直升机柔性梁扭转承载力研究

聂海民 孙云伟 宋云

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0.引言

无轴承式旋翼因其良好的操纵性、优异的可靠性等优势逐步受到直升机领域专家学者的青睐[1]，如图1所示，西科斯基某型号的旋翼结构就采用该构型，该结构主要通过柔性梁的扭转变形实现桨叶的变距运动，而柔性梁的弯曲变形则可以实现桨叶的挥舞运动[2-3]。

图1 西科斯基某型号旋翼结构示意图

在旋转离心力下，柔性梁应拥有足够的强度，在此基础上，为实现桨叶的变距运动，柔性梁须保证良好的扭转承载力，这就对柔性梁结构强度提出了更高的要求。因此，研究柔性梁在恒定离心力下，扭矩对其承载力的影响是十分必要的。

1.柔性梁扭转强度试验

以直升机简化后的扭转柔性梁为研究对象，扭转柔性梁可划分为5部分：根部连接区、根部过渡区、扭转变形区、桨叶过渡区以及桨叶连接区。在根部过渡区、扭转变形区和桨叶过渡区上下表面中间区域设置宽10mm、高12mm的加强筋，柔性梁结构形式及尺寸如图2所示。整个柔性梁结构由复合材料组成，其材料参数见表1。表1中：Rm表示平均断裂极限；Rm-kq表示安全断裂极限。

表1 柔性梁材料参数表

图2 扭转柔性梁结构形式及尺寸示意图

该柔性梁在真机状态下承受离心力和扭矩，其破坏是由扭矩引起的，需要进一步研究柔性梁在恒定离心力下扭矩对其承载力的影响。为模拟该柔性梁真实装机状态，设计一套专用试验台，将柔性梁根部连接区端部固定在试验台上，在柔性梁桨叶连接区端部施加50000N恒定离心力，通过轴承在柔性梁桨叶连接区端部施加扭矩，研究扭矩对柔性梁承载力的影响，加载装置如图3所示。

图3 柔性梁扭转试验加载示意图

2.柔性梁扭转数值模拟

柔性梁为复合材料构件，当柔性梁产生局部损伤，还能继续承载，进一步承载后，柔性梁结构损伤逐渐累积并扩展直至柔性梁完全破坏，丧失承载力。基于此特性，应用渐进失效理论[4]，该理论核心思想为：柔性梁结构承载发生局部失效时对该区域刚度进行折减，从而改变整个柔性梁结构内部应力场分布，达到新的平衡状态。载荷逐渐加大，柔性梁结构局部损伤逐步累积扩展，重复计算柔性梁结构内部应力、应变，直至柔性梁结构完全破坏，其分析流程如图4所示。

图4 渐进失效分析流程

应用渐进失效理论，其关键问题在于：如何准确判断柔性梁结构单元是否发生失效。本文采用Shokrieh-Hashin准则作为复合材料柔性梁结构单元的失效判据[5]，该准则的优点在于：能准确判断复合材料构件的具体失效模式，进而可以根据构件不同的失效模式，对失效区域单元刚度进行针对性的退化折减，该准则失效判据如表2所示。

表2 Shokrieh-Hashin准则失效判据

在ABAQUS软件中，对柔性梁根部连接区端部2个螺栓孔区域施加固定约束，将50000N的离心力均布在柔性梁桨叶连接区端部中心区域截面上，在柔性梁桨叶连接区端部外侧中心建立参考点，将参考点与该截面的节点进行耦合，在参考点施加扭矩。柔性梁结构模型采用C3D8R单元，其网格划分如图5所示。

图5 柔性梁网格划分示意图

3.扭矩转角曲线对比

柔性梁扭转试验件最终破坏后丧失承载能力，无法进一步采集试验数据，故最终采集的扭矩值即可表征该试验件的极限扭矩值。采用ABAQUS软件模拟该柔性梁扭转失效行为，施加的扭矩一旦达到某一临界值，扭矩迅速下降，结构丧失承载力，此临界值即为柔性梁结构极限扭矩值。将试验数据及ABAQUS仿真结果绘制成图6所示的扭矩转角曲线。

图6 柔性梁扭矩转角曲线

由图6可知，试验中测得的柔性梁扭转试验件的极限扭矩值为178.56N·m，而ABAQUS仿真得到的该结构极限扭矩值为172.89N·m，误差为3.2%，二者相差不大，且两条扭矩转角曲线基本吻合。因此，采用该模拟方法能较为准确地模拟柔性梁在恒定离心力下的扭转失效行为。

4.加强筋对柔性梁扭转承载力的影响

4.1 是否存在加强筋对柔性梁扭转承载力的影响

为研究加强筋对柔性梁扭转承载力的影响，取消柔性梁根部过渡区、扭转变形区和桨叶过渡区上下表面中间区域的加强筋，其他参数保持不变。对柔性梁结构施加相同的约束和载荷，将仿真结果绘制成如图7所示的扭矩转角曲线。

如图7所示，不设置加强筋柔性梁结构的极限扭矩值为146.53N·m，设置加强筋柔性梁结构的极限扭矩值为172.89N·m，相对于不含加强筋的柔性梁，含有加强筋的柔性梁扭转承载力提升17.99%。因此，对于主要承受扭转载荷的柔性梁应该在其根部过渡区、扭转变形区和桨叶过渡区上下表面中间区域设置加强筋。

图7 柔性梁扭矩转角曲线

4.2 不同类型加强筋对柔性梁扭转承载力的影响

由上节可知，在柔性梁根部过渡区、扭转变形区和桨叶过渡区上下表面中间区域设置加强筋可以提高柔性梁的扭转承载力。由于加强筋结构形式多变且复合材料本构关系复杂，使得加强筋结构发生轻微变化都有可能影响整个柔性梁结构扭转承载力。目前，较为常见的加强筋剖面型式有：T型、帽型、I型和J型[6]，如图8所示。本节探讨在保证加强筋截面极惯性矩保持不变的前提下，加强筋选取不同剖面类型对柔性梁扭转承载力的影响。

图8 4种剖面型式加强筋示意图

对这4种类型加强筋柔性梁施加相同的约束和载荷，对柔性梁根部连接区端部2个螺栓孔区域施加固定约束，将50000N的离心力均布在柔性梁桨叶连接区端部中心区域截面上，在柔性梁桨叶连接区端部外侧中心建立参考点，将参考点与该截面的节点进行耦合，在参考点施加扭矩。将仿真得到的结果绘制成如图9所示的扭矩转角曲线。

如图9所示，T型加强筋柔性梁结构的极限扭矩值为172.89N·m，帽型加强筋柔性梁结构的极限扭矩值为179.65 N·m，I型加强筋柔性梁结构的极限扭矩值为171.28N·m，J型加强筋柔性梁结构的极限扭矩值为169.74N·m。4种剖面型式加强筋柔性梁结构的极限扭矩值从大到小依次为：帽型、T型、I型、J型。

图9 柔性梁扭矩转角曲线

4.3 帽型加强筋倾角对柔性梁扭转承载力的影响

由上节可知，帽型加强筋柔性梁结构拥有更好的扭转承载力，故柔性梁结构加强筋的剖面型式应该选取为帽型，而不同的帽型加强筋倾角也有可能改变整个柔性梁结构的扭转承载力，本节研究帽型加强筋倾角对柔性梁扭转承载力的影响。在保证帽型加强筋截面极惯性矩不变的前提下，其倾角分别取为 15°、30°、45°、60°、75°、90°，对这6种不同倾角帽型加强筋柔性梁结构施加相同的约束和载荷，将仿真得到的6种不同倾角帽型加强筋柔性梁结构扭矩转角数据绘制成如图10所示的扭矩转角曲线。

图10 柔性梁扭矩转角曲线

由图10可知，在保证帽型加强筋截面极惯性矩不变的前提下，其倾角取为60°，柔性梁结构的极限扭矩值最大，其扭转承载力最好。

5.结语

实现桨叶变距运动的扭转柔性梁是无轴承式旋翼的重要组成部分，本文以扭转柔性梁为研究对象，采用ABAQUS软件，应用渐进失效理论，研究柔性梁在恒定离心力下的扭转承载力，并将仿真得到的结果与试验数据进行对比，验证模拟方法的正确性。进而研究是否含有加强筋、加强筋的类型、加强筋的倾角对柔性梁扭转承载力的影响。基于以上研究得出如下结论：

（1）基于ABAQUS软件，应用渐进失效理论，采用Shokrieh-Hashin准则能较为准确地模拟柔性梁在恒定离心力下的扭转失效行为。

（2）相对于不含加强筋的柔性梁，含有加强筋的柔性梁扭转承载力提升17.99%。

（3）在保证加强筋截面极惯性矩不变的前提下，相较于T型、I型、J型加强筋，帽型加强筋柔性梁扭转承载力更高。

（4）在保证加强筋截面极惯性矩不变的前提下，帽型加强筋的倾角为60°时，柔性梁的扭转承载力最高。