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摘要：某型飞机大修过程中多次发现驾驶员抛盖锁上限位簧片耳部撕裂故障。通过对抛盖锁限位簧片的作用机理进行分析，列出可能导致限位簧片撕裂故障的原因，并进行分析验证。借助有限元仿真分析计算限位簧片的应力分布，最终确定故障原因。针对故障频发原因制作工具并制定措施进行改进，从根源上解决了大修过程中限位簧片的多发故障。
关键词：限位簧片；有限元分析；改进
Keywords：limit reed；finite element analysis；improvement
0 引言
某型飞机大修过程中发现驾驶员舱盖抛盖锁短时间内多次发生限位簧片耳部撕裂故障，返工更换限位簧片后再次发生撕裂（见图1）。
抛盖锁作为连接驾驶员舱盖和机体的重要承力构件，正常使用时拉紧舱盖保证驾驶舱的气密性，应急抛放时迅速释放舱盖并清空弹射通道，保证舱盖的正常抛放。限位簧片在抛盖锁解锁过程中发挥着重要作用，限制鎖钩反弹，保证弹射系统正常运行。
1 限位簧片作用形式分析
抛盖中锁口框部分主要构件及装配如图2所示。
舱盖应急抛放开锁或日常维护开锁时，锁钩从上锁状态解锁，受转轴处扭簧作用力向下弹出，运动到下限位时与支座发生碰撞并产生反弹。锁钩反弹运动时，限位簧片两侧耳部与支座卡槽相互作用，限制锁钩的运动，确保不会因锁钩反弹发生反复运动而影响弹射通道的清空或伤到人员。
2 限位簧片故障机理分析
通过对限位簧片的故障形式及发生位置进行研究，得出故障原因为：锁钩处于限位状态时受到过大的作用力，当作用力超过弹簧片所能提供的最大限位力矩时，弹簧片即发生塑性变形而失效，在应力集中处继续发展为撕裂故障。
综合作用形式及材料特性，对限位簧片故障发生的直接原因进行分析，得出以下可能原因。
1）在抛盖锁开锁时，锁钩受到扭簧作用高速向下转动，在锁钩和支座发生碰撞之后产生反弹。过大的反弹冲击力作用在限位簧片上，致使限位簧片发生破坏失效。
2）抛盖锁上锁时，锁钩处于限位状态受到外界作用力，迫使锁钩向限位方向运动，最终过大的作用力使其破坏失效。
3）限位簧片制作材料存在缺陷，正常使用和维护过程中抛盖锁开锁行为使弹簧片缺陷扩大，最终撕裂失效。
3 分析验证故障原因
3.1 正常抛盖开锁时限位簧片受到过大的冲击力
抛盖锁口框部分主要由锁钩、支座、限位簧片、限位块等零件装配组成。其中，限位块、限位簧片与锁钩固定连接。当抛盖锁解锁时，锁钩自由端脱开，受转轴处扭簧作用力向下弹开。锁钩转动到底时，与支座发生碰撞并产生反弹，此时限位簧片两侧耳部会与支座沟槽卡住，从而阻止锁钩继续向上运动，即限位簧片发挥限位作用。
支座、锁钩和限位块皆由30CrMnSiA高强度合金钢制成。限位簧片由0.5mm厚高强度弹性合金3J21（Co40CrNiMo）制成。3J21带材A组抗拉强度σb为1177～1471GPa。
在正常解锁过程中，限位簧片主要受力情况为：锁钩向下运动与支座产生碰撞后产生反弹，由于锁钩和限位簧片固连，两者同时以一定初速度向上反弹，并因限位簧片耳部与支座碰撞而停止运动。
此过程锁钩与限位簧片运动的动力平衡方程为
其中，θ为锁钩转动的角度，Iz为锁钩和限位簧片固连之后的转动惯量，k为转轴处三件扭簧提供的弹性系数之和。
在限位簧片与支座卡槽碰撞接触过程中，由于高弹性的限位簧片产生缓冲作用，延长了碰撞接触时间，冲击反力可以通过其较大的变形计算。以锁钩及限位簧片在产生限位作用后继续向上运动的角度作为输入条件，通过有限元仿真计算手段，可以计算得出限位簧片受冲击反力后引起的最大应力值。由于锁钩受到碰撞冲击力后转动角度很小，因此可以忽略在此过程中转轴处扭簧弹力对锁钩产生的作用力影响。
弹簧片的失效形式为刚性撕裂，根据最大拉应力理论即第一强度理论，断裂条件为
对受碰撞冲击的限位簧片产生的最大变形量进行测量，采用高速运动相机对抛盖锁解锁过程进行定位拍摄。通过后期处理将未变形时的锁钩位置照片与运动相机捕捉到的最大变形量关键帧重合（见图3），并选取自由端一定点作为观测点，即可得出受反弹冲击力后锁钩的最大转动角度，再通过装配关系得出限位簧片最大变形量。
对锁钩在限位簧片作用下的反弹过程测量10次，记录观测点最大位移量（见表1）。去掉一个最大值之后取测量结果的最大值作为锁钩的最大转角。
通过装配关系及运动形式得出限位簧片的变形量，将其作为参数输入有限元模型进行求解。仿真计算结果如图4所示。
取两侧耳部最大应力附近单元进行变形过程应力值监测，得到应力—变形图，如图5所示。由仿真结果可知，在实际开锁过程中，限位簧片受反弹冲击力后受到的最大应力值约为880MPa。
限位簧片在正常解锁过程中剩余安全系数大于0.5，说明抛盖锁正常开启过程不会导致限位簧片发生破坏失效，因此可以排除正常解锁造成限位簧片多发性撕裂故障的可能性。
3.2 在限位状态下人为施加载荷，作用力过大导致限位簧片破坏失效
在飞机维护和修理中，抛盖锁的上锁需要人为将锁钩从限位位置恢复到上锁位置，首先是将处于限位状态的簧片脱离，然后再转动锁钩。操作人员有可能因对技术原理不够了解等原因而未将限位簧片脱离，在强制锁钩转动的过程中造成限位簧片局部应力过大发生撕裂破坏。
为了验证人为施加载荷对限位簧片的应力分布影响情况，对受外力载荷下限位簧片应力分布进行仿真计算。
经过对锁钩在机上装配空间的勘察及人员操作形式分析后，将人为施加载荷点设置为锁钩自由端横轴，通过仿真计算得到对自由端横轴施加不同载荷时限位簧片应力分布情况。
有限元分析网格如图6所示，在限位簧片与支座作用耳部截面施加均布压力载荷，固定限位簧片和限位块上的螺钉装配孔面。通过测定人为施加载荷点与仿真载荷输入点对转轴的力矩，由式（1）可得随人为施加载荷的变化限位簧片应力分布情况。
式中，F为人为施加载荷，L1为人为载荷作用点到锁钩转轴的距离，P为限位簧片耳部截面所受压力，A为限位簧片耳部截面面积，L2为限位簧片耳部到锁钩转轴距离。
对耳部应力集中部位单元应力分布进行监测，结果如图7所示。
由计算结果转换后得出，当在锁钩自由端横轴上施加123～160N人为载荷时，限位簧片耳部最大应力值即达到其抗拉强度极限范围。而修理维护过程中，操作人员能够轻易地提供大于此安全值的人为载荷，从而导致了限位簧片的破坏。因此，人为载荷可以成为限位簧片多发性撕裂故障的直接原因。
3.3 材料内部缺陷导致撕裂故障
经现场调查，发生撕裂故障的限位簧片有18件，其中包含原机件正常使用一个周期的限位簧片，也包含大修时换新以及发生撕裂故障后返工换新的不同批次弹簧片。对多架大修飞机使用一个周期后的限位簧片进行统计分析，外场正常使用一个周期后限位簧片的故障发生率仅为5%，且无耳部撕裂故障出现。
由此判断，限位簧片耳部撕裂故障均是在大修期间工序传递时发生的，因此，可以排除限位簧片内部缺陷导致大量重复故障这一假设。
综上分析得出结论：正常抛盖解锁不会导致限位簧片发生撕裂故障。人员对限位簧片技术原理不了解、在限位状态下强行扳动锁钩是限位簧片频发撕裂故障的直接原因。
4 解决措施
锁钩在上锁时需要人为恢复位置，而实际装配后的锁钩处于限位状态，需要手动调整限位簧片耳部使其脱离支座卡槽，锁钩才能恢复至正常上锁位置。
经现场查看，由于中间位置扭簧的限制，操作人员调整限位簧片较困难。因此，设计一专用工具用于上锁时调整限位簧片的位置。该限位簧片调整扳手采用直径3mm的弹簧钢棒折弯制作，其结构形式以及使用方式如图8所示。
5 结束语
通过对限位簧片的作用原理、作用形式及故障形式进行分析，得出限位簧片多发耳部撕裂故障的原因，通过对正常使用状态和人为施加载荷时限位簧片的受力进行仿真计算，得出限位簧片耳部应力分布变化情况。结合材料性能参数后得出结论：正常解锁不会造成限位簧片撕裂破坏，故障发生的直接原因是人為施加载荷导致限位簧片耳部发生撕裂破坏。后续对操作人员讲解限位簧片的技术原理，并在经过实际勘察后设计制作了限位簧片调整扳手，方便操作人员对其进行位置调整，从而杜绝了对限位簧片的人为破坏。
作者简介
狄杰，助理工程师，主要从事航空飞行器结构修理技术研究。
王鹏鹏，助理工程师，主要从事航空飞行器结构修理技术研究。
时杰，高级工程师，主要从事航空飞行器结构修理技术研究。
关键词：限位簧片；有限元分析；改进
Keywords：limit reed；finite element analysis；improvement
0 引言
某型飞机大修过程中发现驾驶员舱盖抛盖锁短时间内多次发生限位簧片耳部撕裂故障，返工更换限位簧片后再次发生撕裂（见图1）。
抛盖锁作为连接驾驶员舱盖和机体的重要承力构件，正常使用时拉紧舱盖保证驾驶舱的气密性，应急抛放时迅速释放舱盖并清空弹射通道，保证舱盖的正常抛放。限位簧片在抛盖锁解锁过程中发挥着重要作用，限制鎖钩反弹，保证弹射系统正常运行。
1 限位簧片作用形式分析
抛盖中锁口框部分主要构件及装配如图2所示。
舱盖应急抛放开锁或日常维护开锁时，锁钩从上锁状态解锁，受转轴处扭簧作用力向下弹出，运动到下限位时与支座发生碰撞并产生反弹。锁钩反弹运动时，限位簧片两侧耳部与支座卡槽相互作用，限制锁钩的运动，确保不会因锁钩反弹发生反复运动而影响弹射通道的清空或伤到人员。
2 限位簧片故障机理分析
通过对限位簧片的故障形式及发生位置进行研究，得出故障原因为：锁钩处于限位状态时受到过大的作用力，当作用力超过弹簧片所能提供的最大限位力矩时，弹簧片即发生塑性变形而失效，在应力集中处继续发展为撕裂故障。
综合作用形式及材料特性，对限位簧片故障发生的直接原因进行分析，得出以下可能原因。
1）在抛盖锁开锁时，锁钩受到扭簧作用高速向下转动，在锁钩和支座发生碰撞之后产生反弹。过大的反弹冲击力作用在限位簧片上，致使限位簧片发生破坏失效。
2）抛盖锁上锁时，锁钩处于限位状态受到外界作用力，迫使锁钩向限位方向运动，最终过大的作用力使其破坏失效。
3）限位簧片制作材料存在缺陷，正常使用和维护过程中抛盖锁开锁行为使弹簧片缺陷扩大，最终撕裂失效。
3 分析验证故障原因
3.1 正常抛盖开锁时限位簧片受到过大的冲击力
抛盖锁口框部分主要由锁钩、支座、限位簧片、限位块等零件装配组成。其中，限位块、限位簧片与锁钩固定连接。当抛盖锁解锁时，锁钩自由端脱开，受转轴处扭簧作用力向下弹开。锁钩转动到底时，与支座发生碰撞并产生反弹，此时限位簧片两侧耳部会与支座沟槽卡住，从而阻止锁钩继续向上运动，即限位簧片发挥限位作用。
支座、锁钩和限位块皆由30CrMnSiA高强度合金钢制成。限位簧片由0.5mm厚高强度弹性合金3J21（Co40CrNiMo）制成。3J21带材A组抗拉强度σb为1177～1471GPa。
在正常解锁过程中，限位簧片主要受力情况为：锁钩向下运动与支座产生碰撞后产生反弹，由于锁钩和限位簧片固连，两者同时以一定初速度向上反弹，并因限位簧片耳部与支座碰撞而停止运动。
此过程锁钩与限位簧片运动的动力平衡方程为
其中，θ为锁钩转动的角度，Iz为锁钩和限位簧片固连之后的转动惯量，k为转轴处三件扭簧提供的弹性系数之和。
在限位簧片与支座卡槽碰撞接触过程中，由于高弹性的限位簧片产生缓冲作用，延长了碰撞接触时间，冲击反力可以通过其较大的变形计算。以锁钩及限位簧片在产生限位作用后继续向上运动的角度作为输入条件，通过有限元仿真计算手段，可以计算得出限位簧片受冲击反力后引起的最大应力值。由于锁钩受到碰撞冲击力后转动角度很小，因此可以忽略在此过程中转轴处扭簧弹力对锁钩产生的作用力影响。
弹簧片的失效形式为刚性撕裂，根据最大拉应力理论即第一强度理论，断裂条件为
对受碰撞冲击的限位簧片产生的最大变形量进行测量，采用高速运动相机对抛盖锁解锁过程进行定位拍摄。通过后期处理将未变形时的锁钩位置照片与运动相机捕捉到的最大变形量关键帧重合（见图3），并选取自由端一定点作为观测点，即可得出受反弹冲击力后锁钩的最大转动角度，再通过装配关系得出限位簧片最大变形量。
对锁钩在限位簧片作用下的反弹过程测量10次，记录观测点最大位移量（见表1）。去掉一个最大值之后取测量结果的最大值作为锁钩的最大转角。
通过装配关系及运动形式得出限位簧片的变形量，将其作为参数输入有限元模型进行求解。仿真计算结果如图4所示。
取两侧耳部最大应力附近单元进行变形过程应力值监测，得到应力—变形图，如图5所示。由仿真结果可知，在实际开锁过程中，限位簧片受反弹冲击力后受到的最大应力值约为880MPa。
限位簧片在正常解锁过程中剩余安全系数大于0.5，说明抛盖锁正常开启过程不会导致限位簧片发生破坏失效，因此可以排除正常解锁造成限位簧片多发性撕裂故障的可能性。
3.2 在限位状态下人为施加载荷，作用力过大导致限位簧片破坏失效
在飞机维护和修理中，抛盖锁的上锁需要人为将锁钩从限位位置恢复到上锁位置，首先是将处于限位状态的簧片脱离，然后再转动锁钩。操作人员有可能因对技术原理不够了解等原因而未将限位簧片脱离，在强制锁钩转动的过程中造成限位簧片局部应力过大发生撕裂破坏。
为了验证人为施加载荷对限位簧片的应力分布影响情况，对受外力载荷下限位簧片应力分布进行仿真计算。
经过对锁钩在机上装配空间的勘察及人员操作形式分析后，将人为施加载荷点设置为锁钩自由端横轴，通过仿真计算得到对自由端横轴施加不同载荷时限位簧片应力分布情况。
有限元分析网格如图6所示，在限位簧片与支座作用耳部截面施加均布压力载荷，固定限位簧片和限位块上的螺钉装配孔面。通过测定人为施加载荷点与仿真载荷输入点对转轴的力矩，由式（1）可得随人为施加载荷的变化限位簧片应力分布情况。
式中，F为人为施加载荷，L1为人为载荷作用点到锁钩转轴的距离，P为限位簧片耳部截面所受压力，A为限位簧片耳部截面面积，L2为限位簧片耳部到锁钩转轴距离。
对耳部应力集中部位单元应力分布进行监测，结果如图7所示。
由计算结果转换后得出，当在锁钩自由端横轴上施加123～160N人为载荷时，限位簧片耳部最大应力值即达到其抗拉强度极限范围。而修理维护过程中，操作人员能够轻易地提供大于此安全值的人为载荷，从而导致了限位簧片的破坏。因此，人为载荷可以成为限位簧片多发性撕裂故障的直接原因。
3.3 材料内部缺陷导致撕裂故障
经现场调查，发生撕裂故障的限位簧片有18件，其中包含原机件正常使用一个周期的限位簧片，也包含大修时换新以及发生撕裂故障后返工换新的不同批次弹簧片。对多架大修飞机使用一个周期后的限位簧片进行统计分析，外场正常使用一个周期后限位簧片的故障发生率仅为5%，且无耳部撕裂故障出现。
由此判断，限位簧片耳部撕裂故障均是在大修期间工序传递时发生的，因此，可以排除限位簧片内部缺陷导致大量重复故障这一假设。
综上分析得出结论：正常抛盖解锁不会导致限位簧片发生撕裂故障。人员对限位簧片技术原理不了解、在限位状态下强行扳动锁钩是限位簧片频发撕裂故障的直接原因。
4 解决措施
锁钩在上锁时需要人为恢复位置，而实际装配后的锁钩处于限位状态，需要手动调整限位簧片耳部使其脱离支座卡槽，锁钩才能恢复至正常上锁位置。
经现场查看，由于中间位置扭簧的限制，操作人员调整限位簧片较困难。因此，设计一专用工具用于上锁时调整限位簧片的位置。该限位簧片调整扳手采用直径3mm的弹簧钢棒折弯制作，其结构形式以及使用方式如图8所示。
5 结束语
通过对限位簧片的作用原理、作用形式及故障形式进行分析，得出限位簧片多发耳部撕裂故障的原因，通过对正常使用状态和人为施加载荷时限位簧片的受力进行仿真计算，得出限位簧片耳部应力分布变化情况。结合材料性能参数后得出结论：正常解锁不会造成限位簧片撕裂破坏，故障发生的直接原因是人為施加载荷导致限位簧片耳部发生撕裂破坏。后续对操作人员讲解限位簧片的技术原理，并在经过实际勘察后设计制作了限位簧片调整扳手，方便操作人员对其进行位置调整，从而杜绝了对限位簧片的人为破坏。
作者简介
狄杰，助理工程师，主要从事航空飞行器结构修理技术研究。
王鹏鹏，助理工程师，主要从事航空飞行器结构修理技术研究。
时杰，高级工程师，主要从事航空飞行器结构修理技术研究。