黃新禹，宋志佳，曹學智，劉旭峰

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機是飛機上的重要部件，其開發(fā)過程分為研發(fā)、采購、維護3個階段，其中維護階段費用最高，占比50%，維修階段包括零部件的更新、維修服務、保存和運輸?shù)萚1]。航空發(fā)動機在保存、運輸、外場使用過程中，一方面要承受惡劣的自然環(huán)境，另一方面要經(jīng)過多環(huán)節(jié)實施轉運。航空發(fā)動機包裝箱具有保存和運輸航空發(fā)動機的功能，是航空發(fā)動機重要的地面保障設備。

作為傳統(tǒng)的有環(huán)境條件限制的木制包裝箱，在運輸過程中振動和沖擊載荷大，如果發(fā)動機不能被有效保護，容易造成發(fā)動機部件和整機損傷；包裝箱密封功能失效，也不能很好地保護發(fā)動機，它的使用不再適應現(xiàn)代化保障需求[2]。隨著新技術、新工藝等領域的發(fā)展，為滿足部隊在使用包裝箱過程中操作更便捷、環(huán)境適應性更好、在總體結構上有所創(chuàng)新、在新材料上有所應用，因此設計了復材包裝箱。復材包裝箱為帶有減振裝置的密封運輸裝置，能有效保護發(fā)動機，滿足多種運輸方式，環(huán)境適應性強等使用要求。

1 包裝箱結構組成

復材包裝箱采用鋼材和玻璃鋼復材制造，包括箱體（包括箱蓋和下箱體）、支撐架、底座、運輸附件、維護附件等[3]，如圖1所示。箱體為玻璃鋼殼體，外形為大圓角的長方體。支撐架為鋼材焊接件，置于箱體內部，用于安裝固定發(fā)動機，底座位于箱體下端，承載整個包裝箱的質量，運輸附件用于對包裝箱的起吊、叉運，維護附件用于對發(fā)動機的維護和記錄。

圖1 航空發(fā)動機包裝箱組成

發(fā)動機置于包裝箱內的支撐架上，箱體與支撐架之間通過4組鋼絲繩減振器相連接，支撐架懸托在鋼絲繩減振器上，箱體置于底座之上，與底座通過螺栓連接固定。發(fā)動機安裝于包裝箱后，充入氮氣保證長期儲存。

2 包裝箱主體結構設計

2.1 箱體

箱體包括箱蓋和下箱體，如圖2所示。箱體中間結合面設計密封結構，通過鎖扣開閉箱體。箱體使用玻璃鋼復合材料制造，玻璃鋼具有輕質高強、比強度高的優(yōu)點，滿足溫度、鹽霧等環(huán)境要求，箱體內預埋有金屬骨架，有效提高箱體的剛度。底座位于箱體下端，承載整個包裝箱的重力。底座為框式焊接鋼結構，底梁上設置叉車口和系留點，通過安裝板聯(lián)接下箱體。底座采用Q235鋼金屬結構焊接，采用鍍鋅及涂裝涂料方式解決防腐問題。

圖2 包裝箱箱體圖

箱體密封結構設置在上、下箱體結合面，上箱體為凸筋結構，下箱體為凹槽結構，采用P型密封膠條，通過環(huán)形壓板固定在下箱體凹槽內。箱體結合面設計防水唇，對上箱體進行限位并起到防雨作用。

吊帶包括上吊帶、下吊帶。吊帶中間開槽，可以在箱體上滑移，吊帶與箱體內預埋金屬連接，吊帶中間用銷連接。吊裝載荷通過上吊帶傳遞到下吊帶，直至底座。

2.2 支撐架

支撐架置于箱體內部，為鋼材焊接件，由支點、支架及減振裝置等組成。支點用來安裝固定發(fā)動機，減振裝置采用鋼絲繩減振器，它可以確保系統(tǒng)在承受最大安全沖擊條件下具備良好的減振性能。

3 校核分析

3.1 強度校核

1）箱體強度校核。

采用有限元方法對箱體進行承壓強度分析,箱體應力如圖3所示，最大變形量位于箱體頂部，最大應力滿足材料拉伸強度45 MPa，說明箱體強度滿足充氣壓力要求。

圖3 箱體應力云圖

2）支架強度校核。

采用有限元方法對支撐架進行強度分析。在發(fā)動機重心位置施加載荷，通過力分配方式獲得各支點受力情況。在發(fā)動機重心位置分別施加側向2g、垂向3g和軸向4g載荷。

支撐架材料為Q235鋼，受力分布如圖4所示，側向過載和垂向過載時對支撐架主體產(chǎn)生應力均在屈服強度235 MPa以下，軸向過載時，除在橫梁和加強筋連接處出現(xiàn)了應力集中點，其他部分均在屈服強度235 MPa以下，在詳細設計時對應力集中處采用倒角、焊接牢固等方法加強處理。各向最大載荷對支撐架主體影響在安全范圍內。

圖4 支架計算結果

3.2 減振系統(tǒng)模態(tài)分析

為保證減振裝置能正常工作，減振系統(tǒng)要有足夠的剛度。GJB 6412《艦船用鋼絲繩隔振器規(guī)范》中規(guī)定，對本身不是振動源設備的彈性支承，彈性支承系統(tǒng)峰值響應頻率要滿足如下公式：

式中：fG為設備自身的固有頻率的數(shù)值，Hz；fL為彈性支承系統(tǒng)峰值響應頻率的數(shù)值，Hz。

由于發(fā)動機結構復雜，此處將設備自身的固有頻率簡化成支撐架的固有頻率，即支撐架的固有頻率與系統(tǒng)峰值響應頻率比值需大于3，可認為支撐架結構具有足夠的剛度，保證減振系統(tǒng)穩(wěn)定。其中系統(tǒng)峰值響應頻率為

式中：m為被隔振對象的質量，即包裝箱支撐架及發(fā)動機總質量；K為減振器系統(tǒng)總靜剛度，a為動剛度系數(shù)。

通過計算，系統(tǒng)峰值響應頻率為13 Hz。

模態(tài)由結構材料和本身特性決定，是自由振動狀態(tài)下結構的基本振動特性[4]。支撐架的固有頻率可由一階模態(tài)計算得到。利用有限元軟件計算得到支撐架的一階模態(tài)分析（如圖5），結果顯示一階模態(tài)為39.6 Hz，即設備自身的固有頻率滿足上述國軍標的要求，表明支撐架有足夠的剛度，具有抵抗振動變形的裕度。

4 箱體的制備及工藝

4.1 箱體的制備

為提高強度減輕質量，箱體采用玻璃鋼殼體、金屬骨架復合結構制作，如圖6所示。金屬骨架置于箱體內部，增大箱體剛度，增強箱體抗外脹能力，金屬骨架同時與箱體吊帶連接，增強穩(wěn)定性。金屬骨架的設計包括材料、結構、力學性能。通常箱體內預埋件的強度要大于復材箱體的強度，本箱體選擇的預埋件材料為Q235鋼。金屬骨架的結構應避免出現(xiàn)尖銳的部位，盡量棱邊倒圓角或使用帶圓角的型材，防止在脫模和使用過程中預埋金屬件劃傷鋪層材料。通常在箱體內預埋金屬骨架有兩種方式：一種是在箱體成型時，將金屬骨架固定在模具上，然后進行鋪層、真空導入，成型后金屬骨架就嵌在箱體中；另一種是在復材箱體脫模完成后采取粘接的方式將金屬骨架嵌入。本方案的預埋金屬骨架采用矩形鋼管，由于前者預埋方式的金屬骨架不能為空管，否則樹脂會填滿空管增加質量，因此箱體內金屬骨架的預埋成型采用后者方式。

圖6 箱體結構圖

箱體殼體材料為玻璃鋼，它是一種復合材料，由玻璃纖維制品作為增強材料，樹脂作為基體材料，共固化后形成。殼體厚度為20 mm，增強材料采用高強玻纖布和碳纖維布，結構泡沫采用PVC結構泡沫，基體材料采用環(huán)氧樹脂，鋪層方案如圖7所示。

圖7 鋪層方案

4.2 箱體成型工藝及流程

箱體成型工藝采用手糊加真空袋壓輔助工藝，手糊玻璃鋼成型工藝環(huán)境操作溫度15 ℃以上，空氣濕度不大于80%。工藝流程如圖8所示。

圖8 工藝流程圖

1）箱體母模加工。母模加工使用木制多層板及鋼制骨架制作胎型，分段加工，組合安裝，胎型外壁涂敷不飽和樹脂進行封閉，樹脂固化后涂敷環(huán)氧糊狀代木進行增厚，糊狀代木干燥后，進行數(shù)控加工，型面精度由數(shù)控加工中心保證，表面進行清理、打磨處理。

2）模具翻模加工。運用手糊工藝進行模具加工，固化完成后采用鋼制骨架加強。在模具內表面涂敷脫模蠟或脫模水等脫模材料。

3）膠衣層噴涂。待脫模劑干燥后，在模具表面噴涂屏障膠衣，使用膠衣的氣密特征，提高箱體氣密要求。

4）鋪敷增強材料。增強材料按照模具尺寸進行裁剪，按照圖7所示鋪層方案在模具上鋪設增強材料。

5）鋪敷真空輔助材料?？紤]到環(huán)氧樹脂凝固時間較長，采用真空袋壓實，保證鋪放料片不移位，同時增加成型壓力。

6）抽真空。完成增強材料和真空輔助材料鋪設后，導入軟管需夾緊。采用真空泵抽真空，負壓不小于-0.9 MPa。

7）調配樹脂。當真空袋內壓力滿足要求后，根據(jù)制品厚度、環(huán)境條件、鋪敷面積等調配樹脂、固化劑和促進劑，樹脂液需達到黏度、凝膠時間及固化度等指標。

樹脂用量（含固化劑）計算公式如下：

式中：a為纖維布長度，b為纖維布寬度，n為纖維布層數(shù)，λ為纖維布單位面積質量，ω為含膠量，m為樹脂用量（含固化劑）。

8）樹脂導入。將調配好的樹脂導入真空泵，經(jīng)充分攪拌均勻并靜置10 min排除樹脂內氣泡后，包裝箱的厚度是通過調整泵入壓力，進而控制樹脂導入實現(xiàn)的[5]。真空吸附工藝工作原理如圖9所示。樹脂從底層反滲透至表層，說明充分浸潤。

圖9 真空吸附工藝示意圖

9）固化脫模。樹脂導入完成后，需放置一段時間使樹脂固化，脫模后，采取必要的支撐措施，避免產(chǎn)生變形，圖10為下箱體成功脫模圖，驗證了成型工藝的可行性。

圖10 下箱體脫模圖

5 結論

本文設計了具有減振和密封功能的復材包裝箱，利用有限元軟件對包裝箱箱體、支撐架結構進行強度校核，對發(fā)動機與支撐架構成的減振系統(tǒng)進行模態(tài)分析，箱體制備后成功脫模，包裝箱箱體成型工藝及流程得到了驗證，得到如下結論：1）箱體強度滿足充氣要求，包裝箱的密封功能可以有效保護發(fā)動機；2）包裝箱支撐架具有足夠的強度，減振系統(tǒng)具備足夠的剛性儲備，能夠滿足包裝箱多環(huán)節(jié)運輸發(fā)動機。