航空发动机包装箱设计与制备研究

黄新禹，宋志佳，曹学智，刘旭峰

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

航空发动机是飞机上的重要部件，其开发过程分为研发、采购、维护3个阶段，其中维护阶段费用最高，占比50%，维修阶段包括零部件的更新、维修服务、保存和运输等[1]。航空发动机在保存、运输、外场使用过程中，一方面要承受恶劣的自然环境，另一方面要经过多环节实施转运。航空发动机包装箱具有保存和运输航空发动机的功能，是航空发动机重要的地面保障设备。

作为传统的有环境条件限制的木制包装箱，在运输过程中振动和冲击载荷大，如果发动机不能被有效保护，容易造成发动机部件和整机损伤；包装箱密封功能失效，也不能很好地保护发动机，它的使用不再适应现代化保障需求[2]。随着新技术、新工艺等领域的发展，为满足部队在使用包装箱过程中操作更便捷、环境适应性更好、在总体结构上有所创新、在新材料上有所应用，因此设计了复材包装箱。复材包装箱为带有减振装置的密封运输装置，能有效保护发动机，满足多种运输方式，环境适应性强等使用要求。

1 包装箱结构组成

复材包装箱采用钢材和玻璃钢复材制造，包括箱体（包括箱盖和下箱体）、支撑架、底座、运输附件、维护附件等[3]，如图1所示。箱体为玻璃钢壳体，外形为大圆角的长方体。支撑架为钢材焊接件，置于箱体内部，用于安装固定发动机，底座位于箱体下端，承载整个包装箱的质量，运输附件用于对包装箱的起吊、叉运，维护附件用于对发动机的维护和记录。

图1 航空发动机包装箱组成

发动机置于包装箱内的支撑架上，箱体与支撑架之间通过4组钢丝绳减振器相连接，支撑架悬托在钢丝绳减振器上，箱体置于底座之上，与底座通过螺栓连接固定。发动机安装于包装箱后，充入氮气保证长期储存。

2 包装箱主体结构设计

2.1 箱体

箱体包括箱盖和下箱体，如图2所示。箱体中间结合面设计密封结构，通过锁扣开闭箱体。箱体使用玻璃钢复合材料制造，玻璃钢具有轻质高强、比强度高的优点，满足温度、盐雾等环境要求，箱体内预埋有金属骨架，有效提高箱体的刚度。底座位于箱体下端，承载整个包装箱的重力。底座为框式焊接钢结构，底梁上设置叉车口和系留点，通过安装板联接下箱体。底座采用Q235钢金属结构焊接，采用镀锌及涂装涂料方式解决防腐问题。

图2 包装箱箱体图

箱体密封结构设置在上、下箱体结合面，上箱体为凸筋结构，下箱体为凹槽结构，采用P型密封胶条，通过环形压板固定在下箱体凹槽内。箱体结合面设计防水唇，对上箱体进行限位并起到防雨作用。

吊带包括上吊带、下吊带。吊带中间开槽，可以在箱体上滑移，吊带与箱体内预埋金属连接，吊带中间用销连接。吊装载荷通过上吊带传递到下吊带，直至底座。

2.2 支撑架

支撑架置于箱体内部，为钢材焊接件，由支点、支架及减振装置等组成。支点用来安装固定发动机，减振装置采用钢丝绳减振器，它可以确保系统在承受最大安全冲击条件下具备良好的减振性能。

3 校核分析

3.1 强度校核

1）箱体强度校核。

采用有限元方法对箱体进行承压强度分析,箱体应力如图3所示，最大变形量位于箱体顶部，最大应力满足材料拉伸强度45 MPa，说明箱体强度满足充气压力要求。

图3 箱体应力云图

2）支架强度校核。

采用有限元方法对支撑架进行强度分析。在发动机重心位置施加载荷，通过力分配方式获得各支点受力情况。在发动机重心位置分别施加侧向2g、垂向3g和轴向4g载荷。

支撑架材料为Q235钢，受力分布如图4所示，侧向过载和垂向过载时对支撑架主体产生应力均在屈服强度235 MPa以下，轴向过载时，除在横梁和加强筋连接处出现了应力集中点，其他部分均在屈服强度235 MPa以下，在详细设计时对应力集中处采用倒角、焊接牢固等方法加强处理。各向最大载荷对支撑架主体影响在安全范围内。

图4 支架计算结果

3.2 减振系统模态分析

为保证减振装置能正常工作，减振系统要有足够的刚度。GJB 6412《舰船用钢丝绳隔振器规范》中规定，对本身不是振动源设备的弹性支承，弹性支承系统峰值响应频率要满足如下公式：

式中：fG为设备自身的固有频率的数值，Hz；fL为弹性支承系统峰值响应频率的数值，Hz。

由于发动机结构复杂，此处将设备自身的固有频率简化成支撑架的固有频率，即支撑架的固有频率与系统峰值响应频率比值需大于3，可认为支撑架结构具有足够的刚度，保证减振系统稳定。其中系统峰值响应频率为

式中：m为被隔振对象的质量，即包装箱支撑架及发动机总质量；K为减振器系统总静刚度，a为动刚度系数。

通过计算，系统峰值响应频率为13 Hz。

模态由结构材料和本身特性决定，是自由振动状态下结构的基本振动特性[4]。支撑架的固有频率可由一阶模态计算得到。利用有限元软件计算得到支撑架的一阶模态分析（如图5），结果显示一阶模态为39.6 Hz，即设备自身的固有频率满足上述国军标的要求，表明支撑架有足够的刚度，具有抵抗振动变形的裕度。

4 箱体的制备及工艺

4.1 箱体的制备

为提高强度减轻质量，箱体采用玻璃钢壳体、金属骨架复合结构制作，如图6所示。金属骨架置于箱体内部，增大箱体刚度，增强箱体抗外胀能力，金属骨架同时与箱体吊带连接，增强稳定性。金属骨架的设计包括材料、结构、力学性能。通常箱体内预埋件的强度要大于复材箱体的强度，本箱体选择的预埋件材料为Q235钢。金属骨架的结构应避免出现尖锐的部位，尽量棱边倒圆角或使用带圆角的型材，防止在脱模和使用过程中预埋金属件划伤铺层材料。通常在箱体内预埋金属骨架有两种方式：一种是在箱体成型时，将金属骨架固定在模具上，然后进行铺层、真空导入，成型后金属骨架就嵌在箱体中；另一种是在复材箱体脱模完成后采取粘接的方式将金属骨架嵌入。本方案的预埋金属骨架采用矩形钢管，由于前者预埋方式的金属骨架不能为空管，否则树脂会填满空管增加质量，因此箱体内金属骨架的预埋成型采用后者方式。

图6 箱体结构图

箱体壳体材料为玻璃钢，它是一种复合材料，由玻璃纤维制品作为增强材料，树脂作为基体材料，共固化后形成。壳体厚度为20 mm，增强材料采用高强玻纤布和碳纤维布，结构泡沫采用PVC结构泡沫，基体材料采用环氧树脂，铺层方案如图7所示。

图7 铺层方案

4.2 箱体成型工艺及流程

箱体成型工艺采用手糊加真空袋压辅助工艺，手糊玻璃钢成型工艺环境操作温度15 ℃以上，空气湿度不大于80%。工艺流程如图8所示。

图8 工艺流程图

1）箱体母模加工。母模加工使用木制多层板及钢制骨架制作胎型，分段加工，组合安装，胎型外壁涂敷不饱和树脂进行封闭，树脂固化后涂敷环氧糊状代木进行增厚，糊状代木干燥后，进行数控加工，型面精度由数控加工中心保证，表面进行清理、打磨处理。

2）模具翻模加工。运用手糊工艺进行模具加工，固化完成后采用钢制骨架加强。在模具内表面涂敷脱模蜡或脱模水等脱模材料。

3）胶衣层喷涂。待脱模剂干燥后，在模具表面喷涂屏障胶衣，使用胶衣的气密特征，提高箱体气密要求。

4）铺敷增强材料。增强材料按照模具尺寸进行裁剪，按照图7所示铺层方案在模具上铺设增强材料。

5）铺敷真空辅助材料。考虑到环氧树脂凝固时间较长，采用真空袋压实，保证铺放料片不移位，同时增加成型压力。

6）抽真空。完成增强材料和真空辅助材料铺设后，导入软管需夹紧。采用真空泵抽真空，负压不小于-0.9 MPa。

7）调配树脂。当真空袋内压力满足要求后，根据制品厚度、环境条件、铺敷面积等调配树脂、固化剂和促进剂，树脂液需达到黏度、凝胶时间及固化度等指标。

树脂用量（含固化剂）计算公式如下：

式中：a为纤维布长度，b为纤维布宽度，n为纤维布层数，λ为纤维布单位面积质量，ω为含胶量，m为树脂用量（含固化剂）。

8）树脂导入。将调配好的树脂导入真空泵，经充分搅拌均匀并静置10 min排除树脂内气泡后，包装箱的厚度是通过调整泵入压力，进而控制树脂导入实现的[5]。真空吸附工艺工作原理如图9所示。树脂从底层反渗透至表层，说明充分浸润。

图9 真空吸附工艺示意图

9）固化脱模。树脂导入完成后，需放置一段时间使树脂固化，脱模后，采取必要的支撑措施，避免产生变形，图10为下箱体成功脱模图，验证了成型工艺的可行性。

图10 下箱体脱模图

5 结论

本文设计了具有减振和密封功能的复材包装箱，利用有限元软件对包装箱箱体、支撑架结构进行强度校核，对发动机与支撑架构成的减振系统进行模态分析，箱体制备后成功脱模，包装箱箱体成型工艺及流程得到了验证，得到如下结论：1）箱体强度满足充气要求，包装箱的密封功能可以有效保护发动机；2）包装箱支撑架具有足够的强度，减振系统具备足够的刚性储备，能够满足包装箱多环节运输发动机。