復合材料發動機基座結構強度分析

金星瑜，程瑞松

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.中船重工（海南）飛船發展有限公司，海南 三亞 572000）

碳纖維具有輕質高強的特點，可在滿足力學性能的前提下有效降低結構重量，因而在高性能船舶領域應用日益廣泛。夾層結構復合材料具有比剛度大、比強度高、抗彎和抗沖擊性能優良的特點，本文研究對象為碳纖維泡沫夾芯復合材料制備的某型地效翼船發動機支架安裝基座，建立有限元模型，利用MSC.Patran/Nastran軟件分析發動機拉力、縱向過載和橫向過載不同工況下的結構響應，對基座結構強度進行校核，為后續優化減重設計提供方向。

1 發動機基座結構及模型

發動機支架安裝基座位于主翼上表面，主體由縱向壁板和橫向肋板組成，基座長1360mm，寬320mm，肋板平均高度350mm。上部和底部為安裝連接螺栓設置3mm厚實心碳纖維法蘭邊，基座和主翼通過底部法蘭邊膠接和螺栓連接。

基座壁板和肋板夾層結構表皮為T700碳纖維正交雙向布，芯材為AIREX C70硬質泡沫，材料剛度和強度力學性能參數見表1。壁板中部及肋板夾層的內外碳纖維表皮和泡沫夾芯厚度分別為0.7mm和8mm，壁板前后部碳纖維表皮厚度1mm，局部加強位置為10mm厚實心碳纖維板。

表1 T700碳纖維復合材料和泡沫芯材工程彈性常數及極限強度值

在前處理軟件Hypermesh中對基座模型進行網格離散，使用二維殼單元模擬板材結構，利用Patran-Laminate選項定義各部件的夾層材料、厚度屬性。發動機質量通過質點單元施加于質心位置，并通過MPC與基座連接。基座有限元模型見圖1。

圖1 發動機基座有限元模型

2 計算工況

根據總體設計文件考慮2種計算工況，工況1使用載荷包含縱向發動機拉力6500N，垂向加速度2.81g，工況2使用載荷包含橫向加速度1.5g。仿真計算以設計載荷進行校核，即使用載荷乘以安全系數1.5。如表2所示。

表2 計算工況使用載荷值

施加邊界條件，固支基座底部與主翼連接法蘭邊的網格節點。通過Patran-Force選項施加發動機拉力，Patran-Inertial Load選項施加加速度載荷。

3 計算結果與分析

采用Nastran求解器仿真計算得到發動機基座夾層板碳纖維表皮兩個纖維主方向上的最大拉壓應力和剪切應力，應力分布見圖2，以及夾芯泡沫應力值（表3）。工況1碳纖維表皮最大拉應力39.4MPa，最大壓應力為61.2MPa，應力最大處位于兩側壁板，最大剪切應力為21.5MPa位于肋板上部。工況2碳纖維表皮最大拉應力60.8MPa，最大壓應力69.1MPa，最大剪切應力為18.2MPa位于前肋板上部。碳纖維表皮應力計算結果均小于材料對應強度值，滿足安全性要求。

圖2 工況1基座碳纖維表皮主方向壓應力云圖

表3 發動機基座夾層碳纖維表皮應力值（MPa）

工況1泡沫夾芯最大拉應力0.114MPa，最大壓應力0.178MPa，最大剪切應力0.137MPa，工況2泡沫夾芯最大拉應力0.143MPa，最大壓應力0.132MPa，最大剪切應力0.119MPa，均小于對應強度值，滿足安全性要求。

4 結語

本文基于碳纖維泡沫夾層結構的發動機安裝基座，采用MMSC.Patran/Nastran軟件分析2種載荷工況下的結構響應，驗證結構強度安全性。主要結論如下。

（1）基座壁板和肋板采用碳纖維表皮和泡沫芯材的夾層板滿足結構強度安全性要求。（2）壁板中部和肋板側邊為應力集中區域，日常使用維護需重點關注。（3）壁板前后位置和肋板中部應力水平較低，可適當減少該局部碳纖布鋪層厚度以達到減重目的。