨損。⑥機(jī)加表面長(zhǎng)時(shí)間被冷卻液沖刷，導(dǎo)致蒙皮表面腐蝕。2）化學(xué)銑薄失效模式。①化銑NaOH溶液中氯化物含量超標(biāo)。②槽液溫度或濃度梯度變化大。③零件點(diǎn)蝕。④化銑區(qū)域厚度變化過大。⑤保護(hù)和化銑累積處理時(shí)間過長(zhǎng)。⑥銑切圓角不到位。⑦晶間腐蝕和晶粒末端腐蝕。⑧化銑腐蝕速率設(shè)定錯(cuò)誤，導(dǎo)致化銑尺寸超差。⑨化銑樣板設(shè)計(jì)/制造偏差導(dǎo)致化銑尺寸超差。

針對(duì)拉伸成形后的大蒙皮零件，需要進(jìn)行蒙皮銑切夾具設(shè)計(jì)，以滿足行切加工需求。銑切夾具造價(jià)高昂（約￥400000），工裝體積大，總長(zhǎng)約7620mm，并且僅能校準(zhǔn)側(cè)邊直線和3塊基準(zhǔn)塊，無法校準(zhǔn)形面。同時(shí)經(jīng)樣件試制，單次試切吊裝加校準(zhǔn)工裝耗時(shí)約8h。綜上所述，目前零件機(jī)加銑薄過程高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)暫無可降低風(fēng)險(xiǎn)的有效措施，經(jīng)過程失效模式和影響分析反饋，要求構(gòu)型更改后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)明確采用腐蝕劑，以對(duì)減薄區(qū)域進(jìn)行化學(xué)銑切。

對(duì)于化學(xué)銑薄過程，高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)為化銑尺寸超差，須在過程失效分析階段細(xì)化化銑樣板的設(shè)計(jì)，具體如下所示。1）確定化銑基線。根據(jù)零件的理論外形線確定并提取待化銑區(qū)域外形邊線，將待化銑的零件及此外形邊線按基準(zhǔn)面展開。2）計(jì)算外形邊線修正量?；姕p薄過程會(huì)對(duì)零件橫向外形尺寸進(jìn)行侵蝕，需要對(duì)待化銑區(qū)域外形邊線進(jìn)行修正，以確定最終樣板化銑外形線跡[4]。在單階化銑情況下，修正量Y由化銑深度和銑切系數(shù)確定，如公式（4）所示。當(dāng)零件有2階及以上的化銑時(shí)，化銑樣板修正量由銑切系數(shù)和2次相鄰化銑深度確定，如公式（4）和公式（5）所示。3）細(xì)化樣板設(shè)計(jì)，根據(jù)構(gòu)型更改前銑切系數(shù)，確定K為1.2，并根據(jù)零件不同的階梯厚度要求計(jì)算各化銑位置的修正量，見表4。

Y1=K·t " " " " " （4）

（5）

式中：Y1、Y2為修正量；K為銑切系數(shù)；t為單階化銑深度；a、b分別為階梯化銑深度。

3.3 產(chǎn)品和過程失效模式和影響分析成果

對(duì)構(gòu)型更改下蒙皮零件進(jìn)行詳細(xì)的產(chǎn)品和過程失效模式分析，在更改初期識(shí)別影響構(gòu)型更改的關(guān)鍵特性，包括蒙皮階梯厚度的控制、蒙皮銑薄方式的選擇以及化銑工裝的修正設(shè)計(jì)等，并進(jìn)一步識(shí)別出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充裕區(qū)域，包括蒙皮釘間臨界屈曲應(yīng)力，以減少緊固件數(shù)量并優(yōu)化構(gòu)型更改方案。上述關(guān)鍵特性的控制可保證構(gòu)型更改、設(shè)計(jì)成功。

4 結(jié)論

本文對(duì)下蒙皮零件構(gòu)型更改進(jìn)行了失效模式和影響分析，識(shí)別出關(guān)鍵的產(chǎn)品和過程特性，并對(duì)其制定控制計(jì)劃。與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)-詳細(xì)設(shè)計(jì)-來圖制造的構(gòu)型更改流程相比，增加了風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別并提升了構(gòu)型更改的可靠性和準(zhǔn)確性[5]。不同于水平安定面項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)件來圖加工，整機(jī)設(shè)計(jì)和制造還涉及系統(tǒng)及其子系統(tǒng)多層級(jí)的開發(fā)和設(shè)計(jì)，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)上花費(fèi)更多時(shí)間和精力。過程設(shè)計(jì)和開發(fā)可以進(jìn)一步擴(kuò)展成零件族、工藝族等“外殼式”過程設(shè)計(jì)和開發(fā)[6]，建立產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，并提前應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，為整機(jī)或大部段層級(jí)的構(gòu)型更改節(jié)約大量時(shí)間和成本[7]。失效模式和影響分析也是供應(yīng)鏈質(zhì)量管理的方法和工具，要求次級(jí)供應(yīng)商開展此項(xiàng)活動(dòng)，可以幫助組織監(jiān)督供應(yīng)商的產(chǎn)品和過程開發(fā)進(jìn)度和質(zhì)量，提升主制造商與供應(yīng)商間的溝通效率，消除管理上的障礙和風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，失效模式和影響分析在航空產(chǎn)業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

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