中國報告大廳網訊，在航空動力系統領域，功率分出軸與發動機附件的連接可靠性直接關係到整機運行安全，其中緊固件作為關鍵連接部件，其在極端工況下的穩定性備受關注。2025年，緊固件行業在航空領域的技術研究進一步深化，針對高速運轉場景下緊固件可能出現的鬆動、剪斷失效問題，相關技術探索聚焦於如何通過結構設計與性能驗證，確保失效緊固件不對周邊部件造成安全威脅，而功率分出軸上套圈與保護罩對緊固件的包容能力研究，成為保障自鎖結構安全的重要方向。以下是2025年緊固件行業技術分析。

  一、功率分出軸緊固件建模與包容性仿真基礎構建

  功率分出軸與飛機發動機附件採用自鎖結構連接，雖能提升維護性、縮短拆裝時間並避免軸體磕碰，但實際工作中，自鎖螺母可能鬆動、螺栓可能剪斷失效。失效後的緊固件會隨軸高速運轉飛出，可能損傷套圈與保護罩，若套圈 / 保護罩不具備包容能力，緊固件掉落機艙將引發安全風險，因此需開展功率分出軸緊固件包容性分析。

  《2025-2030年全球及中國緊固件行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在建模過程中，因僅關注緊固件包容性，對功率分出軸模型進行簡化，僅包含套圈、螺母、保護罩和螺栓這幾個與緊固件包容相關的核心部件。各部件材料參數明確，套圈採用 TA15 材料，彈性模量 118GPa、泊松比 0.39、密度 4450kg/m³、屈服極限 855MPa、強度極限 1130MPa;螺母採用 40CrNiMoA 材料，彈性模量 209GPa、泊松比 0.295、密度 7850kg/m³;保護罩採用 TC1 材料，彈性模量 118GPa、泊松比 0.39、密度 4550kg/m³、屈服極限 800MPa、強度極限 900MPa;螺栓採用 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，設置套圈及保護罩塑性失效應變為 0.5。為保證螺母飛出時能與套圈碰撞，對真實套圈一端進行加長並保留無孔半環;真實保護罩為多段外殼焊接而成，建模時簡化選取螺栓附近外殼作為研究對象。採用 8 節點六面體單元劃分網格，套圈 / 螺母共 21720 個單元、27833 個節點，保護罩 / 螺栓共 2624 個單元、3795 個節點。

  設置套圈 / 保護罩與螺母 / 螺栓之間為侵蝕型點面接觸，套圈為目標體，螺母為接觸體，靜、動摩擦係數均取 0.25。當材料塑性應變計算值超過失效塑性應變時，判定單元失效並刪除，以此模擬結構實際破壞情況。考慮到套圈和保護罩實際裝配時由上下兩部分拼合併固定，在有限元模型中約束套圈與保護罩兩側截面。

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

  響應計算時間需兼顧求解精度與效率，通過設置不同求解時間多次疊代，得到不同計算時間下的求解結果。套圈 / 螺母在計算時間 0.5ms 時，最終時刻分離、未反彈飛出;5.0ms 和 50.0ms 時，最終時刻均分離且反彈飛出。保護罩 / 螺栓在計算時間 0.5ms 時無明確結果，5.0ms 和 50.0ms 時，最終時刻均分離且反彈飛出。綜合考慮獲取完整包容過程與提高求解效率，確定計算時間長度為 5.0ms。

  二、功率分出軸緊固件包容性仿真結果分析

  通過仿真計算得到應力雲圖，結果顯示在 5.0ms 內，緊固件均未擊穿靶板(套圈 / 保護罩)，且與靶板碰撞後彈回，表明套圈 / 保護罩對螺母 / 螺栓具備包容能力。

  從緊固件速度變化來看，飛出後螺母速度由初始的 69.7m/s 衰減到 14.0m/s，螺栓速度由 69.7m/s 衰減到 19.0m/s。撞擊過程中，套圈發生撞擊時最大應力為 1050MPa，保護罩最大應力為 1430MPa，均超出各自材料屈服強度。其中，套圈最大應力達到其強度極限的 92.9%，保護罩最大應力達到其強度極限的 158.9%。撞擊後，保護罩出現明顯塑性變形，但套圈和保護罩均未被擊穿，進一步驗證了套圈 / 保護罩對緊固件的包容效果。

  三、功率分出軸緊固件靶板彈道衝擊試驗方案與原理

  考慮到旋轉試驗需額外設計飛脫裝置，結構複雜，且高速旋轉狀態下需通過附加質量保持試驗器動平衡，暫不具備該試驗條件，而靶板彈道衝擊試驗可有效分析包容性和結構受撞擊後的破壞機理，還能探究材料、結構形式、衝擊形式等不同工況下的包容性規律和影響因素，因此選擇通過靶板彈道衝擊試驗對套圈 / 保護罩進行包容性機理研究，並與仿真結果對比。

  試驗中明確了螺母 / 螺栓的衝擊方向及衝擊點位置。將套圈 / 保護罩固定在衝擊夾具上，為與仿真固定方式一致，在靶板兩端部打孔並用螺栓固定。把螺母 / 螺栓置於彈托後放入空氣炮中，調節氣壓使彈托以 69.7m/s 的速度發射，當彈托接觸到炮口的脫彈器後，螺母 / 螺栓與彈托分離，以該初始速度水平飛出並衝擊靶板。

  試驗需測量螺栓和螺母的反彈速度，同時在保護罩和套圈典型位置布置三向應變花，這些位置需儘可能靠近撞擊點，但又不能因撞擊隨靶板一起破壞失效，以準確獲取靶板上的最大應力，用於監測衝擊過程中的等效應力。

  靶板試驗台布局清晰，使用空氣炮將緊固件以所需速度打出，通過脫彈器和定製彈托實現螺栓、螺母以實際工作姿態飛出。在炮管處布置紅光點狀激光器測量緊固件打出時的初始速度vs，利用高速攝像機拍攝緊固件飛出後與靶板的撞擊過程。選取衝擊後反彈脫離靶板的兩幀，對應時刻記為t1和t2(t2>t1)，通過試驗台側面背景板上的刻度識別出兩幀之間彈體飛出的距離d，再根據公式vc=t2−t1d計算撞擊後的剩餘速度vc。

  為模擬套圈和保護罩的實際安裝狀態，將其通過螺栓安裝在專用夾具上，夾具再通過螺栓固定在底板上，藉助夾具與底板的腰形孔可調節其相對位置，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衝擊試驗結果與驗證

  試驗件運動軌跡顯示，試驗過程中螺母和螺栓分別未穿透套圈和保護罩。試驗後觀察發現，套圈未出現破損現象，保護罩有較大塑性變形且出現破損。

  在衝擊過程中，通過動態採集系統記錄衝擊點附近的三向應變，並計算相應的最大等效應力。套圈 / 螺母試驗中，0° 方向衝擊最大應變為 1212μm/m，45° 方向為 905μm/m，90° 方向為 7057μm/m，衝擊最大等效應力為 1024.64MPa，與仿真結果的誤差為 2.42%;保護罩 / 螺栓試驗中，0° 方向衝擊最大應變為 3062μm/m，45° 方向為 11040μm/m，90° 方向為 - 666μm/m，衝擊最大等效應力為 1491.02MPa，與仿真結果的誤差為 4.27%。可見各試驗對象均已超過材料屈服極限，其中保護罩最大應力是抗拉強度的 1.66 倍，套圈最大應力是抗拉強度的 0.91 倍。

  為確保試驗結果的一致性，額外進行了 2 次靶板衝擊試驗，均未出現穿透情況。由於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。具體數據如下：

  套圈 / 螺母試驗：第一次初始速度 70.5m/s，剩餘速度 15.6m/s，剩餘速度與初始速度比值 22.1%;第二次初始速度 67.3m/s，剩餘速度 12.5m/s，比值 18.6%;第三次初始速度 70.4m/s，剩餘速度 16.6m/s，比值 23.6%，三次試驗後靶板均未穿透且無破損，撞擊後平均速度 14.9m/s，試驗與仿真誤差 6.0%。

  保護罩 / 螺栓試驗：第一次初始速度 70.0m/s，剩餘速度 17.2m/s，比值 24.6%;第二次初始速度 72.9m/s，剩餘速度 12.2m/s，比值 16.7%;第三次初始速度 76.1m/s，剩餘速度 15.4m/s，比值 20.2%，三次試驗後靶板均未穿透但有破損，撞擊後平均速度 14.9m/s，因後 2 次初始速度過大，對比試驗與仿真誤差時僅使用第一次結果，誤差為 9.5%。

  綜合來看，套圈和保護罩的包容性和損傷機理從試驗層面得到驗證，反彈速度方面，螺母和螺栓在多次試驗中均減速至初始速度的 25% 以內，且分別與仿真誤差小於 10%;套圈和保護罩上的最大等效應力與仿真誤差均在 5% 以內，數值模擬結果得到有效驗證。

  五、功率分出軸緊固件包容性研究結論與展望

  基於 Plastic Kinematic 硬化模型，結合有限元分析軟體對高能量緊固件撞擊套圈 / 保護罩包容結構的響應及損傷機理展開分析，並結合靶板衝擊試驗對數值模擬結果進行驗證，得出以下關鍵結論：

  首先，在 120% 最高轉速(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罩時，會產生高於套圈和保護罩屈服強度的應力，其中保護罩承受的應力甚至超過其強度極限，但套圈和保護罩均未被擊穿，僅保護罩出現塑性變形和破損，同時撞擊後緊固件速度衰減至初速度的 25% 以內(螺母最終速度 14.0m/s、螺栓 19.0m/s，試驗中回彈速度集中在 15~25m/s)，這表明套圈和保護罩在 120% 最高工作轉速下對緊固件具備良好的包容能力。

  其次，將試驗與仿真結果對比發現，撞擊後速度誤差小於 10%，最大等效應力誤差小於 5%(套圈 / 螺母誤差 2.42%、保護罩 / 螺栓誤差 4.27%)，充分體現出精細化分析模型在高能量衝擊的瞬態非線性有限元分析場景中的優越性，同時也證明了使用真實套圈 / 保護罩作為靶板開展試驗的必要性，能更準確反映實際工況下緊固件與包容結構的相互作用。

  最後，後續研究將進一步在軸上安裝和旋轉狀態下，模擬功率分出軸實際工作中緊固件鬆脫飛出的場景，對功率分出軸包容性進行更深入的探索和分析，從而進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，為緊固件在航空動力系統中的更安全應用提供更全面的技術支撐。

  整篇文章圍繞功率分出軸緊固件的包容性展開，從建模仿真到試驗驗證，系統呈現了2025年緊固件行業在該領域的技術研究成果。通過明確的建模參數、詳細的仿真分析、嚴謹的試驗設計與數據對比，證實了套圈和保護罩對失效緊固件的包容能力，同時驗證了精細化模型的準確性。試驗與仿真結果的高度契合，為後續相關研究提供了可靠的技術參考，也為航空領域緊固件的安全應用奠定了堅實基礎，進一步推動了緊固件行業在極端工況下技術研究的深化與發展。