基于ANSYS ACP的航空发动机包装箱强度仿真方法.pdf

基于 ANSYS ACP 的航空发动机包装箱强度仿真方法杨春涛1 王达喜2（1.贵阳长之琳发动机零部件制造有限公司，贵州 贵阳 550014；2.中国航发贵阳发动机设计研究所，贵州 贵阳 550081）摘要：航空发动机包装箱是航空发动机贮存和运输的重要部件，其直接影响发动机的贮存寿命和使用寿命。此次研究的包装箱是通过充入一定压力的氮气来隔离空气中的有害气体，以避免发动机腐蚀和损坏，实现长期贮存并提高战备应急反应能力。该文基于 ANSYSACP 软件对复合材料（玻璃钢）包装箱进行了铺层设计和强度仿真分析，并给出了复合材料包装箱的强度判定准则，为相关领域的学习者提供借鉴。关键词：航空发动机；包装箱；复合材料；强度仿真方法玻璃钢材料以其优越的环境适应能力和制作成本低等优势，被首选为航空发动机包装箱的主要材料。本文结合我公司生产的包装箱特点，对航空发动机玻璃钢包装箱的结构和强度仿真作了详细介绍，其中，强度仿真仅对包装箱充氮气工作时的静止工况进行计算说明，其他工况不再赘述。一、玻璃钢包装箱的介绍本文探讨的航空发动机玻璃钢包装箱为半起箱式结构，由底座、箱盖和固定支架及减振装置、维护附件和运输组件等组成，包装箱外廓尺寸（长 宽 高）为 5300mm2000mm1900mm，重量约 1.7t。底座起固定箱盖、支承产品的作用，底座的箱体材料为玻璃钢材质，底座下方设有不锈钢保护架，防止叉运时损坏箱体，底座箱体上设有系留环。箱盖起密封、防护和吊装的作用，且能承受堆码载荷，箱盖的箱体材料为玻璃钢材质。固定支架对发动机起支撑和固定的作用，一般采用经探伤合格，且具有防振措施的金属焊接结构。减振装置可减少运输过程中产生的振动和颠簸对发动机的影响，其满足支承固定支架和发动机的要求。隔振效率应满足当振动的主要频率成分在 60Hz 以下、包装箱上的振动加速度值在 19.6m/s2以下时，发动机上的振动加速度值不应超过9.8m/s21。玻璃钢包装箱设计有专门的氮气充放结构和箱体内氮气压力监控设施，包装箱开展储存工作时内部空间整体充氮（表压10kPa4%）2。玻璃钢包装箱在投入使用前需通过提升试验、堆码试验、人力搬运试验、公路运输试验、喷淋试验、密封试验、“三防”试验以及其他要求的试验项目。二、玻璃钢包装箱箱体计算模型说明（一）玻璃钢包装箱箱体材料说明包装箱的箱体由玻璃钢材料和骨架型材组成，玻璃钢为典型的“三明治”夹心结构，内、外蒙皮由单向玻璃纤维布与树脂（EpoxyE-GlassUD）组成，中间为钢骨架结构，骨架采用Q235B 的型材焊接而成，在骨架之间的空隙位置采用 60kg/m3的泡沫填充，材料的性能参数见表 1。表 1 材料属性3Epoxy E-Glass UD属性名称属性值属性名称属性值弹性模量 X 方向（MPa）4.5104X 方向拉伸强度（MPa）1100弹性模量Y方向（MPa）1.0104Y 方向拉伸强度（MPa）35弹性模量Z方向（MPa）1.0104Z 方向拉伸强度（MPa）335泊松比 XY 面0.3X 方向压缩强度（MPa）-675泊松比 YZ 面0.4Y 方向压缩强度（MPa）-120泊松比 XZ 面0.3Z 方向压缩强度（MPa）-120剪切模量 XY 面（MPa）5000XY 面剪切强度（MPa）80剪切模量 YZ 面（MPa）3846.2YZ 面剪切强度（MPa）46.154剪切模量 XZ 面（MPa）5000XZ 面剪切强度（MPa）80PVC（60kg/m3）属性名称属性值属性名称属性值弹性模量（MPa）70抗拉/压（MPa）1.5泊松比0.3Q235属性名称属性值属性名称属性值弹性模量（MPa）2.1105屈服强度（MPa）300泊松比0.3（二）箱体有限元模型说明根据计算需求，对内部支承骨架进行简化，去除型材的圆角，消除型材搭接处的缝隙。对箱体模型的简化同理，去除对整个模型计算影响不大的零件和特征，最终得到简化模型。箱体由玻璃钢和钢骨架材料组成，分别对玻璃钢和钢骨架进行网格划分，是为了方便利用 ANSYS19.0 软件中的 ACP 模块进行铺层设计，最终耦合在一起进行计算，分析流程如图 1 所示。（三）玻璃钢铺层设计按表 1 材料属性要求，使用 EngineeringData 赋予材料属性，并将材料传递到 ACP（Pre）中。利用 Geometry 中 Named属性将包装箱分区，包装箱的两端为 A、C 区，中间为 B 区，纤维 0 方向（X 方向）由 A 区指向 C 区，如图 2 所示。82/总第239期/2023/6学人问津图 1 分析流程图纤维 0 方向图 2 铺层区域根据表 2 玻璃钢材料铺层信息进行铺层设计。表 2 玻璃钢材料铺层表序号铺层铺层角度（）铺层厚度（mm）1Epoxy E-Glass UD450.22Epoxy E-Glass UD900.23Epoxy E-Glass UD00.24Epoxy E-Glass UD-900.25Epoxy E-Glass UD-450.26Epoxy E-Glass UD-450.27Epoxy E-Glass UD-900.28Epoxy E-Glass UD00.29Epoxy E-Glass UD900.210Epoxy E-Glass UD450.211Core02512Epoxy E-Glass UD450.313Epoxy E-Glass UD900.314Epoxy E-Glass UD00.315Epoxy E-Glass UD-900.316Epoxy E-Glass UD-450.317Epoxy E-Glass UD-450.318Epoxy E-Glass UD-900.319Epoxy E-Glass UD00.320Epoxy E-Glass UD900.321Epoxy E-Glass UD450.3三、玻璃钢包装箱箱体强度校核复合材料强度的显著特点是它的方向性。复合材料的基本强度有铺层主方向（对于单向纤维增强的铺层是纤维方向）的拉伸强度 Xt和压缩强度 Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度 Yt和压缩强度 Yc，以及平面剪切强度 S 等五个强度值，对于复合材料，应按照不同方向上的强度值来判定材料的力学状态4。（一）复合材料常用强度评判方法目前复合材料领域常用的强度准则如下。1.最大（正轴）应力准则 （1）式中,为沿材料主方向（正轴）的应力分量，当其中一个不等式得到满足时，材料便发生破坏。2.最大（正轴）应变准则 （2）式中,分别为沿材料主方向 1 和 2 的最大拉伸（压缩）线应变，为平面内最大剪应变。3.Tsai-Hill 准则 （3）Tsai-Hill 准则的特点是给出了一条光滑连续的破坏包线，而且理论值与试验值间的误差小。不足之处在于相互作用项仅与 X 有关，且没有考虑的一次方项（即没有考虑）。另外，公式推导过程中采用了 Y=Z 和S12=S13=S 的简化条件，因此，这个表达式不能用于双向织物增强单层。4.Tsai-Wu 准则在应力空间中，单向复合材料的破坏包面可以用二次张量表示为 （4）称为二次相互作用判据。对平面应力状态，表达式简化为（5）式中有 4 个二次强度参量和 2 个线性（一次）强度参量。在这 6 个材料强度参量中，有 5 个可以通过简单的单轴拉伸、压缩和剪切试验求得 （6）Tsai-Wu 准则比 Tsai-Hill 准则包括了更多的强度指标内涵，如拉伸与压缩强度值不等；相互作用项与 X、X、Y、Y 的值有关等5。5.Hoffman 强度准则对 Tsai-Hill 准则进行了修正，提出的 Hoffman 强度准则为（7）式中：Xt为材料在 00 方向拉伸强度许用值；XC为材料在00 方向压缩强度许用值；Yt为材料在 900 方向拉伸强度许用值；YC为材料在 900 方向压缩强度许用值；S 为材料面内剪切强度许用值。6.强度比方程 （8）83总第239期/2023/6/学人问津参考文献：1 国防科学工业委员会.航空发动机包装件鉴定试验：GJB 834-90S.2 贵阳长之琳发动机零部件制造有限公司.发动机包装箱技术要求 Z.2022.3ANSYS 公司.ANSYS Help 18.0，2017.4 益小苏，杜善义，张立同.中国材料工程大典：复合材料工程 M.北京：化学工业出版社，2005.5 王兴业，等.复合材料力学分析与设计 M.长沙：国防科技大学出版社，1999.6 孙树凯.航空发动机玻璃钢包装箱强度校核及有限元分析研究 D.北京：华北电力大学，2016.作者简介：1.杨春涛，男，贵州麻江人，本科，设计员，研究方向：航空发动机包装箱设计、航空发动机零部件设计；2.王达喜，男，贵州安顺人，本科，工程师，研究方向：航空发动机外部设计。式中，R 称为强度比。将许用应力代入准则方程中，此时方程就恰等于 1，即 （9）由式（8），将代入式（9）中，得 （10）这是一个关于 R 的二次方程，称为强度比方程。对于一定的材料，在一定的应力状态下，解此方程可得 R 的两个根，一个根对应给定的应力状态，另一个根对应给定应力分量数值相等但符号相反的应力状态。由此可知，R 值表示材料的安全裕度。如果 R=2，就意味着所施加的应力还需增大 1 倍才能使材料失效5。（二）玻璃钢包装箱箱体的强度评判方法玻璃钢包装箱箱体的强度评判方法中较为常用的是Hoffman 准则，为保证包装箱结构的安全可靠，将材料的许用强度值和最大应变值进行折减计算6。结构计算的许用强度为 （11）安全系数定义为 （12）式中，为 1.35局部安全系数；C1a为 1.1 温度影响；C2a为 1.1 真空吸注成型。（三）后处理计算结果通过 ANSYSACP 后处理查看计算结果，由计算结果可知，最大应力、最大应变均发生在内蒙皮处。因考虑箱体的重心起吊，骨架在纵向分布为非对称设计，故最大位移发生在靠近箱盖内蒙皮的一端，最大变形结果为 9.9mm，如图 3 所示。箱底箱盖图 3 箱底内蒙皮变形云图使用 ACP 后处理模块定义失效原则为 Hoffman 准则，查看安全系数如图 4 所示。图 4 Hoffman 系数云图由图可知 Hoffman 系数为 2.0，制箱采用真空灌注成型工艺，由式（12）得Ma=1.351.11.1=1.6335Hoffman 系数为 2.0 1.6335，结构安全。四、结语本文介绍了航空发动机玻璃钢包装箱的总体结构、有限元模型、玻璃钢的铺层设计及强度校核方法，并给出了玻璃钢包装箱的强度判定准则，对玻璃钢包装箱在压力工况下的强度和变形进行了分析。基于 ANSYSACP 的软件平台，阐述了玻璃钢包装箱的铺层设计过程以及内嵌钢骨架结构的耦合计算过程，提供了一种航空发动机复合材料型包装箱的强度仿真分析方法。84/总第239期/2023/6学人问津