蜂窝夹层结构反推力装置移动外罩外壳体铺层优化设计与失效分析

张佐伊，汪 东，孙利兵，叶留增，宁怀松

(中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015)

蜂窝夹层结构反推力装置移动外罩外壳体铺层优化设计与失效分析

张佐伊，汪 东，孙利兵，叶留增，宁怀松

(中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015)

为减轻大涵道比涡轮风扇发动机反推力装置的质量，对反推力装置蜂窝夹层结构移动外罩外壳体进行了铺层的优化设计和失效分析。整个研究过程分为以下3个步骤：(1)利用数值计算得到移动外罩外壳体的气动载荷；(2)利用有限元分析软件Nastran和复合材料结构分析与优化软件HyperSizer对数值计算得到的载荷下的反推力装置移动外罩外壳体进行铺层的优化设计，得到质量比原始方案降低35% 的反推力装置移动外罩外壳体铺层优化方案；(3)基于剪切皱曲失效理论对优化后的反推力装置移动外罩外壳体进行失效分析。结果表明：质量降低35%的反推力装置移动外罩外壳体可以承受反推力装置的工作载荷，当载荷超过711.9 N/mm时，外壳体首先出现剪切皱曲失效。

蜂窝夹层结构；反推力装置；移动外罩；铺层优化；失效分析；Hypersizer

1 引 言

反推力装置由于其诸多优点在民机及军用运输机中得到了广泛的应用[1-2]。国外航空发达国家(如美、英、俄等)很早就开展了反推力装置的基础研究和工程研究，在反推力装置和飞发一体化方面技术十分成熟，拥有完备的设计手段、丰富的研制经验和完整的设计体系[3]。

对发动机部件进行结构优化设计和使用新材料，可有效地减轻发动机的质量，提高发动机的推重比，减少耗油率[4]。按照欧美国家的规划，几乎所有的重要零部件均拟采用复合材料，以大幅度减轻质量，提高性能[5]。蜂窝夹层结构具有质量轻，较大的弯曲刚度及强度[6]等优点，这些特性使它在民机及军用运输机上的使用比率越来越大。某方案反推力装置移动外罩外壳体就是由一种蜂窝夹层结构复合材料制成。

为进一步减轻质量，降低成本，节约能源，本文对已有蜂窝夹层结构复合材料反推力装置移动外罩外壳体进行了铺层的优化设计和新方案的失效分析，具体流程如下：(1)利用CFD软件对反推力状态下的反推力装置进行数值计算，得到移动外罩外壳体在工作环境下所受的气动载荷；(2)将得出的气动载荷施加到移动外罩外壳体上，利用有限元分析软件Nastran对移动外罩外壳体进行有限元分析，得到移动外罩外壳体所受的单元力；(3)利用复合材料结构分析与优化软件Hypersizer，读取单元力，对移动外罩外壳体进行铺层的优化设计和失效分析。

2 移动外罩外壳体气动载荷计算

2.1 移动外罩外壳体的功能与结构

图1为叶栅式反推力装置结构及流路示意图。它由叶栅、阻流门、阻流门拉杆、移动外罩、内壁组成，其中图1(a)为正推力状态，图1(b)为反推力状态。正推力状态下，气流从外涵喷管喷出，产生正推力；反推力状态时，移动外罩后移，露出叶栅，阻流门挡住发动机外涵道，使外涵气流转入导流叶栅中，并沿叶栅所偏转的方向排出，从而达到产生反推力的目的[7]。此时，移动外罩外壳体会受到外涵气流的气动载荷。因此反推力装置打开状态下移动外罩外壳体承受的气动载荷较大，是移动外罩外壳体设计的关键状态。

图1 叶栅式反推力装置结构及流路[8]Fig.1 Schematic illustration for a cascade thrust reverser and airflow

图2为移动外罩外壳体外型面示意图，弧形长边为前向，弧形短边为后向。外凸弧面为外面即上面，内凹弧面为内表面即底面。因移动外罩拆卸困难，中间预留3处圆形、椭圆形和矩形开口以方便未来使用过程中的维修检查。

2.2 移动外罩外壳体气动载荷计算

利用CFD软件进行反推力装置打开状态气动计算的气动模型如图3所示。外涵进口设置为压力进口边界。阻流门、移动外罩、外涵外壁、外涵内壁和叶栅型面等设置为壁面边界，其它设置为压力远场边界。

图2 移动外罩外壳体外型面示意图Fig.2 Schematic illustration for the outer skin of translating

图3 反推力装置打开状态气动模型Fig.3 Aerodynamic model of thrust reverser

图4为移动外罩外壳体沿轴向的1.5倍压力载荷变化曲线。可以看到移动外罩前沿处受到较高的由内向外的压力载荷，后向大片面积的压力载荷则趋于平缓。

图4 移动外罩外壳体承受的压力Fig.4 Pressures on outer skin of translating sleeve

3 蜂窝夹层结构移动外罩外壳体有限元分析

3.1 移动外罩外壳体初始铺层方案

夹层结构由1对薄面板、芯材及板芯胶组成。芯子有纵向、横向之分，芯子本身在纵向和横向平面内刚度无穷小。夹层结构受力情况如图5所示，图5为一般情况，x与y轴在纵向和横向平面内，面板承受xy平面内拉、压、剪。芯子对面板提供连续支持。

图5 夹层结构元体受力情况[9]Fig.5 Force Analysis of Sandwich Structure Element

利用有限元分析软件Nastran对原始移动外罩外壳体铺层方案进行强度分析，原始铺层方案见图6。上面板采用织物，0°/45°交替铺层，每层厚度0.2 mm，铺12层，总厚度ttf为2.4 mm。下面板采用织物树脂基复合材料，0°/45°交替铺层，每层厚度0.2 mm，铺8层，总厚度tbf为1.6 mm。蜂窝芯厚tc为16 mm。总厚度H为20 mm。采用此铺层方案的蜂窝夹层结构移动外罩总质量为26.03 kg。

图6 蜂窝夹层移动外罩外壳体初始铺层方案Fig.6 Initial ply scheme of honeycomb sandwich structure outer skin of translating sleeve

3.2 移动外罩外壳体有限元分析

进行有限元分析所使用的材料性能数据见表1和表2。

有限元分析所使用的位移边界条件分为2种，第1种(a)为各方向位移全为0，作用在移动外罩外壳体后边和2侧；第2种(b)为轴向可移动，其它方向位移为0，作用在移动外罩外壳体前边2侧，如图7所示。

表1 单层面板材料性能数据

表2 蜂窝芯材料性能数据

图7 有限元分析约束示意图Fig.7 Displacements for finite element analysis

将打开状态下反推力装置气动计算得出的气动载荷施加到移动外罩上，施加载荷后压力云图如图8所示。可以看到移动外罩外壳体前沿处所受的载荷较高。

图8 有限元分析压力载荷云图Fig.8 Pressure load nephogram for finite element analysis

4 蜂窝夹层结构移动外罩外壳体铺层优化

起源于NASA的HyperSizer是专业的复合材料结构分析及尺寸优化软件。HyperSizer能够自动与Nastran等有限元软件相结合对整个结构进行分析研究。并针对各个部件给出安全预度报告[10-11]。对移动外罩外壳体的优化分析流程如下[12]：

用HyperSizer软件读取有限元分析得出的单元力，有限元区域划分为中间区(Middle Area)和边缘区(Edge Area)，如图9所示。这样划分的原因是2个区域铺层方案不同，其中中间区为蜂窝夹层结构，由上下面板(层合板)和蜂窝芯组成，而边缘区只有层合板。0°/90°铺层方向设定为轴向。

对移动外罩外壳体进行优化的铺层可选方案见表3和表4。中间区上面板和下面板在4～16层范围内变化，蜂窝厚度在16～25 mm范围内变化，边缘区在4～16层范围内变化。层合板铺层角度按[(±45)/(0，90) ]。中间区层合板的0°/90°层占铺层数比例在30%～70%范围内变化，边缘区层合板的0°/90°层占铺层数比例在30%～70%范围内变化，中间区可选方案共42 315种，边缘区可选方案为65种。在这些可选方案中，通过迭代计算得出一种具有足够强度的质量最轻方案，迭代曲线见图10。

图9 铺层优化设计区域划分Fig.9 Partitions for stacking optimization

PartitionMinimumMaximumStepSizeMiddleAreaPliesofTopFacesheet4161ThicknessofHoneycomb/mm20221PliesofBottomFacesheet4161EdgeAreaPlies4161

表4 层合板铺层角可选方案

利用3种失效理论对中间区进行计算。各种失效理论对应的最小安全裕度方案和失效位置见表5。

表5 中间区失效分析

利用2种失效理论对边缘区进行计算。各种失效理论对应的最小安全裕度方案和失效位置见表6。

图10 迭代计算曲线图Fig.10 Graph of iteration

MSLocationAnalysisDescription10．04994OneStackPanelBuckling20．5607TopStackCompositeStrength

以满足强度且质量最轻为目标，同时考虑铺层兼容性和工艺性，取中间区方案1和边缘区方案1为最优结果，见表7和图11。其中上面板5层，总厚度1 mm，下面板5层，总厚度1 mm，蜂窝厚度21 mm。优化方案总质量为16.93 kg，比最初方案26.03 kg减轻了9.1 kg，减重效果达到35%。

表7 铺层优化结果

5 蜂窝夹层结构移动外罩外壳体中间区失效分析

5.1 夹层结构的剪切皱曲失效原理

由中间区最小安全裕度0.028 46可知中间区先出现剪切皱曲失效。因此，精确分析剪切皱曲失效对移动外罩外壳体强度预测具有重要意义。

剪切皱曲是夹层结构的一般失稳形式，它表现为短波长屈曲，是由芯子的低剪切模量引起的(图12)。

图11 移动外罩外壳体铺层示意图Fig.11 Ply for outer skin of translating sleeve

图12 剪切皱曲示意图Fig.12 Schematic illustration of sandwich panel shear crimping

5.2 剪切皱曲计算方程

剪切皱曲许用应力公式是与剪切模量、蜂窝芯厚度和面板厚度有关的公式。文献中提出几种剪切皱曲许用应力计算方法[13-15]，其中Hexcel公司[13]在剪切皱曲许用应力计算中只使用了剪切模量和蜂窝芯厚度，见公式(1)和公式(2)。式中，Nax是蜂窝芯纵向单位长度上的许用内力，Nay是蜂窝芯横向单位长度上的许用内力，Gl是蜂窝芯纵向面外剪切模量，Gω是蜂窝芯横向面外剪切模量，tcore是蜂窝芯厚度。

Nax=Gltcore

(1)

Nay=Gωtcore

(2)

安全裕度是评估结构强度的富余程度的一个参数，见公式(3)。计算剪切皱曲的安全裕度见式(4)和式(5)。式中，MS为安全裕度，MSx为蜂窝芯纵向安全裕度，MSy为蜂窝芯横向安全裕度，Pallow为许用载荷，Papplied为设计载荷，Nx为蜂窝芯纵向单位长度上的内力，Ny为蜂窝芯横向单位长度上的内力，它们可由应力沿厚度积分求得。

(3)

(4)

(5)

5.3 夹层结构移动外罩失效计算结果

表13对移动外罩外壳体进行安全裕度的计算。计算结果见表8。

表8 移动外罩皱曲失稳计算结果

安全裕度越小，越先出现失效。由最小安全裕度0.02846可知，当载荷超过711.9 N/mm时，中间区首先出现剪切皱曲失效。

6 结 语

(1)利用Hypersizer软件在1.5倍载荷下对反推力装置移动外罩外壳体进行优化设计，得出满足强度且质量最轻(16.93 kg)的铺层方案，比原方案26.03 kg减轻质量9.92 kg，减重效果达到35%。本文的方法可以对壳结构复合材料件进行选择分析，具有较强的通用性和工程指导性。

(2)针对优化后的反推力装置移动外罩外壳体进行失效分析后可知当载荷超过711.9 N/mm时，夹层结构首先出现剪切皱曲失效。

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Stacking Optimization and Failure Analysis of the Honeycomb Sandwich Structure Translating Sleeve Outer Skin for Thrust Reverser

ZHANG Zuoyi，WANG Dong，SUN Libing，YE Liuzeng，NING Huaisong

(AVIC Shenyang Engine Design Institute，Shenyang 110015)

In order to reducing the weight of the thrust reverser，which is used for high bypass ratio turbofan engine，a stacking optimization and failure analysis of the honeycomb sandwich structure translating sleeve outer skin for thrust reverser is carried out.The work process was partitioned into three phase: (1) Computing the pressure load of the translating sleeve outer skin with numerical computation; (2) Stacking optimization of the honeycomb sandwich structure was carried out and the new translating sleeve outer skin was 35% weight drops than the old one.Two commercial software，which named Nastran and Hypersizer，were used in this study; (3) The failure analysis for the translating sleeve outer skin based on the failure theory of sandwich panel shear crimping.The results of the study shows that the weight drops by 35% can be achieved by stacking optimization and it can work well under the work environment of the thrust reverser.Further more，the failure of shear crimping occurs on the translating sleeve outer skin when the load is more than 711.9 N/mm.

honeycomb sandwich structure; thrust reverser; translating sleeve; stacking optimization; failure analysis; Hypersizer

2015-02-12)

张佐伊(1985-)，女，辽宁人，硕士，工程师。研究方向：航空发动机喷管及排气装置设计。 E-mail：zoeyunlin@hotmail.com.