直升機柔性梁扭轉承載力研究

聶海民 孫云偉 宋云

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

無軸承式旋翼因其良好的操縱性、優異的可靠性等優勢逐步受到直升機領域專家學者的青睞[1]，如圖1所示，西科斯基某型號的旋翼結構就采用該構型，該結構主要通過柔性梁的扭轉變形實現槳葉的變距運動，而柔性梁的彎曲變形則可以實現槳葉的揮舞運動[2-3]。

圖1 西科斯基某型號旋翼結構示意圖

在旋轉離心力下，柔性梁應擁有足夠的強度，在此基礎上，為實現槳葉的變距運動，柔性梁須保證良好的扭轉承載力，這就對柔性梁結構強度提出了更高的要求。因此，研究柔性梁在恒定離心力下，扭矩對其承載力的影響是十分必要的。

1.柔性梁扭轉強度試驗

以直升機簡化后的扭轉柔性梁為研究對象，扭轉柔性梁可劃分為5部分：根部連接區、根部過渡區、扭轉變形區、槳葉過渡區以及槳葉連接區。在根部過渡區、扭轉變形區和槳葉過渡區上下表面中間區域設置寬10mm、高12mm的加強筋，柔性梁結構形式及尺寸如圖2所示。整個柔性梁結構由復合材料組成，其材料參數見表1。表1中：Rm表示平均斷裂極限；Rm-kq表示安全斷裂極限。

表1 柔性梁材料參數表

圖2 扭轉柔性梁結構形式及尺寸示意圖

該柔性梁在真機狀態下承受離心力和扭矩，其破壞是由扭矩引起的，需要進一步研究柔性梁在恒定離心力下扭矩對其承載力的影響。為模擬該柔性梁真實裝機狀態，設計一套專用試驗臺，將柔性梁根部連接區端部固定在試驗臺上，在柔性梁槳葉連接區端部施加50000N恒定離心力，通過軸承在柔性梁槳葉連接區端部施加扭矩，研究扭矩對柔性梁承載力的影響，加載裝置如圖3所示。

圖3 柔性梁扭轉試驗加載示意圖

2.柔性梁扭轉數值模擬

柔性梁為復合材料構件，當柔性梁產生局部損傷，還能繼續承載，進一步承載后，柔性梁結構損傷逐漸累積并擴展直至柔性梁完全破壞，喪失承載力。基于此特性，應用漸進失效理論[4]，該理論核心思想為：柔性梁結構承載發生局部失效時對該區域剛度進行折減，從而改變整個柔性梁結構內部應力場分布，達到新的平衡狀態。載荷逐漸加大，柔性梁結構局部損傷逐步累積擴展，重復計算柔性梁結構內部應力、應變，直至柔性梁結構完全破壞，其分析流程如圖4所示。

圖4 漸進失效分析流程

應用漸進失效理論，其關鍵問題在于：如何準確判斷柔性梁結構單元是否發生失效。本文采用Shokrieh-Hashin準則作為復合材料柔性梁結構單元的失效判據[5]，該準則的優點在于：能準確判斷復合材料構件的具體失效模式，進而可以根據構件不同的失效模式，對失效區域單元剛度進行針對性的退化折減，該準則失效判據如表2所示。

表2 Shokrieh-Hashin準則失效判據

在ABAQUS軟件中，對柔性梁根部連接區端部2個螺栓孔區域施加固定約束，將50000N的離心力均布在柔性梁槳葉連接區端部中心區域截面上，在柔性梁槳葉連接區端部外側中心建立參考點，將參考點與該截面的節點進行耦合，在參考點施加扭矩。柔性梁結構模型采用C3D8R單元，其網格劃分如圖5所示。

圖5 柔性梁網格劃分示意圖

3.扭矩轉角曲線對比

柔性梁扭轉試驗件最終破壞后喪失承載能力，無法進一步采集試驗數據，故最終采集的扭矩值即可表征該試驗件的極限扭矩值。采用ABAQUS軟件模擬該柔性梁扭轉失效行為，施加的扭矩一旦達到某一臨界值，扭矩迅速下降，結構喪失承載力，此臨界值即為柔性梁結構極限扭矩值。將試驗數據及ABAQUS仿真結果繪制成圖6所示的扭矩轉角曲線。

圖6 柔性梁扭矩轉角曲線

由圖6可知，試驗中測得的柔性梁扭轉試驗件的極限扭矩值為178.56N·m，而ABAQUS仿真得到的該結構極限扭矩值為172.89N·m，誤差為3.2%，二者相差不大，且兩條扭矩轉角曲線基本吻合。因此，采用該模擬方法能較為準確地模擬柔性梁在恒定離心力下的扭轉失效行為。

4.加強筋對柔性梁扭轉承載力的影響

4.1 是否存在加強筋對柔性梁扭轉承載力的影響

為研究加強筋對柔性梁扭轉承載力的影響，取消柔性梁根部過渡區、扭轉變形區和槳葉過渡區上下表面中間區域的加強筋，其他參數保持不變。對柔性梁結構施加相同的約束和載荷，將仿真結果繪制成如圖7所示的扭矩轉角曲線。

如圖7所示，不設置加強筋柔性梁結構的極限扭矩值為146.53N·m，設置加強筋柔性梁結構的極限扭矩值為172.89N·m，相對于不含加強筋的柔性梁，含有加強筋的柔性梁扭轉承載力提升17.99%。因此，對于主要承受扭轉載荷的柔性梁應該在其根部過渡區、扭轉變形區和槳葉過渡區上下表面中間區域設置加強筋。

圖7 柔性梁扭矩轉角曲線

4.2 不同類型加強筋對柔性梁扭轉承載力的影響

由上節可知，在柔性梁根部過渡區、扭轉變形區和槳葉過渡區上下表面中間區域設置加強筋可以提高柔性梁的扭轉承載力。由于加強筋結構形式多變且復合材料本構關系復雜，使得加強筋結構發生輕微變化都有可能影響整個柔性梁結構扭轉承載力。目前，較為常見的加強筋剖面型式有：T型、帽型、I型和J型[6]，如圖8所示。本節探討在保證加強筋截面極慣性矩保持不變的前提下，加強筋選取不同剖面類型對柔性梁扭轉承載力的影響。

圖8 4種剖面型式加強筋示意圖

對這4種類型加強筋柔性梁施加相同的約束和載荷，對柔性梁根部連接區端部2個螺栓孔區域施加固定約束，將50000N的離心力均布在柔性梁槳葉連接區端部中心區域截面上，在柔性梁槳葉連接區端部外側中心建立參考點，將參考點與該截面的節點進行耦合，在參考點施加扭矩。將仿真得到的結果繪制成如圖9所示的扭矩轉角曲線。

如圖9所示，T型加強筋柔性梁結構的極限扭矩值為172.89N·m，帽型加強筋柔性梁結構的極限扭矩值為179.65 N·m，I型加強筋柔性梁結構的極限扭矩值為171.28N·m，J型加強筋柔性梁結構的極限扭矩值為169.74N·m。4種剖面型式加強筋柔性梁結構的極限扭矩值從大到小依次為：帽型、T型、I型、J型。

圖9 柔性梁扭矩轉角曲線

4.3 帽型加強筋傾角對柔性梁扭轉承載力的影響

由上節可知，帽型加強筋柔性梁結構擁有更好的扭轉承載力，故柔性梁結構加強筋的剖面型式應該選取為帽型，而不同的帽型加強筋傾角也有可能改變整個柔性梁結構的扭轉承載力，本節研究帽型加強筋傾角對柔性梁扭轉承載力的影響。在保證帽型加強筋截面極慣性矩不變的前提下，其傾角分別取為 15°、30°、45°、60°、75°、90°，對這6種不同傾角帽型加強筋柔性梁結構施加相同的約束和載荷，將仿真得到的6種不同傾角帽型加強筋柔性梁結構扭矩轉角數據繪制成如圖10所示的扭矩轉角曲線。

圖10 柔性梁扭矩轉角曲線

由圖10可知，在保證帽型加強筋截面極慣性矩不變的前提下，其傾角取為60°，柔性梁結構的極限扭矩值最大，其扭轉承載力最好。

5.結語

實現槳葉變距運動的扭轉柔性梁是無軸承式旋翼的重要組成部分，本文以扭轉柔性梁為研究對象，采用ABAQUS軟件，應用漸進失效理論，研究柔性梁在恒定離心力下的扭轉承載力，并將仿真得到的結果與試驗數據進行對比，驗證模擬方法的正確性。進而研究是否含有加強筋、加強筋的類型、加強筋的傾角對柔性梁扭轉承載力的影響。基于以上研究得出如下結論：

（1）基于ABAQUS軟件，應用漸進失效理論，采用Shokrieh-Hashin準則能較為準確地模擬柔性梁在恒定離心力下的扭轉失效行為。

（2）相對于不含加強筋的柔性梁，含有加強筋的柔性梁扭轉承載力提升17.99%。

（3）在保證加強筋截面極慣性矩不變的前提下，相較于T型、I型、J型加強筋，帽型加強筋柔性梁扭轉承載力更高。

（4）在保證加強筋截面極慣性矩不變的前提下，帽型加強筋的傾角為60°時，柔性梁的扭轉承載力最高。