直升机柔性梁的结构分析.doc

第二十四届（2008）全国直升机年会论文直升机柔性梁的结构分析谭 鹏（中国直升机设计研究所，景德镇，333001）摘 要：本文是对直升机的无轴承旋翼的柔性梁结构分析。直升机的旋翼设计愈来愈多地使用了通常称为“柔性梁”的可挠曲的结构件，主要是连接桨叶和桨毂的一个过渡件，其功能是实现桨叶和桨毂之间的挥舞、摆振和变距运动。柔性梁通常由纤维加强的树脂基体材料构成的柔性梁，根据受力情况分为五个连接区，分别是桨毂连接区、内侧过渡区、变距区、外侧过渡区以及桨叶连接区。引言柔性梁的设计通常涉及根据所选择的复合材料、纤维的取向、设计范围以及制造的约束条件对多个相互有关的设计准则进行反复的研究。这些相互相关的设计准则包括对柔性梁的下列要求:1.适应载荷和运动的预定范围1，例如150000牛顿的离心力，17800牛顿的推力，变距运动14度，挥舞运动5度等;2.保持轴向、弯曲、翘曲和扭转应力都在所选定材料的最大的静止和疲劳的应力/应变许可值以下;3.将输入的操纵载荷（即作用在变距操纵杆上或通过变距操纵杆的载荷）保持在允许水平内;4.刚度特性应避免谐振不稳定性;5.采用最小的设计范围;以及6.便于进行低成本制造。不言而喻，上述设计准则中的许多是互相矛盾的即不协调的，因此，必须进行反复的比较研究以使柔性梁最优化。1 装配关系图1 无轴承直升机旋翼的装配关系图 图1是无轴承直升机旋翼的装配关系图。柔性梁10置于桨毂与桨叶之间，并且两端用螺栓固定在一起。柔性梁由一个袖套所包住，该袖套来实现柔性梁/桨叶的变距运动。此外，袖套通过一个支撑轴承安装在袖套内，并实现和传递变距、挥舞和摆振运动。2 结构划分为了适应各种载荷和运动，柔性梁被分隔成各种区，其中每个区用来完成一项主要功能。根据这些主要功能，柔性梁被分成5个的区，即包括桨毂连接区、内侧过渡区、变距区、外侧过渡区以及桨叶连接区，具体分区如图2a和2b所示。由于内侧过渡区和变距区，与其他区相比，受载荷更大并且操纵更费力，因此柔性梁该区域的设计也更关键。图2a 柔性粱俯视图结构划分图2a 柔性粱侧俯视图结构划分2.1桨毂连接区（HAR）桨毂连接区通常有加厚的矩形截面，该型面固定在桨毂中央件的上和下板之间.在功能上，桨毂连接区主要传递作用在柔性梁上的离心载荷和弯曲力矩载荷，由于桨毂连接区牢固地固定在桨毂固定件上，弯曲运动就是一个次要的设计要求，该连接区可以当成一个刚体设计。2.2 内侧过渡区 (ITR)内侧过渡区，也叫弯曲区，主要承受挥舞和弯曲力矩载荷，并实现在桨毂连接区与变距区之间的宽度和厚度的过渡。关于后者，通常希望这种宽度和厚度过渡在一个比较短的翼展长度上实现，以便使柔性梁的总长度减至最小，并且使变距区的有效长度最大。此外，通常希望水平铰偏移量尽可能小，该铰偏移量的减小可使作用在桨毂连接区/桨毂中央件上的桨毂力矩减小，这通常可以通过使内侧过渡区的宽度和厚度减至最小，以便软化柔性梁，并由此将水平铰偏移量移到最内侧位置的方法来实现。对这些目标的限制涉及沿着柔性梁的自由边缘上的较大的应力集中，例如，层间剪应力，该应力集中很容易导致柔性梁的分层和裂开.2.3 变距区 (PR)变距区主要来适应桨叶的必需的变距运动，使实现变距操纵所需要的操纵载荷减至最小，提供必需的弯曲稳定性以及限定柔性梁/桨叶的摆振频率。一般来说，对于尾桨应用场合，变距区必须能适应通过袖套所施加的约14度至18度的变距运动。变距区受扭转时的操纵载荷减至最小，此外，变距区必须具有必需的刚度，以便承受住由气动阻力/或哥氏力所造成的平面内的稳定的和振动的弯曲力矩。除载荷和运动要求外，变距区应满足柔性梁的一阶摆振频率特性。例如，在尾桨应用中，最好使实现约1.7赫兹的一阶摆振频率，这样避免在旋翼桨叶/柔性梁组件的共振频率下载荷增大，一般需要实现介于对应于一阶、二阶和三阶等的共振频率之间的一阶摆振频率，以便避免因增大载荷导致的共振.虽然介于二阶和三阶之间的摆振频率满足了上面的要求，但是，动态特性还需要较高的刚度值，并且因此会产生较高的操纵载荷。变距区包括一个单向玻璃纤维材料层压芯板，和粘接到由该层压芯板限定的配合面上的单向碳纤维材料层压面板，层压芯板形成侧向表面，该侧向表面则限定了变距区宽度尺寸，而层压面板形成面板表面，限定了变距区厚度尺寸。宽度和厚度尺寸形成一个大于或等于1:10的长宽比。此外，层压芯板和层压面板形成了一个具有倒角边缘表面的倒角边缘构形，其中每个倒角边缘表面相对于变距区的挥舞方向弯曲中性轴线形成一个临界锐角，并且形成一个设置成与挥舞方向弯曲中性轴线有一定垂直距离的侧向边缘。临界锐角最好介于约14度至约22度之间，并且垂直距离最好是变距区厚度尺寸的约12.5%至约37.5%。因为变距区是柔性梁的关键部位，下面举例进行详细说明2：假设某一尾桨柔性梁的载荷如下：a) 离心力：150000牛；b) 挥舞刚度：4293牛米；c) 摆振刚度：2373牛米；d) 挥舞角度：5度；e) 变距范围：18度；f) 变距操纵载荷：890牛；g) 桨毂力矩：97106牛米影响柔性梁的构型的其他变量包括材料及其机械性能的选定，例如纤维增强材料的弹性模量及其纤维取向，树脂基体的剪切模量，以及复合材料的应力和应变等。柔性梁由纤维增强的树脂基体材料构成，其中该纤维加强件包括碳和玻璃纤维两种，并且其中该树脂基体是一种韧化的环氧树脂基体。变距区在于沿长度方向基本上是一个不变的截面形状。变距区包括一个单向玻璃纤维材料的芯部层压板和粘接在由芯部层压板限定的上和下配合面上的单向材料的表面层压板。变距区的长宽比最好取大于或等于1:10的比例，最佳比例约在1：1020的范围内。对于上述实施例，该长宽比约为1：16.2。玻璃纤维在变距区中的百分比最好介于全部材料的约50%一70%范围之间，最佳是介于全部材料的约50%一60%范围之间。对于具有介于1：1020之间的长宽比的矩形横截面来说，最大的平面内剪应力和最大的层内剪应力(平面外侧)之间的关系.(/L)GT （1）0.73 （2）式中：表示A点处产生的最大内剪切应力； ：变距角； L：挥舞区的长度；G：层压板的剪切模量；T：层压板的总厚度；：是最大面内剪应力；：是最大层间剪应力。图3 面内剪应力分析图在图3中，变距区通过将变距区的边缘倒角的方式提供了一种层间剪应力的方案，使得对于给定的长宽比和最大的面内剪应力来说，每个倒角的边缘表面与挥舞方向的弯曲轴线形成一个临界锐角，并且使得每个倒角边缘表面的侧向边缘设计成与挥舞方向弯曲中性轴相距X。最佳临界锐角在16至20度范围内。此外，垂直距离最好在变距区厚度尺寸T的1/8至3/8范围内3。2.4 外侧过渡区(OTR)外侧过渡区主要用来承受拉力，即由于离心载荷引起的拉力，与内侧柔性梁区比较，它们承受的载荷较小。因此，在内侧过渡区和变距区主要负责适应柔性梁/桨叶的挥舞、摆振和变距运动，外侧过渡区也用来实现在变距区与桨叶连接区之间的宽度和厚度的过渡，但是由于所受的应力较小，即约为内侧过渡区应力水平的1/3，这种宽度和厚度过渡可以比长度较短，而且不会引起较大的层间的剪切应力。2.5 桨叶连接区(BAR) 桨叶连接区可把柔性梁固定在桨叶上，并且也固定在袖套根部，就功能上说，桨叶连接区主要用来反抗离心载荷和把力矩传递给桨叶。由于弯曲力矩较小，桨叶连接区所受到的载荷与复合柔性梁上的其他区域相比也比较小。关于该区的复合结构，宽度和厚度基本与桨毂连接区的特征相同.结论通过对柔性梁的结构分析，在划分成不同的五个分区后，就能清楚地分析柔性梁的受力情况，减少了复合材料柔性梁容易分层等缺陷，同时我们也知道：使用有柔性梁的旋翼重量一般是常规旋翼重量的60%左右，这大大提高了直升机的商载，也降低了维护成本。参 考 文 献1H.Bansemir,R.mullerTheEC135-AppliedAdvancedTechnologyECD-0067-97-PUB, 1997. 2H.Barnerssoi,A.V.Panajott,K.Pfeifer,R.vorwergEC135STRUCTURALTESTING ECD-0076-97-PUB. 19973 Brahmananda Panda,Evhen Mychalowycz Aeroelastic Stability Wind Tunnel Testing With Analytical Correlation of the Comanche Bearingless Main Rotor Boeing Defense & Space Group,Helicopters Division Philadelphia,Pennsylvania. 1996.The analysis about the configuration of helicopter flexbeamTan Peng(China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen,333001)Abstract: Helicopter rotor designs are increasingly utilizing a flex-ible structural member, commonly termed a Hexbeam or flexbeam connector, for retention of a helicopter rotor blade to a torque drive hub member. Basic operational constraints of rotary wing flight impose substantial functional complexity upon the rotor flexbeam necessitated by the need to accurately control the multi-directional displacement of the rotor blades, i.e., flapwise and edgewise bending, and torsional or pitch change motions. As such, these configurations are termed Bearingless Rotors inasmuch as they replace antiquated bearing element rotors which accommodate motion by hinge or journal type bearings at the rotor blade root end.