复合材料桨叶过渡剖面边界区域应力传递边界效应初探

余 洵，王 栋，吴堂珍，张 波

(1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001;2.陆航驻景德镇地区军事代表室，江西 景德镇 333001)

0 引言

在标定某型机尾桨叶时，发现了一个以前不太在意的有趣现象［1］［2］:如图 2 所示，在 530(或 480)剖面靠近后缘的应变片在摆振载荷作用下变形很小，如①号片;相反，靠近变距中心线的②号片就比①号片变形大多了。这与常理的平剖面假设规定不符，经过多次验证，现象重复存在。后经过认真思考，认为这两个剖面处于桨叶过渡剖面边界区域(图1)，可能存在边界效应影响。

图2 尾桨叶某剖面贴片位置示图

1 尾桨叶标定

下面具体描述某型号一次尾桨叶标定工作的测量情况［3］:

图3 尾桨叶某剖面初始贴片示图

剖面1:预扭角:11°56ˊ，弦长220mm。

表1 530剖面最后的调片数据

剖面2:预扭角度:12°49ˊ，弦长220mm。

表3 480剖面最后的调片数据

表4 组桥后的耦合情况

2 平剖面假设理论

平剖面假设内容为:梁内变形和受力后，横截面仍为平面，且仍与梁轴正交。

根据平剖面假设，梁受弯矩作用时，若梁底部各纵向纤维弯曲时伸长，则顶部各纵向纤维弯曲时缩短。由于变形的连续性，从伸长区到缩短区，中间必有一层纤维既不伸长又不缩短。这个长度不变的过渡层称为中性层，中性层与横截面的交线称为中性轴。

概括地说，当梁弯曲时，所有横截面仍保持平面，只是绕中性轴作相对转动，而每根纵向纤维则都处于单向受力状态，如图4所示。

图4 梁横截面受弯应力分布示图

3 有限元建模分析

根据上述现象，考虑到复合材料桨叶建模的复杂性，我们决定仅用有限元法做一定性分析验证。

我们建了一个模拟某型号尾桨叶的袖套和翼型段模型(见图5)，袖套和翼型段蒙皮用壳单元模拟，大梁用梁单元模拟。采用分析软件MSC/NASTRAN计算。边界条件:采用固支形式约束袖套的根部，如图中黑色区域。为了简化计算模型，袖套和翼型段蒙皮材料均假设为等效后的各向同性材料，弹性模量为48000MPa，泊松比为0.15;大梁的弹性模量为54600MPa，泊松比为 0.15。

图5 有限元分析网格

应变计算结果:

图6 上翼面应变计算结果

图7 下翼面应变计算结果

4 结论与探讨

通过有限元建模力学分析，我们可以看出:在我们定义的桨叶过渡剖面边界区域，确实存在着“离中性轴越远，其应变(或应力)越小”的反“平剖面假设”现象。

因此，在实际型号工作中，在靠近图1所示的过渡剖面边界区域的剖面贴片时，摆振贴片不要太靠近后缘。举一反三，在桨叶或有边界影响的其它部件贴片时，要合理安排贴片剖面，不要离有边界效应的区域太近，要注意边界效应对测试结果的影响。

［1］余洵 .一种高效率的桨叶载荷标定方法［J］.直升机技术，2001(2):9-11.

［2］余洵.旋翼桨叶载荷测量中的解耦方法研究［J］.直升机技术，2010(4):8-10.

［3］杨广根，等.高新工程国产化尾桨叶标定报告［R］.内部技术报告，2008.