直升机旋翼复合材料结构损伤容限设计中的问题

直升机旋翼复合材料结构损伤容限设计中的问题

张帅

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司

黑龙江省哈尔滨市150060

摘要：直升机旋翼复合材料桨叶的结构特点和设计要求在直升机发展中的占主导地位,本文对直升机旋翼复合材料结构的特点、旋翼结构损伤容限设计特点和要求进行了介绍；深入开展直升机旋翼复合材料结构损伤容限分析与设计技术的研究，对提高直升机旋翼的使用寿命、直升机的飞行品质和飞行安全具有极其重要的意义。

关键词：直升机旋翼；复合材料；；损伤容限设计

随着人们对旋翼结构设计水平要求的提高，人们已不再满足于一般的可行方案，而是力求获得工程概念的最佳方案；探索的范围不再局限在参考样机附近，而是在一般的结构布局和工艺制造许可条件下，在动力学、强度、重量、对旋翼中心转动惯量等约束下的大范围探索。

一、旋翼技术是直升机技术的核心

众所周知,直升机是一种旋翼飞行器,谈到直升机,人们自然就会想到旋翼系统。旋翼技术是直升机技术的核心,旋翼系统各部件是直升机最关键的部件,没有旋翼就没有直升机。直升机旋翼也是区别于其它航空飞行器的主要特征。谈论直升机的发展,必然要谈到旋翼技术的发展,可以说有旋翼技术的发展才有直升机技术的发展。能不能研制出高水平的直升机,决定于能否研制出高水平的旋翼,旋翼技术应当是今后攻关的主要方向。旋翼系统是直升机的多功能部件,旋翼系统不仅为直升机提供升力,而且还提供前进力和操纵力。同时还是直升机的主要振源和噪声源。因此,直升机的飞行性能、飞行品质、舒适品质(振动和噪声水平)均与旋翼系统密切相关。旋翼水平的高低,直接决定直升机飞行性能和品质的优劣。旋翼系统又是机械转动部件,直升机前飞时,其桨尖线速度接近音速,桨叶攻角有些区域接近临界攻角,甚至大于临界攻角,气流环境相当复杂,同时又有离心力场,受载状态十分恶劣;旋翼桨叶又是一根细长柔性梁、在挥舞、摆振和扭转三个方向都有很大的弹性变形,不仅各运动间有藕合,而且气弹藕合效应也很强烈;此外,旋翼是在高频的交变载荷环境条件下工作,其寿命和可靠性关系到直升机的安危。因此,旋翼技术涉及直升机空气动力学、飞行力学、动力学、材料学、强度学、振动学、声学、工艺学、寿命和可靠性学等学科的综合应用,其专业面广,技术难度大,而且是自成体系的。纵观直升机的发展史,可发现,旋翼技术的发展始终推动着直升机技术的发展。从桨毅形式看,从最早的铰接式旋翼进化到无铰式旋翼、无轴承式旋翼;从所用材料看,从最早的木质和与金属混合式结构旋翼、全金属旋翼、复合材料旋翼。旋翼技术每有一次突破性的进展,都给直升机带来了快速的发展。直升机的机体结构、动力装置各系统、液压源和电源系统、各种电子设备等都可以借鉴固定翼飞机的相应技术,但旋翼技术却无法从其它航空器中得到好处。因此,直升机技术的发展更应把旋翼技术的发展放在首要地位。

二、复合材料旋翼结构损伤容限设计特点与要求

与固定翼飞机不同，直升机旋翼桨叶是一根细长且刚度很低的弹性体，其结构复杂。桨叶工作在离心力场中，气弹耦合非常复杂。直升机旋翼工作的气动环境复杂，气流时时变化、处处不同，气动干扰、失速、压缩性的影响使气流环境更加复杂。直升机旋翼运动规律复杂，旋翼桨叶除旋转、前进外，还有挥舞、摆阵、变距运动以及多种运动之间强烈的耦合。因此，直升机旋翼桨叶长期处于高频低幅振动疲劳载荷环境。直升机旋翼结构的损伤容限特点表现为：（1）容许裂纹或损伤尺寸较小；（2）小范围内结构上的载荷变化较大；（3）载荷形式为高频低幅。对于民用直升机，复合材料旋翼损伤容限设计的要求是：①保证结构在给定的载荷谱范围内使用是安全的，未被检查出的缺陷、裂纹或其他损伤的扩展造成灾难性破坏的概率最小；②保证结构的疲劳强度极限和检查时间间隔最佳，具有竞争力。对于军用直升机，由于需要在作战环境中使用，除了以上要求外，还有：第一，保证结构在遭受战斗损伤(通常是12.7mm机枪弹和21mm~23mm航炮弹的攻击损伤)情况下有足够的剩余强度，即旋翼主结构关键件受弹击损伤后应能承受设计极限载荷而不破坏；第二，如果损伤是允许的，则损伤扩展的速率应是缓慢的，主结构关键件受弹击损伤后至少仍能飞行30min。

三、旋翼复合材料结构损伤容限设计中的关键问题

旋翼系统设计技术是直升机发展中的关键技术之一。无损伤旋翼系统设计中尚存在许多工程技术问题有待攻克，更何况是含损伤的旋翼系统。基于旋翼复合材料结构损伤容限设计的内容，结合国内目前旋翼结构设计的基础以及旋翼结构设计要求、复合材料结构损伤容限的特点，本文认为需要重点解决的关键技术问题如下。

1.初始损伤类型、位置、大小及其重要性的确定方法。如果初始损伤无法确定，或重要损伤确定不准确，之后的损伤旋翼动态特性分析、损伤扩展律等研究就缺乏依据。初始损伤情况主要应根据目前国内直升机使用中出现的和战斗中可能出现的损伤情况来确定。

2.重要损伤与复合材料旋翼动态特性之间的耦合分析。与飞机复合材料结构相比，复合材料桨叶损伤容限设计的最主要特征为：①结构复杂；②桨叶处于复杂的振动环境。损伤不仅会引起桨叶刚度的变化，而且会改变桨叶固有振动频率和模态，引起旋翼共振问题；另外，损伤与旋翼动态特性相互耦合，还会导致结构损伤的扩展、气动载荷不断变化以及旋翼动态特性的恶化。

3.损伤对整个旋翼系统动态特性乃至整机振动水平的影响分析。桨叶损伤位置和程度的不同会引起旋翼动态特性不同程度的变化。对于多片桨叶的旋翼系统，单片或多片桨叶损伤后，旋翼的气动载荷分布变化并没有规律，更难准确地分析桨毂中心动载荷，使整机的振动分析更加困难，从而导致损伤对旋翼动态特性和振动水平的影响更难预测。

4.损伤疲劳扩展机理及寿命评估。由于旋翼处在旋转工作状态时，承受长时间的低幅值高周疲劳载荷和一些高幅值低周疲劳载荷作用，载荷条件复杂；另外，桨叶结构非常复杂，而且损伤后旋翼的振动特性会发生变化，使旋翼结构处于更复杂的振动环境，因而使含损伤复合材料旋翼结构的损伤扩展分析非常困难。

5.各类损伤临界损伤量的确定原则与方法。旋翼复合材料结构损伤量临界值受旋翼结构动态特性、静强度、疲劳寿命等设计要求的控制；同时，复合材料结构损伤通常是多种损伤形式互相引发，相互耦合，分析困难，导致各种临界损伤量的确定比较困难。

6.抗冲击损伤细节设计和试验研究。冲击损伤是复合材料旋翼损伤中不易发现但危害较为严重的一类损伤形式。采用损伤缓慢扩展设计技术、破损-安全设计技术以及多裕度原则，对旋翼桨叶进行抗冲击损伤细节设计仍有大量工作亟待开展。另外，通过相关的损伤容限试验研究，对旋翼抗冲击损伤的细节设计进行验证具有重要意义。

国内有关旋翼复合材料结构损伤容限设计技术的研究刚刚起步，在基础理论、应用基础、工程应用等方面都有大量的研究工作有待开展。本文针对旋翼复合材料结构损伤容限设计中的问题，通过对旋翼复合材料结构损伤容限特点结合复合材料旋翼工程研制经验，提炼出该领域的若干关键问题和难点，可为从事旋翼

复合材料结构设计和研究的人员提供参考。

参考文献：

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