基于3D打印某發(fā)動機吊耳結構優(yōu)化設計

郇光周 楊 琪 王夢楠

基于3D打印某發(fā)動機吊耳結構優(yōu)化設計

郇光周 楊 琪 王夢楠

（西安航天三沃機電設備有限責任公司，西安 710025）

使用3D打印技術對某型號固體火箭發(fā)動機吊耳結構進行減重設計。首先利用有限元分析軟件建立了吊耳結構的有限元模型，進行拓撲優(yōu)化設計，得到吊耳結構的減重結構模型；然后分析吊耳結構的聯(lián)接螺栓施加預緊力及拉力載荷，得到最適預緊力與拉力載荷組合，確定吊耳結構在工況載荷下的力學特性；再使用光敏樹脂材料對優(yōu)化后的吊耳結構模型進行3D打印；最后，施加預緊力及拉力載荷驗證吊耳結構的實際承載能力并驗證仿真模型的有效性。

吊耳結構；螺栓聯(lián)接；預緊力；3D打印

1 引言

以某型號固體火箭發(fā)動機吊耳結構為應用背景，該零件在工作過程中需要承受外載荷，且外形尺寸受到彈總體要求等因素的限制，基于型號減重優(yōu)化結構的研制需求，擬通過仿真優(yōu)化盡可能提升結構的承載效率。同時使用增材制造技術實現吊耳結構，進一步達到減重優(yōu)化的目的。

關于增材制造技術，國內外學者在航天航空領域做了相關內容的研究[1～9]，其中，3D打印技術及樹脂材料具備原材料成本低、可加工復雜零部件及輕量化等優(yōu)點，得到航天航空領域的廣泛關注及研究應用。

本文應用有限元軟件建立某型號固體火箭發(fā)動機吊耳結構的有限元模型，進行拓撲優(yōu)化仿真模擬[10]，得到吊耳結構的優(yōu)化模型，可確定吊耳結構的結構形式及尺寸；同時對優(yōu)化模型施加螺栓預緊力及拉力載荷，進一步對吊耳結構進行強度校核，得到最適預緊力載荷[11，12]、可允許的最大拉力載荷、薄弱位置及吊耳結構的最終減重優(yōu)化模型；使用光敏樹脂材料[13，14]對優(yōu)化后的模型進行3D打??；為驗證模型的承載能力及仿真模型的有效性，根據仿真結果對模型施加最適預緊力，使用拉力機對模型進行加載，直至發(fā)生破壞，從而驗證優(yōu)化后吊耳結構模型的實際承載能力及仿真模型的合理性。

2 設計要求

2.1 設計區(qū)域

圖1所示為某固體火箭發(fā)動機吊耳結構包絡及其設計區(qū)域，其中，上吊耳結構區(qū)域為不可設計區(qū)域，下吊耳結構中的對接槽區(qū)域為不可設計區(qū)域，下吊耳結構區(qū)域上4個連接孔的大小和位置不能改變；其他區(qū)域為連接底座工裝示意圖。優(yōu)化設計區(qū)域不得超出設計區(qū)域。

圖1 設計區(qū)域要求

2.2 載荷條件

a. 外載荷為指定拉力，載荷施加區(qū)域見圖2a，載荷大小1.9kN，載荷加載方向見圖2b。

圖2 吊耳結構加載示意圖

b. 吊耳通過4個M20螺栓與工裝固定連接，工裝底部進行約束。

3 有限元模型與材料屬性

為減少計算量，將吊耳、工裝等均切分后組體，方便網格劃分，提高網格劃分質量并減少網格數量；使用尺寸控制網格劃分，對核心區(qū)域（如吊耳結構）細化網格，對非核心區(qū)域粗網格控制；整個結構單元數量為14萬，節(jié)點數量為39萬，如圖3所示。

圖3 吊耳結構有限元模型

a. 吊耳結構主要部件材料屬性如表1所示。

表1 吊耳結構主要部件材料屬性

b. 接觸設置：吊耳結構與底座工裝、螺栓與彈墊、彈墊與平墊、平墊與吊耳結構均為摩擦接觸。

c. 螺栓聯(lián)接：螺栓與底座工裝的聯(lián)接為非核心設計區(qū)域，通過設置綁定接觸模擬螺栓聯(lián)接。

4 優(yōu)化設計

4.1 靜力分析

在對吊耳結構拓撲優(yōu)化前需進行靜力學分析，確定吊耳結構基本力學特性及優(yōu)化設計區(qū)域。

吊耳與底座工裝為綁定約束模擬螺栓連接，不設置螺栓；對底座工裝下端面進行全約束，施加1.9kN的集中力載荷。

從結果分析可得，吊耳最大等效應力為6.5MPa，如圖4所示，發(fā)生在吊耳兩部分連接處，吊耳中兩個接觸區(qū)域及上吊耳圓弧連接處為主要受力區(qū)域，優(yōu)化設計時，需避開該區(qū)域。

圖4 吊耳結構靜力學分析

4.2 拓撲優(yōu)化分析

4.2.1 條件設置

a. 設計區(qū)域：選擇圖5中結構件為設計區(qū)域。其他區(qū)域為不可設計區(qū)域，其中包括設計要求中提到上吊耳、對接槽表面，考慮到加工及實際安裝螺栓的工況要求，將M20平墊連接區(qū)域、下吊耳通孔區(qū)域均設置為不可設計區(qū)域，如圖6所示。

圖5 設計區(qū)域

圖6 不可設計區(qū)域

b. 約束條件1：吊耳質量范圍30%～80%；

c. 約束條件2：最大應力為32MPa；

d. 3D打印制造尺寸約束：0.05mm。

4.2.2 拓撲優(yōu)化分析

求解完成后，進行光滑處理，提取質量比為50%的分析結果，見圖7。該模型為有限元模型，需通過模型修復對尖角、破損面等，可得吊耳最終幾何模型，如圖8所示。

圖7 拓撲優(yōu)化有限元模型

圖8 拓撲優(yōu)化修復后幾何模型

考慮到2倍的承載力安全系數，對模型進行3.8kN的拉力載荷加載仿真分析，可得最大應力發(fā)生在吊耳連接處，為12MPa，見圖9，滿足光敏樹脂（抗拉強度27MPa）的強度要求。

圖9 拓撲優(yōu)化靜力學分析結果（拉力載荷）

優(yōu)化后吊耳模型重量為0.88kg，初始模型重量為1.86kg，模型減重比為52.6%。

5 最適預緊力確定

由于螺栓預緊力無法在優(yōu)化設計計算中直接加載，考慮到實際載荷工況，需對優(yōu)化后的模型進行預緊力加載校核其強度，同時確定滿足實際要求的最適預緊力載荷。

螺栓連接為非核心設計區(qū)域，使用綁定接觸進行螺栓嚙合模擬，對吊耳結構進行預緊力加載，確定最適預緊力范圍，在該范圍內，可有效保證吊耳結構不發(fā)生破壞，同時在拉力載荷作用下不發(fā)生松動，預緊力載荷見圖10。

圖10 螺栓預緊力加載

對吊耳結構施加預緊力及拉力組合載荷，當墊片在軸向位移量為正值時，表示螺栓已經開始松動，為負值時，表示螺栓未發(fā)生松動，因此，在預緊力加載時，通過吊耳結構最大應力進行強度校核，通過墊片位移進行螺栓松動判斷，具體結果如表2所示。

表2 預緊力加載結果

由表2可得：a.當預緊力為5kN、拉力為4kN時，吊耳結構連接處接近光敏樹脂的抗拉強度；b.當預緊力為4kN、拉力為3kN時，墊片軸向位移趨向于正值，墊片有松動的趨勢。

由上述可得，螺栓最適預緊力取4.5kN，對應的扭矩[12]為18N·m，通過計算可承受不少于4kN載荷。

其中，圖11為6kN預緊力+2kN拉力載荷下吊耳的等效應力，圖12為6kN預緊力+2kN拉力載荷下墊片等效軸向位移。

圖11 6kN預緊力+2kN拉力載荷下吊耳等效應力

圖12 6kN預緊力+2kN拉力載荷下墊片等效軸向位移

6 拉力載荷校核

采用SLA（立體式光固化）成型方式，材料為光敏樹脂，對優(yōu)化模型進行外協(xié)3D打印，吊耳結構3D打印實物如圖13所示。

圖13 吊耳結構3D打印模型

對吊耳結構連接螺栓均施加18N·m的螺栓扭矩，并使用拉力機（力-時間）均勻進行載荷加載，直至吊耳機構發(fā)生破壞，其中，拉力曲線如圖14所示，拉力實際加載如圖15a所示。

結合仿真結果可得：吊耳結構在拉力為4.7kN的時候已經呈現非線性變化，局部發(fā)生破壞；當拉力達到5.8kN的時候拉力曲線消失，表示吊耳結構已完全斷裂，如圖15b所示，表示在18N·m扭矩作用下，吊耳結構模型可承受最大5.7kN的拉力載荷。

圖14 力-時間曲線

圖15 吊耳結構拉力載荷加載

通過分析殘骸可知，吊耳結構斷裂起始處與仿真結果一致，均在其連接處，同時吊耳結構在發(fā)生屈服時仿真拉力載荷（4kN）比實際加載拉力載荷偏小（4.6kN），分析其原因為實際打印時吊耳連接處設置倒角，使其強度增加，同時與光敏樹脂在成型過程中的本構特性有關，具體如下：

光敏樹脂拉伸破壞強度為27MPa，斷裂延伸率為8%，吊耳結構在拉力載荷下首先發(fā)生塑性變形，達到抗拉強度后，局部發(fā)生破壞，同時變形量呈現較大變化，隨著拉力的增大，變形量逐漸增大，當變形量達到斷裂延伸率時，吊耳結構發(fā)生完全斷裂。

7 結束語

利用有限元方法建立某型號固體火箭發(fā)動機的有限元模型，進行拓撲優(yōu)化設計，以減輕其重量，同時利用3D打印技術進行實物生產，并使用拉力機進行強度校核及仿真模型驗證。

a. 優(yōu)化后吊耳結構模型重量為0.88kg，原重量為1.86kg，模型減重比為52.6%；

b. 在對產品實際加載過程中每個螺栓施加扭矩為(18±1)N·m，吊耳結構預計可承受4.6kN的拉力載荷，可滿足1.9kN設計要求，剩余安全系數為2.4；

c. 通過拉力載荷校核，與仿真模型可有效吻合，為后續(xù)系列結構的優(yōu)化設計提供重要的參考依據；

d. 后續(xù)將對吊耳結構進一步的優(yōu)化處理，包括上吊耳內部結構。

1 Bamberg J, Dusel K H, Satzger W. Overview of additive manufacturing activities at MTU aero engines[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 2014, 1650(1): 156～163

2 Marchesi T R, Lahuerta R D, Silva E C N, et al. Topologically optimized diesel engine support manufactured with additive manufacturing[J]. IFAC-Papers on Line, 2015, 48(3): 2333～2338

3 劉業(yè)勝，韓品連，胡壽豐，等. 金屬材料激光增材制造技術及在航空發(fā)動機上的應用[J]. 航空制造技術，2014(10)：60～67

4 Liu Yesheng, Han Pinlian, Hu Shoufeng, et al. Development of laser additive manufacturing with metallic materials andits application in aviation engines[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(10): 60～67

5 宋文清，李曉光，曲伸，等. 金屬增材制造技術在航空發(fā)動機中的應用展望[J]. 金屬加工，2016(2)：44～46

6 Song Wenqing, Li Xiaoguang, Qu Shen, et al. Application of metal additive manufacturing in aero-engine[J]. Metal Working, 2016(2): 44～46

7 林鑫，黃衛(wèi)東. 應用于航空領域的金屬高性能增材制造技術[J]. 中國材料進展，2015(9)：685～688

8 黃衛(wèi)東. 3D打印給鑄造業(yè)帶來的機遇與挑戰(zhàn)[C]//中國鑄造會. 2013中國鑄造活動周論文集. 北京：中國鑄造學會，2013

9 工業(yè)和信息化部，國家發(fā)展和改革委員會，財政部. 國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃（2015～2016年）[J]. 電加工與模具，2015(S1)：68～70

10 邊炳傳，李清爽. 在零件設計中應用拓撲優(yōu)化節(jié)約原材料[J]. 金屬加工（冷加工），2012，14：75～76

11 李至廣. 欽合金螺紋連接結構預緊力、應力、可靠性分析[D]. 長沙：國防科學技術大學，2004

12 邱凱，曹魯光，郇光周，等. 導彈關鍵艙段螺栓聯(lián)接的有限元分析及預緊力研究[J]. 機械設計與制造，2015，2(2)：221～224

13 陳建山，周鋼. 光敏樹脂研究進展[J]. 化工新型材料，2012(12)：7～8

14 黃筆武，翁子驤，姜安坤，等. 立體光刻快速成形SL5510型光敏樹脂性能研究[A]. 第13屆全國特種加工學術會議論文集[C]. 2009

Optimized Design of Lug Structure of An Engine Based on 3D Printing

Huan Guangzhou Yang Qi Wang Mengnan

(Xi’an Sunvaior Mechanical and Electrical Equipment Company withLimited Liability,Xi’an 710025)

3D printing technology is used to reduce the weight of the lug structure of a certain model of solid rocket motor. Firstly, the finite element analysis software is used to establish the model of the lifting lug structure and the weight-reducing structure model of the lifting lug structure is obtained; secondly, the pre-tightening force and tensile load are applied to the connecting bolts of the lifting lug structure in order to obtain the optimal pre-tightening force and the mechanical properties of the lug structure under working conditions; then, 3D printing technology is used to obtain lug structure model with photosensitive resin material; finally, pre-tightening and tensile loads are applied to verify the actual lug structure carrying capacity and the validity of the simulation model.

lug structure；bolt connection；pre-tightening force；3D printing

TJ760

J

郇光周（1988），碩士，機械工程專業(yè)；研究方向：導彈總體設計、結構力學仿真分析。

2021-05-26