复合材料在无人直升机旋翼桨叶上的应用

ApplicationofCompositesinRotorBladeofUnmannedHelicopter 总参谋部六十研究所 南京航空航天大学航空宇航学院 姜年朝 高级工程师．南京航空航天大学博 士后．江苏省第四期中青年科学技术带 头人、南京市第九批中青年行业技术学 科带头人。主要从事无人机强度、可靠 性以殛无人直升机复合材料旋翼桨叶设 计工作。获军队科技进步二等奖1项、 三等奖3项．发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 30多篇。主编著 作一部。申请专利4项。 54航空制造技术·2012年笨19期 姜年朝张逊戴勇张志清 周光明周储伟 本文介绍了无人直升机复合材料旋翼桨叶动力学 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方 法。通过编制复合材料桨叶制作的工艺流程，列出一些后处理要 点。分析了无人直升机复合材料桨叶固化变形原因，从而为无人 直升机设计、生产单位提供借鉴。 旋翼是直升机的关键部件⋯，其 不仅是直升机的升力面，也是直升机 的操纵面”l。在直升机领域，流传着 一句话．“一代旋翼，一代直升机”。 因此．直升机技术的进步总是伴随着 旋翼技术的进步。早期的直升机旋 翼桨叶是由金属(甚至航空木材)设 计、加工而成。由于复合材料具有高 的比强度、比刚度以及可设计等诸多 特点．现代直升机的旋翼桨叶都普 遍采用复合材料进行设计和制作”l。 复合材料旋翼桨叶的最大优点是其 疲劳寿命长，且可以根据动力学要求 进行有效的裁剪设计，这正好符合直 升机旋翼桨叶的设计要求，因此，现 代直升机广泛采用复合材料桨叶”。 可以说，复合材料旋翼桨叶性能的好 坏是体现直升机性能水平高低的重 要标志。 直升机复合材料旋翼桨叶技术 是在20世纪70年代开始进入型号 应用并逐渐趋向成熟的”l。国内通 过近20多年在中、小型有人直升机 复合材料桨叶设计制造方面经验的 积累，旋翼桨叶设计、制造水平得到 了很大的提高12-3]。在无人直升机 旋翼桨叶研制方面，总参60所经历 了3种型号的无人直升机复合材料 万方数据 旋翼桨叶的研制过程，具有一定的实 际经验。本文总结该所无人直升机 复合材料旋翼桨叶研制过程，介绍了 无人直升机复合材料旋翼桨叶动力 学设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。通过编制复合材料桨叶 制作的工艺流程，列出一些后处理要 点．分析了无人直升机复合材料桨11f‘ 固化变形原因．从而为无人直升机设 汁、生产单位提供借鉴， 无人直升机复合材料旋翼 桨叶的设计、制作 1复合材料旋翼桨叶设计 桨叶的设计要求为满足直升机 战术技术性能指标对旋翼系统提出 的使用环境、性能、操稳、响应、强度、 寿命和可靠性等方面的要求。因此， 桨叶首先应具有良好的气动性能，以 保证有较好的飞行品质和机动性能， 其次桨叶还应具备良好的动力特性 和稳定性”I：对无人直升机复合材 料旋翼桨叶来说，气动性能由总体布 局确定靠模具保证，而动力学特性则 可以根据所选材料自身可设计、可裁 剪以及材料性能各向异性的特点，优 化桨叶布局．合理设计重量及重量分 布．以最佳的结构布局满足浆叶强 度、刚度等方面的要求”l。 与金属桨叶一样，强度设计是桨 叶设计必须考虑的前提之一复合 材料没有明显的屈服强度，其许用应 力值按不同的置信度取％，，在计算 时要综合考虑材料种类和铺层斤向 的不同对许用应力值的影响。罔外 的经验是：对于±45。铺层，其许用 应力值须乘以0．8．而对o／90。铺层， 则系数为O7：对某型无人直升机复 图1桨叶三维有限元模型 合材料旋翼桨叶．存ANSYS 软件中用APDL语言建立复 合材料旋翼桨叶兰维有限元 模型(图1)，考虑r气动力 和惯性力对复合材料桨叶强 度的影响，对桨叶结构进行 强度分析，结果如图2和图3 所示通过分析桨叶的变形 和应力【刳，可以看出，桨叶在 桨根应力最大，这是因为桨 叶根部截面面积比桨叶其它 部位要小，虽然桨根离心力 比较小，但离心力引起的平 均应力却是最大；而且在桨 根处由于和桨毂连接，会引 起传力路线转折、刚度突变 等应力集中源，所以此处为 危险剖面处，设计时要特别 注意。对复合材料桨叶，主 要采用大梁带缠绕技术，来 避免纤维巾断的危险。 桨毂通过桨叶安装螺钢 与衬套连接，衬套预先埋在 桨叶根部与桨叶固化成型。 旋翼离心力由衬套通过缠绕 在其上的大梁带承担，衬套 材料为30CrMnSiA。计算时 考虑极限状况．考核全部载 荷作用于讨套上的应力情况 (图4)， 衬套安全系数： 。：!!!!：5>1，满足“ 233．872 ’。’7‘～ 设计要求。 圈2桨叶变形图 图3桨叶VonMise云图 l 为r避免发生共振，在 设计阶段就要对旋翼桨叶进行动力 分析，正确地确定桨叶的固有频率． 主要确定前i阶挥舞和摆振频率。 动力分析时，约束条件认为桨叶在挥 舞方向为固支、摆振方向为铰支”。 由于离心力和气动力对桨叶刚度有 一定影响，因此对桨叶的固有频率也 会产生影响，在分析过程中，应用预 应力模态分析，计人离心力和气动力 的影响，计算桨叶的固有频率[7-10l 厂] L—j 图4衬套应力云图 基于ANSYS软件以及APDL语言， 以桨叶蒙皮铺层方式、配重位置等为 设计参数，以动力学特性为目标函 数．对某无人直升机复合材料旋翼 桨叶进行动力学优化设计”1-12Jz在 ANSYS中的旋翼桨叶动力学优化有 限元模型如图1所示，分析桨叶在 工作转速下的各阶同有频率与激振 频率的避开区间，图5所示为其共振 陲I从|刳5巾看H{．同有频率在]i作 2012年第t9期·航空制造技术55 万方数据 一一F一—* >---／馔／，／～二／／—／ 挥舞=阶频率 挥舞二阶频率 挥舞一阶频率 0 20 30 40 50 舯 70 甜l 旋转速度／(rod·s。) 图5桨叶挥舞共振图 转速下，已经避开r桨叶的T作频 率，这表明在此转速下，桨叶不发生 共振 由于旋翼桨叶承受的足交变载 衙，疲劳是其主要的失效形式．直 升机复合材料桨叶寿命的估算流 程””为：(I)s_Ⅳ曲线确定；(2)获 得疲劳换算系数n；(3)桨叶材料 在N=I旷循环条件下的疲劳极限．4。 (MPa)；(4)计算设计寿命时的平均 应力值S设计(MPa)；(5)计算桨叶实 际应力值为口。。(MPa)；(6)比较S *汁和矿。值，若s设计>口k．达到设计 要求。以某无人直升机为例，桨叶材 料为瓦玻璃纤维，桨叶S—N曲线满 足幂函数形式，应力幅值如式(1)所 示： s。=而A6。 (I) 计算时，取A。=260MPa，ct=0．8： 桨叶设计寿命为1000h，按式(1)汁 算得到桨叶的设计寿命时的平均应 力值S＆#=57．57MPa。大梁带承受 全部的离心力载荷．浆叶实际应力值 一。。为离心力除以大梁带的面积，计 算的口。。=78．6MPasm；I>o-。该无 人直升机旋翼桨叶寿命满足设计要 求。 通过上述优化结果，最后得到的 复合材料旋翼桨叶j=维模型如图6 56航审制造技术·2012年第19期 所示。在本次优化中，考虑了桨叶起 动摆振和桨毂衬套强度以及桨叶配 重铅条、配重管的剪切强度， 其次．还应该注意在桨叶设计过 程中要避免某一局部区域结构形式 或质量刚度的突变．关注桨叶形状、 桨叶后缘厚度对强度、工艺等的要 求， 2复合材料旋翼桨叶制作 通常，无人直升机旋翼桨叶采用 较先进的气动布局，如非线性几何扭 转角分布、平面形状和桨尖外形，金 属成型工艺很难满足气动、动力学特 性对无人直升机旋翼桨叶的几何外 形尺寸要求”随着复合材料成型 工艺技术的发展，特别是复合材料一 次成型工艺的成熟．使得具有先进翼 型和非线性负扭的旋翼桨叶在无人 直升机上的应用变得较为容易1131． 复台材料旋翼桨叶研制过程中．设计 和制作是一体的。设汁、工岂应有机 结合，协调统，才能生产出既符合 设计性能要求，又具有高质量、低成 本的旋翼桨叶1141 某无人直升机旋翼桨叶，采用共 固化方法．大梁带、蒙皮等未固化件 和桨根填块、桨根端盖、泡沫填料、前 缘配重铅条、桨尖配重块以及动平衡 铅管一起放人模具巾加温加压一次 成型。这种成型方法．使得该无人直 升机旋翼桨叶零件数目少结构整体 性好．有利于桨叶疲劳寿命的提高一 但这种方法要求较多细致的手工操 作，对操作人员技术要求较高，在工 艺铺层过程中应严格控制各零件重 量和位置。T艺制作流程如下： 铺蒙皮一抽真空．使蒙皮贴紧 一安放定位轴和桨根衬套一铺大梁 带一安放桨毂端盖、桨毅填块、泡沫 芯一抽真空。固化炉第一次固化一保 温，冷却一放配重铅条、铅块一固化 炉第二次同化一出模及后处理。 基于复合材料特点，旋翼桨叶组 成的原材料的质量控制是桨叶成型 好坏的源头。质量控制措施有：进 料的理化检验；保存的密封和温度 要求；使用时净化问的温度、湿度以 受操作的防污染措施等。在复合材 料桨叶制作过程中，需要严格控制重 量，每一步都要进行称重并记录，记 下毛重，并和前面桨叶生产过程的记 录对比，发现异常重量就要检查，找 出原凶、关键工艺有：大梁带下料要 严格；同化温度和保温时间及加压 对流胶影响也要控制．{后处理中，要 特别关注桨叶的前缘保护处理、桨叶 表面气动外形处理、静平衡、动平衡， 这些后处理直接影响旋翼桨叶的使 用和性能。 存复合材料桨叶制作过程巾，需 要严格控制重量．每一步都要进行称 重并记录．记下毛重，并和前面桨叶 乍产过程的记录剥比，发现异常重量 就要检查．找出原因。关键工艺有： 大梁带下料要严格；固化温度和保 温时间及加床对流胶影响也要控制 后处理L}T，要特别关注浆叶的前缘保 图6桨叶三维结构模型 瑚 枷 铷 枷 姗 猢 啪 。 一乙．P￡一、褂嚣怔匣 万方数据 护处理、桨叶表面气动外形处理、静 平衡、动平衡，这些后处理直接影响 旋翼桨叶的使用和性能． 桨叶固化变形分析 采用复合材料的旋翼桨叶具有 良好的疲劳寿命．损伤耐久性和气弹 裁剪性能。复合材料的可设计性特 点和变形耦合效应，为改善旋翼的气 动稳定性和动力特性提供了机会．同 时也使得新型旋翼构型成为可能”1 然而复合材料的各向异性、非均质 性以及固化的热适配将引起变形问 的耦合和截面的翘曲变彤”I。某无 人机的复合材料桨叶结构复杂，展向 肯负扭，后缘枷长．型面变化也复杂。 桨叶固化过程是组成桨叶的大梁带、 蒙皮及短切纤维等复合材料的基体 材料从液态变化成同态的过程．这个 过程是一个复杂的热、化学和力学性 能急剧变化的过程”‘，由于基体树 脂化学反应导致的化学收缩应变、组 成桨叶的各种复合材料热胀冷缩效 应导敛的热应变、模具与复合材料的 热胀冷缔效廊的热应变以及模具和 复合材料的温度分布梯度产生的热 应变的共同作用．导致f{{模后桨11l+产 生变形， 某无人机的复合材料旋翼桨叶 结构复杂，展向有负扭，后缘加长．型 面变化也复杂．桨叶在固化成型后． 产生固化变形，桨尖与理论外形有 lOmm的偏离值。 为解决复合材料旋翼桨叶固化 变形，开展研究包括：设计3种基本 复台材料的蚓化变形试验，结合试验 数据和资料调研．确定组分材料(纤 维和树脂基体)的固化变形和热胀 变形参数，建立3种基本复合材料同 化和热胀模刊；建立桨叶结构的一 维有限元模型．定量分析不同固化温 度下的变形量．验证材料和结构模型 的合理性．并揭示了桨叶固化变形的 机理，对比理论计算和试验测得的环 氧玻璃粗纱颁浸带层合板和环氧玻 璃布预浸料层合板在固化之后降温 过程中的热膨胀系数．如表l所示。 根据分析结果．确定影响复合材 料旋翼桨叶固化变彤的主要因素是 树脂基体的固化收缩以及纤维与基 体热收缩的失配；根据计算得到的 热膨胀系数，从桨nt‘材料性能、结构 没计方面分析影响桨叶同化变形的 凼素．给出r减小固化变形的方法， 如可以改变桨叶的结构．如环氧玻璃 粗纱预浸带的柬数．环氧玻璃布的铺 层方向、但改变桨叶的结构会对浆 叶的质量分布和动特性等产生影响． 若要避免重新对桨叶进行配重和汁 算动特性．也可以改变桨ut+模具的形 状，给桨叶施加偏向前缘的预变形， 这样同化过程巾产生的同化变形与 预变形相互抵销．也可以满足制造上 对于桨叶形状的要求：减小桨叶同 化变形的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 有两点。 (1)增加桨叶后缘单向带的体 积： (2)政变浆叶模具的形状．给浆 叶施加偏向前缘的预变形。 结束语 本文介绍了某无人直升机复合 材料旋翼桨叶设计、制作，分析了该 桨叶阎化变形机理．提H{改进方案， 实践汪明较成功。为推广复合材料 在尤人A升机旋翼的应用，材料国产 表’环氧璃璃粗纱预浸带和环氧玻璃布预浸料的热獬胀系数的有限元模拟与理论预测的比较 化、低成本化是当前急需解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一；另外，为提高无人直升机的使用 范闱及其在军事方面的应用．需突破 复合材料旋翼桨叶的防弹击、减噪和 除冰技术。 参考文献 【J1陈铭．徐冠峰．张磊直升机传动 系统和旋翼系统关键技术．航空制造技 术．2010(16)：32—37 12I畅开天加速发展旋翼技术促进 我国苴升机科技工业的进步航空科学技 术．2002(2)：29—3l |3】3杨乃寅．麝怡宁．复合材料飞f』【结构 设计北京：航空T业出版社．2002 14J剞达经．复合材料旋翼桨叶研制中的 儿个问题分析．卣州机技术．2002(3)：25— 28 15J·1i国航空研究院复合材料结构设计 手册．北京：航空T业⋯版社．2001 『61李忠嶂，樊光华．^永红．等复台材 料旋翼桨叶研制过程中的重量控制与分析 直升机技术．2007(3J：55—57． 17JI美】w约翰逊宜升机理论北京： 航审I+业}|j版社，1991 『8】张呈林．张晓符．郭士龙．等直升机 部件设．1航空专qk教材编审组．1986 【9J王华明．彭宁舭wz—I商升机旋翼 桨叶设计南京航空航天大学学报．1997．29 i61：693～698． 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