一、 背景
人们常将航空工业比作为现代工业的“皇冠”，而航空发动机则被比作为现代工业“皇冠上的明珠”。航空发动机（Aero-engine），作为飞机的心脏，其制造及应用通常被评判为一个国家军事装备水平、科技工业实力及综合国力的重要标志之一。目前，国内航空发动机从无到有，进步迅速，但独立研制高性能的航空发动机仍就有较大困难。其中国军标老旧，限制了航空发动机等军工产品的产量，故而国军标汲取新设计进而完善，高效提升军工产量刻不容缓。
航空发动机包装箱的国军标主要集中于《GJB 1360-92 航空发动机包装箱设计》和《GJB 835-90 航空发动机包装箱通用规范》中，其应用已将近有三十多年，本文结合当下新型设计研究，对航空发动机包装箱的材料及箱体中的减震结构提出些许建议思考。
二、 航空发动机包装箱新材料思考
2.1 航空发动机包装箱现状
航空发动机作为飞机上的动力装置，其工作环境，其大小，其精密程度，注定了它在飞机上扮演了一个极其重要的角色。一般情况下，发动机价值便高达整个飞机的20-30%，飞机机型越小，其价值所占比例也就越高。航空发动机生命周期包括了研发、制造、飞行、维护，到最后的报废。而在航空发动机存储运输的过程中，发动机包装箱的重要性不言而喻。根据GJB 1360-92 航空发动机包装箱设计可知，发动机包装箱材料多选用木板、铝合金和钢等，多年未变。
航空发动机包装箱主要分为两大类。Ⅰ型箱为正方体，航空发动机装于包装箱底座上并加以固定，有一箱盖对其进行密封。Ⅱ型箱状如锅炉，由一个半圆箱盖和一个半圆箱身组成【1】。内部也拥有可供发动机支撑的支架，箱盖箱身结合处有一橡胶垫确保密封性，焊接处要求光滑。为保障发动机的包装、运输、存储，包装箱内安放发动机后，应满足在内外压差0.043MPa下各设计使用温度下和在内外压差0.052MPa试验压力下，包装箱都不发生损坏。压力与温度对照表下表2-1。航空发动机包装箱具备良好的密封性，可充氮对发动机进行封存。包装箱尺寸在尽量小的同时，航空发动机与包装箱之间应留有一定的安全间隙，减少磕碰。航空发动机包装箱的尽量轻的同时还应满足
其使用性能要求和安全要求。另外，包装箱应配置文件存放匣，存放发动机详情及设计说明等，方便查阅；包装箱还应设置有充充气阀、放气阀、安全阀、观察窗、遮挡盖板等特征，其中观察窗可免开箱情况下有效观察箱内密封情况以便做出及时处理；充气放气阀可向箱内进行充气或更换干燥空气。同时，包装箱既是外包装箱也是运输箱，故而结构还应便于运输，且适应存储环境多样，能够做到防潮、防水、防火，为满足特殊时期特殊情况，还应当能买入土中而不受影响。
复合材料作为当下时代主题，从不缺乏对各方面事物的应用研究，而对包装箱的研究，国内外都取得了些许进展，虽然复合材料更多是用于对一些小型零部件的存储和包装，但也表明了其在航空发动机整机包装上的一定可行性。对于航空发动机包装箱，在满足性能要求的基础上，应尽量减轻发动机包装箱自重。另外，包装箱应配置文件匣、充放气阀、安全阀、观察窗、遮挡盖板等特征。GJB中还要求制箱材料应具有良好的理化性能，具有良好的抗虫蛀、日晒、雨淋、寒冻能力和防腐蚀、防老化性能，无腐蚀气体挥发，不污染环境，不影响人身健康，工艺性好，易于加工，着色力强，易于喷涂等要求。
2.2 玻璃钢
玻璃钢（FRP，Fiber Reinforced Plastics）又称GFRP，即纤维强化塑料，学名纤维增强塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体，以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称为玻璃钢或纤维增强塑料，不同于钢化玻璃。玻璃钢由于其所使用的树脂品种不同，故而有酚醛玻璃钢、环氧玻璃钢、聚酯玻璃钢等不同种类。同其他复合材料一样复合材料，玻璃钢的力学性能也具有明显的方向性，而这便是玻璃钢与金属材料的不同。金属材料则是不论在任何方向，强度和弹性模量几何完全相同。而对于木材或者玻璃钢这样的复合材料，沿纤维方向的强度和模量远比垂直于纤维方向上的强度和模量要高得多。像金属那样强度不随方向的变化而变化的材料被称之为各向同性材料，而像木材、玻璃钢等，它们的强度随着方向的不同而变化，称它们是各向异性材料。玻璃钢等人造的复合材料还可以人为地变化纤维方向和数量来达到某种特定的强度要求，这是金属所不能相比的。
玻璃钢是近五十多年迅速崛起的一种复合材料，而从每年玻璃纤维产量百分之七十都是用来制造玻璃钢这一点便不难看出其重要性。玻璃钢不仅比强度可以与高级合金钢相比，而且拉伸强度接近甚至超过碳素钢，但其重量要比钢材轻得多，密度只有碳钢的四分之一甚至五分之一。某些环氧FRP的弯曲、拉伸和压缩强度甚至均能达到400Mpa以上，故而在高压轻质容器的应用中，效果更是卓越。玻璃钢是一种耐腐材料，对酸碱盐及油性环境具有很好的抵抗性，远比一些木材、有色金属出色，同时它亦是一种绝缘绝热材料，有良好的介电性，是理想的热防护和耐烧蚀材料，在雷达天线罩上亦有应用。玻璃钢弹性模量低易变形，让其可设计性好，工艺性优良，适应范围更是非常广泛，它的市场开发前景更是十分广阔，据有关统计资料，目前世界各国开发的玻璃钢产品的种类已达4万种左右。虽然各国均根据本国的经济发展情况，开发的方向各有侧重，但基本上均已涉及到各个工业部门，如建筑、化学化工、汽车及铁路交通运输、电气及通讯工程等行业。
用玻璃钢制造航空发动机包装箱,解决了露天置放、防晒、抗腐蚀问题，结束了过去使用大量包装木箱的历史。强度提高一倍,重量更是原包装木箱的1/3，成本也降低50%，适用于航空发动机及其他军事装备及民用设备的包装【2】。
2.3 包装箱有限元分析
目前发动机包装箱材料多选用木板、铝合金和钢，其中木板所制作的包装箱不仅其防潮效果差,使用寿命也短；钢类金属包装箱不仅笨重，运输不便，且易锈蚀，不易长时间存储；铝合金的包装箱虽然大幅减轻重量，但其不耐盐雾难以避免，不易长久存储，且造价相对昂贵。在复合材料飞速进步的当下，复合材料已经深入生活方方面面，飞机上更是不可或缺，其轻质、高强、耐腐蚀、耐盐雾、防腐蚀等优点让其成为可替代传统包装箱的一种优秀选择。通过对比并考虑其实用性，最终选用玻璃钢作为包装箱材料。
参考文献【3】得航空发动机包装箱二维图及其尺寸，其中长为5400mm，宽1850mm，高1800mm，箱身高550mm。
航空发动机包装箱简单包括箱体、箱盖、框架、蒙皮、观察孔、支撑架、加强孔等特征， 最终用UX10.0模型板块构建的三维模型如下图：
图2-5 包装箱三维模型
图2-3
图2-4
箱体内有八个平面作为支撑，分担发动机重量，如下图：
图 2-6 包装箱截面
将模型转为IGES格式，导入Nastran，得下图：
图 2-6 包装箱导入模型
Nastran网格划分如下图：
图 2-7 包装箱网格划分
对包装箱进行材料赋予，其中材料属性如下表：
表 2-2 玻璃钢力学性能
对航空发动机包装箱赋予载荷，发动机2t情况下，箱体内部每个支撑面上分布2500N的力，箱体内部模拟压强0.052MPa，将支撑脚固定，得到情况如下图
航空发动机包装箱有限元计算结果如下。
图 2-8 箱体受力情况
图 2-7 箱体变形情况（最大9.76mm)
图 2-9 最大应变
根据以上有限元结果得出以下结果：
a) 包装箱箱体最大变形在箱体内部支撑面处，约为9.76mm。
b) 箱体最大应变位于支撑脚根部。
综合以上分析计算结果，在参照相关标准，可对航空发动机包装箱支撑脚、体于支撑脚接触处和箱体内部承重部件选取高强度材料或采取加强措施既可解决问题，以达到满足作为航空发动机包装箱得使用要求。
三、包装箱减震优化
3.1包装箱内部减震
航空发动机包装箱虽然只是航空产业的附属产品，但他不仅是优秀的存储箱，更是航空发动机必不可少的运输载体。引入航空发动机包装箱减震技术，是避免发动机转子承力系统因为运输振动而发生故障的主要途径，是国外航空公司多年来普遍采用的方法。然而在国内，航空发动机包装箱减震技术研究应用亟待推广。
整体布局为，航空发动机放置在托架上，在托架下方均匀放置减震装置，而减震装置固定于箱底的底座上方，最终总体结构【4】如图所示。
图 3-1 减震包装箱总体设计简图
此发动机包装箱采用了二级减震措施。由两种减震器构成。一种是金属橡胶减震器，有上下左右前后6个方向的减震功能。一种是钢丝绳减震器，也有上下前后左右6个自由度约束，不仅减震性能良好，安全性也很高。最终，综合两款减震器的优点，确定在每个钢丝绳减震器下方配置一个金属橡胶减震器组成一组减震装置，作为减震包装箱的二级减震装置。分析发动机的总体结构发现，中介机匣外部两侧支点和喷管前部两侧的吊点可作为发动机的安装点。因此，选择这两处作为支点，将发动机支撑固定在悬浮托架上。
托架采用方钢焊接结构，方钢的具体型号根据所装载发动机需要达到的各项力学性能要求来选型。然后通过缩短托架上支撑发动机的支点立柱长度来实现降低发动机的质心；降低托架的质心，是通过选择合适的托架结构来实现的。经过分析，托盘型托架结构既可以最大限度的降低托架质心，并且结构紧凑，适合安装减震装置，因此将托架结构设计为托盘形状，具体结构如图所示。
由于发动机前后长度较长，质量较重，计算分析认为选配8组减震装置(4对）比较合理。将8组减震装置成对分布在托架和箱底间，形成发动机和托架作为一个整体悬浮在4对减震装置上的状态。该包装箱选用的是具有两组相互成“八”字型倾斜缠绕的特殊材质钢丝绳制成的钢丝绳减震器。为了增强减震装置的减震功能，同时为了利用空间，降低托架的质心，将分列在发动机两侧的4对钢丝绳减震器分别向内侧倾斜45度，这样不但在六个方向同时对发动机具有减震作用，又增强了减震装置的承力能力。
图 3-2 托架结构及减震器布局
根据发动机和托架的总质量和质心位置，按选配8组减震装置来对减震器进行选型，要求每个减震器的额定承力范围大于发动机和托架总质量的1/8，以保证既承载可靠又能发挥出最佳的减震性能。此外考虑公路运输随机振动量级和抗冲击能力，对整个承力系统进行固有频率校核。
经过市场调研，选配合适的钢丝绳减震器和金属橡胶减震器型号。根据发动机包装箱使用技术要求、发动机和托架质量、质心参数以及减震包装箱的实际需要，厂家专门定做了钢丝绳减震器。
图 3-3 钢丝绳减震器结构样图
图 3-4 金属橡胶减震器结构样图
金属橡胶减震器选择比钢丝绳减震器额定负载高一级别的型号（见图3-3)。钢丝绳减震器与金属橡胶减震器共同构成减震装置，其具体结构如图3-5所示。
图 3-5 减震装置结构图
3.2包装箱减震实验对比
为考核新型航空发动机减震包装箱在实际运输条件下承受振动和冲击的能力,按照实际运输状态装载真正的发动机，选定真实的运输路面后，进行了新型减震包装箱和传统包装箱的公路运输对比试验，对实际运输状态进行模拟，涵盖了市内普通路面运输和高速公路运输两种路况。
确保相同车速，相同路况下，车速分别为25~40km/h、70km/h、80km/h振动对比如下：
图 3-6 车速为25～40km/h包装箱振动数据对比
图 3-7午速为70km/h的包装箱振动数据对比
图 3-8车速为80km/h的包装箱振动数据对比
以上试验数据说明:
a) 在三种路况下，新包装箱受到的冲击值均大于旧包装箱。
b) 在相同车速相同路况下比较，新包装箱减振效果比旧包装箱好。
四、总结和展望
玻璃钢包装箱强度校核及有限元分析结果显示航空发动机玻璃钢包装箱通过局部加强可满足航空发动机的包装、储存、运输要求，而玻璃钢航空发动机包装箱的重量明显比金属材质的包装箱要轻得多，重量基本与铝合金包装箱相当，成本也只达到铝合金包装箱的一半，相对于木制包装箱，密封性的更好。
由于复合材料拥有优于其他材质的综合性能，在对防潮、防湿、重量、耐腐蚀性要求较高的航天、航空、精密仪器、武器装备等特种设备的包装、储存、转运领域将得到更为广泛的应用，对降低这些特种设备的包装运输成本，增强特种设备的应急响应能力等各个方面产生积极的影响。
虽然现在复合材料包装箱相对于传统材质的包装箱并不具备价格优势,但是随着复合材料的发展，重量更轻、价格更便宜、强度更高、耐腐蚀性更好的复合材料会被不断的研发出来，在综合性价比方面，复合材料包装箱相对于传统材料包装箱会更加具有优势，必将得到更加广泛的应用，甚至替代传统材料的地位，变成产品包装的主流材料。
公路运输对比试验数据说明,新型航空发动机减震包装箱无论在高速公路还是在市内路面运输，相对于传统包装箱都有较强的减震功能，实现了预期设计。
上文所示新型航空发动机减震包装箱通过了相关的鉴定试验，减震效果显著,表明产品成功研制，打破了国内航空发动机几十年一贯的传统包装运输形式，改变了人为保障发动机运输质量的历史，标志着又一种具有广阔市场推广前景的航空产品的诞生。
参考文献
[1]孙树凯. 航空发动机玻璃钢包装箱强度校核及有限元分析研究[D].华北电力大学,2016.
[2]崔峰,齐晓松. 一种航空发动机减震包装箱的开发设计[A]. 中国机械工程学会、中国航空学会、广东省科学技术协会.第三届民用飞机先进制造技术及装备论坛论文汇编[C].中国机械工程学会、中国航空学会、广东省科学技术协会:中国航空学会,2011:8.
[3], 玻璃钢在航空发动机包装箱上的应用. 陕西省,解放军第五七0二工厂,2001-01-01.
[4]陈聪儒.发动机的金属容器包装[J].包装工程,1988(02):48-49.