基于3D打印某發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郇光周 楊 琪 王夢(mèng)楠

基于3D打印某發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郇光周 楊 琪 王夢(mèng)楠

（西安航天三沃機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司，西安 710025）

使用3D打印技術(shù)對(duì)某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。首先利用有限元分析軟件建立了吊耳結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到吊耳結(jié)構(gòu)的減重結(jié)構(gòu)模型；然后分析吊耳結(jié)構(gòu)的聯(lián)接螺栓施加預(yù)緊力及拉力載荷，得到最適預(yù)緊力與拉力載荷組合，確定吊耳結(jié)構(gòu)在工況載荷下的力學(xué)特性；再使用光敏樹脂材料對(duì)優(yōu)化后的吊耳結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行3D打?。蛔詈?，施加預(yù)緊力及拉力載荷驗(yàn)證吊耳結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力并驗(yàn)證仿真模型的有效性。

吊耳結(jié)構(gòu)；螺栓聯(lián)接；預(yù)緊力；3D打印

1 引言

以某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)為應(yīng)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(hào)減重優(yōu)化結(jié)構(gòu)的研制需求，擬通過仿真優(yōu)化盡可能提升結(jié)構(gòu)的承載效率。同時(shí)使用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)吊耳結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步達(dá)到減重優(yōu)化的目的。

關(guān)于增材制造技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在航天航空領(lǐng)域做了相關(guān)內(nèi)容的研究[1～9]，其中，3D打印技術(shù)及樹脂材料具備原材料成本低、可加工復(fù)雜零部件及輕量化等優(yōu)點(diǎn)，得到航天航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注及研究應(yīng)用。

本文應(yīng)用有限元軟件建立某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真模擬[10]，得到吊耳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型，可確定吊耳結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及尺寸；同時(shí)對(duì)優(yōu)化模型施加螺栓預(yù)緊力及拉力載荷，進(jìn)一步對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，得到最適預(yù)緊力載荷[11，12]、可允許的最大拉力載荷、薄弱位置及吊耳結(jié)構(gòu)的最終減重優(yōu)化模型；使用光敏樹脂材料[13，14]對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行3D打印；為驗(yàn)證模型的承載能力及仿真模型的有效性，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)模型施加最適預(yù)緊力，使用拉力機(jī)對(duì)模型進(jìn)行加載，直至發(fā)生破壞，從而驗(yàn)證優(yōu)化后吊耳結(jié)構(gòu)模型的實(shí)際承載能力及仿真模型的合理性。

2 設(shè)計(jì)要求

2.1 設(shè)計(jì)區(qū)域

圖1所示為某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)吊耳結(jié)構(gòu)包絡(luò)及其設(shè)計(jì)區(qū)域，其中，上吊耳結(jié)構(gòu)區(qū)域?yàn)椴豢稍O(shè)計(jì)區(qū)域，下吊耳結(jié)構(gòu)中的對(duì)接槽區(qū)域?yàn)椴豢稍O(shè)計(jì)區(qū)域，下吊耳結(jié)構(gòu)區(qū)域上4個(gè)連接孔的大小和位置不能改變；其他區(qū)域?yàn)檫B接底座工裝示意圖。優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域不得超出設(shè)計(jì)區(qū)域。

圖1 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)加載示意圖

b. 吊耳通過4個(gè)M20螺栓與工裝固定連接，工裝底部進(jìn)行約束。

3 有限元模型與材料屬性

為減少計(jì)算量，將吊耳、工裝等均切分后組體，方便網(wǎng)格劃分，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量并減少網(wǎng)格數(shù)量；使用尺寸控制網(wǎng)格劃分，對(duì)核心區(qū)域（如吊耳結(jié)構(gòu)）細(xì)化網(wǎng)格，對(duì)非核心區(qū)域粗網(wǎng)格控制；整個(gè)結(jié)構(gòu)單元數(shù)量為14萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為39萬，如圖3所示。

圖3 吊耳結(jié)構(gòu)有限元模型

a. 吊耳結(jié)構(gòu)主要部件材料屬性如表1所示。

表1 吊耳結(jié)構(gòu)主要部件材料屬性

b. 接觸設(shè)置：吊耳結(jié)構(gòu)與底座工裝、螺栓與彈墊、彈墊與平墊、平墊與吊耳結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)區(qū)域，通過設(shè)置綁定接觸模擬螺栓聯(lián)接。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 靜力分析

在對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化前需進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定吊耳結(jié)構(gòu)基本力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域。

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

從結(jié)果分析可得，吊耳最大等效應(yīng)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(gè)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(shè)計(jì)時(shí)，需避開該區(qū)域。

圖4 吊耳結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

4.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

4.2.1 條件設(shè)置

a. 設(shè)計(jì)區(qū)域：選擇圖5中結(jié)構(gòu)件為設(shè)計(jì)區(qū)域。其他區(qū)域?yàn)椴豢稍O(shè)計(jì)區(qū)域，其中包括設(shè)計(jì)要求中提到上吊耳、對(duì)接槽表面，考慮到加工及實(shí)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(shè)置為不可設(shè)計(jì)區(qū)域，如圖6所示。

圖5 設(shè)計(jì)區(qū)域

圖6 不可設(shè)計(jì)區(qū)域

b. 約束條件1：吊耳質(zhì)量范圍30%～80%；

c. 約束條件2：最大應(yīng)力為32MPa；

d. 3D打印制造尺寸約束：0.05mm。

4.2.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

求解完成后，進(jìn)行光滑處理，提取質(zhì)量比為50%的分析結(jié)果，見圖7。該模型為有限元模型，需通過模型修復(fù)對(duì)尖角、破損面等，可得吊耳最終幾何模型，如圖8所示。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化修復(fù)后幾何模型

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

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化靜力學(xué)分析結(jié)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(yù)緊力確定

由于螺栓預(yù)緊力無法在優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中直接加載，考慮到實(shí)際載荷工況，需對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行預(yù)緊力加載校核其強(qiáng)度，同時(shí)確定滿足實(shí)際要求的最適預(yù)緊力載荷。

螺栓連接為非核心設(shè)計(jì)區(qū)域，使用綁定接觸進(jìn)行螺栓嚙合模擬，對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)緊力加載，確定最適預(yù)緊力范圍，在該范圍內(nèi)，可有效保證吊耳結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，同時(shí)在拉力載荷作用下不發(fā)生松動(dòng)，預(yù)緊力載荷見圖10。

圖10 螺栓預(yù)緊力加載

對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)施加預(yù)緊力及拉力組合載荷，當(dāng)墊片在軸向位移量為正值時(shí)，表示螺栓已經(jīng)開始松動(dòng)，為負(fù)值時(shí)，表示螺栓未發(fā)生松動(dòng)，因此，在預(yù)緊力加載時(shí)，通過吊耳結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核，通過墊片位移進(jìn)行螺栓松動(dòng)判斷，具體結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)緊力加載結(jié)果

由表2可得：a.當(dāng)預(yù)緊力為5kN、拉力為4kN時(shí)，吊耳結(jié)構(gòu)連接處接近光敏樹脂的抗拉強(qiáng)度；b.當(dāng)預(yù)緊力為4kN、拉力為3kN時(shí)，墊片軸向位移趨向于正值，墊片有松動(dòng)的趨勢(shì)。

由上述可得，螺栓最適預(yù)緊力取4.5kN，對(duì)應(yīng)的扭矩[12]為18N·m，通過計(jì)算可承受不少于4kN載荷。

其中，圖11為6kN預(yù)緊力+2kN拉力載荷下吊耳的等效應(yīng)力，圖12為6kN預(yù)緊力+2kN拉力載荷下墊片等效軸向位移。

圖11 6kN預(yù)緊力+2kN拉力載荷下吊耳等效應(yīng)力

圖12 6kN預(yù)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(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行外協(xié)3D打印，吊耳結(jié)構(gòu)3D打印實(shí)物如圖13所示。

圖13 吊耳結(jié)構(gòu)3D打印模型

對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)連接螺栓均施加18N·m的螺栓扭矩，并使用拉力機(jī)（力-時(shí)間）均勻進(jìn)行載荷加載，直至吊耳機(jī)構(gòu)發(fā)生破壞，其中，拉力曲線如圖14所示，拉力實(shí)際加載如圖15a所示。

結(jié)合仿真結(jié)果可得：吊耳結(jié)構(gòu)在拉力為4.7kN的時(shí)候已經(jīng)呈現(xiàn)非線性變化，局部發(fā)生破壞；當(dāng)拉力達(dá)到5.8kN的時(shí)候拉力曲線消失，表示吊耳結(jié)構(gòu)已完全斷裂，如圖15b所示，表示在18N·m扭矩作用下，吊耳結(jié)構(gòu)模型可承受最大5.7kN的拉力載荷。

圖14 力-時(shí)間曲線

圖15 吊耳結(jié)構(gòu)拉力載荷加載

通過分析殘骸可知，吊耳結(jié)構(gòu)斷裂起始處與仿真結(jié)果一致，均在其連接處，同時(shí)吊耳結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈服時(shí)仿真拉力載荷（4kN）比實(shí)際加載拉力載荷偏?。?.6kN），分析其原因?yàn)閷?shí)際打印時(shí)吊耳連接處設(shè)置倒角，使其強(qiáng)度增加，同時(shí)與光敏樹脂在成型過程中的本構(gòu)特性有關(guān)，具體如下：

光敏樹脂拉伸破壞強(qiáng)度為27MPa，斷裂延伸率為8%，吊耳結(jié)構(gòu)在拉力載荷下首先發(fā)生塑性變形，達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，局部發(fā)生破壞，同時(shí)變形量呈現(xiàn)較大變化，隨著拉力的增大，變形量逐漸增大，當(dāng)變形量達(dá)到斷裂延伸率時(shí)，吊耳結(jié)構(gòu)發(fā)生完全斷裂。

7 結(jié)束語

利用有限元方法建立某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的有限元模型，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以減輕其重量，同時(shí)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行實(shí)物生產(chǎn)，并使用拉力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核及仿真模型驗(yàn)證。

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

b. 在對(duì)產(chǎn)品實(shí)際加載過程中每個(gè)螺栓施加扭矩為(18±1)N·m，吊耳結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)可承受4.6kN的拉力載荷，可滿足1.9kN設(shè)計(jì)要求，剩余安全系數(shù)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)；

d. 后續(xù)將對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化處理，包括上吊耳內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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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(jī)械工程專業(yè)；研究方向：導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析。

2021-05-26