48-自转旋翼机桨叶结构设计-钱伟(6)

717第二十八届（2012）全国直升机年会论文自转旋翼机桨叶结构设计钱伟1朱清华1陈宣友2(南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016；中航工业发展中心，北京，100012)摘要：本文以某一自转旋翼机桨叶结构设计为例，介绍了中小型自转旋翼机复合材料桨叶初步结构设计，包括关键材料的选取，整体结构安排，常用部件布置等。为桨叶后续分析及调整奠定基础。关键字：自转旋翼机；桨叶；设计1引言自转旋翼机的抗风能力较高。一般来说，其抗风能力强于同量级的固定翼飞机，而大体与直升机的抗风能力相当。旋翼机的性价比很高，胜过同量级直升机1/5~1/10。旋翼系统主要给旋翼机提供升力和俯仰、滚转姿态操纵，桨毂常用的是全铰接式、跷跷板式。由于不需反扭矩装置，主要型式是单旋翼构型。旋翼常采用2片或3片桨叶，由于应用于直升机的负扭桨叶对自转旋翼机来讲并没有多大优势，所以常用无扭转或甚至是正扭转桨叶[1]。桨叶是旋翼飞行器的关键部件，对旋翼机的性能和飞行安全都有重要影响。因此，桨叶设计直接影响飞行性能、飞行品质和飞行安全性。2桨叶的气动参数优化选择对于整个旋翼桨盘，起阻碍转动作用的桨叶段形成了一个阻转区，起驱使转动作用的桨叶段形成了一个驱动区，桨根段形成了一个失速区，这是垂直来流状态下的区域分布。当有前飞速度时，来流有偏角，为斜流，各方位加上前飞相对速度投影的影响。显然，在后行桨叶侧靠近桨根处有一圆形反流区，反流区位于失速区内，失速区内气动力主要表现为阻力。桨盘升力主要由阻转区和驱动区气动合力的垂直分力合成[1]。本文选取桨叶半径，弦长，负扭度，及翼型配置进行优化设计（该技术方法另文呈现）。3桨叶结构布置3.1桨叶结构形式根据优化设计选择桨叶参数，如下表1：表1桨叶的主要设计参数旋翼形式跷跷板式（带挥舞铰）旋翼转向右旋(俯视逆时针旋转)旋翼直径D=12.8m旋翼转速1（前飞状态）Ω=27.22rad/s(260r/min)旋翼转速2（起飞状态）Ω=39.79rad/s(380r/min)桨叶平面形状矩形桨叶翼型OA212桨叶扭转角0°桨叶弦长0.350m718桨叶总长5.931m单片桨叶质量43.6kg单片桨叶对旋转中心的质量惯矩600kg·m2g桨毂形式跷跷板式翼型配置受工艺经济性影响，本文实际为全段同一翼型。桨叶结构一般有如下四种结构方案：1）金属蜂窝填充的全复合材料结构；2)带后段件的全复合材料结构；3）泡沫填充的全复合材料结构；4)金属梁加后段件复合材料结构[2]。由于受结构可行性，工艺可行性的制约，以及各种结构的技术优缺点的综合比较考虑，泡沫夹层结构的复合材料桨叶确定为最终的结构方案。本文桨叶由主体和桨尖罩组成，桨尖罩可以拆卸。桨叶主体结构可以分为根部，颈部，典型翼型段部分。图1桨叶整体结构图3.2桨叶主体部分结构桨叶的平面形状为矩形，弦长0.350m，无负扭转。350522.564005877.5旋翼旋转中心120图2旋翼机的桨叶平面外形由于OA族翼型的气动性能较好，而且国内有比较完整的资料，故在设计桨叶时选用了OA212翼型。大梁结构按剖面形状可以分为：C型梁，D型梁，Z型梁。图3不同大梁的剖面形状719C型梁：蒙皮参与承担扭矩，由于结构简单，加工工艺方便，所以成型质量较高；同时由于剖面在前缘，弦向重心容易满足要求。D型梁：在C型梁的基础上中部添加肋结构，参与承担扭矩；但工艺复杂，成型质量难以保证。Z型梁：类似于D型梁，肋结构偏斜，并形成多腔室，具备更高的抗扭能力，但是工艺更复杂[3]。由于旋翼机桨叶本身的抗扭问题不是很突出，综合上述因素考虑，所以本文选择C型梁作为桨叶大梁的结构。3.3桨叶根部结构衬套展向排列桨叶大梁的预浸带不分股，经过根部后直接绕回桨叶翼型部分，这种结构的优点是预浸带保持连续，大梁根部的承载能力较高，结构紧凑，缺点是，两个衬套承受离心力不均，有较大的扭转运动间隙。衬套弦向排列，这类结构的是预浸带分成两股，各自在根部分别绕过衬套后绕回桨叶主体部分，衬套较大的间距有利于承受摆振面的弯矩，承力路明确[3]。综合上述因素的考虑选定第二种形式——衬套弦向排列作为本文根部结构布置。衬套采用金属材料：30CrMnSiA；大梁带材料：无纬带（GIR3822/3902）；根部联结螺栓材料：30CrNi4MoA。衬套弦向排列衬套展向排列图4根部结构鱼形接头填块形状比较特殊，首先内侧应该与金属衬套有较好的配合，表面一般采用玻璃布，中间以短切纤维填充。表面材料选用预浸玻璃布/±45°（DBC34-6），填充材料选用短切纤维（GIR4046）。堵盖形状相对较为复杂，结合其结构和受力特点，一般采用短切纤维。材料选用短切纤维(GIR4046)。图5鱼形接头填块图6堵盖3.4桨尖罩及桨尖连接支座桨尖罩长度为0.120m，约占旋翼半径的1.9%，桨尖罩设计为可拆卸部分，更改桨尖形状，连接支座设有耳孔结构，大梁条从中间穿过，再者连接支座与蒙皮胶接，二者共同提高连接强度，连接支座配有多个配重孔，通过对各片桨叶增加配重，来调整对旋转中心的静矩一致,桨尖罩装配在桨尖支座上，通过螺栓固定。桨尖罩材料：预浸玻璃带（DBC34-6），填充部分为泡沫塑料(GIR3747)；桨尖连接支座：铝合金（LD10CS）固定螺栓:30CrNi4MoA。720图7桨尖结构图图8前缘配重3.5调整性部件前缘配重（图8所示）用以调整弦向重心，所以一般放置在翼型最前方采用重金属做材料，设计基于桨叶的重量预估和重心预估。参考相似本设计最终选定：配重：Φ12mm×4.26m(必要时适当调整)；材料：铅(Pb)。设置调整片可以满足气动相似性要求，同时方便调整动平衡。参考相似设计：本设计最后确定在桨叶后缘从距旋转中心4.7m处开始布置后缘调整片，调整片分成六段，每段长50mm；材料为铝箔（LF2-M）。3.6其他蒙皮主要承受扭转载荷，所以由预浸玻璃布沿与桨叶展向成±45°角的方向铺设而成，充分发挥抗扭能力。蒙皮设计在考虑抗扭特性外，还应考虑桨叶重量。在大梁和蒙皮围成的空腔内填以泡沫塑料，以提高蒙皮的局部刚度，使桨叶工作时能保持准确的气动外形，在确定翼型，蒙皮，大梁和后缘条之后它的剖面形状将唯一确定[3]。为了调整桨叶的摆振固有频率，在桨叶后缘布置碳纤维后缘条，后缘条对弦向重心影响较大；所以在满足桨叶后缘应有足够的刚度前提下，应尽可能选小，结合工程经验和相关统计一般选取长度≥3%弦长，结合上述因素，本文设计方案：蒙皮：里层——0.31mm/层×4层,预浸玻璃带(DBC34-6)；外层——0.13mm/层×1层，预浸玻璃带(DBC34-7)；泡沫填充：泡沫塑料（GIR3747）；后缘条：宽度22mm预浸HM碳布/±45°（DBC38-3）。4桨叶固有频率为了降低桨叶工作时的动应力和旋翼机的振动水平，要求在旋翼正常工作转速下桨叶的固有频率尽量远离ｎΩ(ｎ＝1，2，…，8)。在桨叶设计过程中，用动力有限元模型分析计算桨叶的固有特性，通过调整结构参数改变桨叶的质量、刚度分布，进而改变桨叶的固有频率，并用“共振图”来检查桨叶的固有频率是否满足上述要求。旋翼机采用跷跷板式旋翼，但其每片桨叶还带有独立的锥度调整铰，每片桨叶绕自己的锥度调整铰挥舞。因此，旋翼机旋翼桨叶的挥舞固有特性可用一端铰支一端自由的弹性梁模型进行分析；而各片桨叶在摆振方向上是根部固支的。根据桨叶的剖面特性计算结果和边界条件，用有限元素法计算旋翼机复合材料桨叶挥舞和摆振的固有频率。图9典型剖面网格通过划分各截面网格计算截面特性（图9），并计算单元刚度矩阵与单元质量矩阵，进一步合成整体刚度矩阵与整体质量矩阵，运用哈密顿原理的离散形式可以获得桨叶自由振动方程7210KM（4-1）式中M——总质量矩阵；K——总刚度矩阵。设0sin,t代入上式，得频率方程200KM（4-2）计算其广义特征值可获得固有频率的平方，其对应的特征向量为振型。计算结果见表2和表3。从表2和表3可以看出，在旋翼机起飞和正常前飞时，旋翼桨叶的挥舞和摆振固有频率都避开了气动激振力的频率。图10挥舞共振图图11摆振共振图图10和图11分别是旋翼机复合材料桨叶挥舞和摆振共振图，从图中更能清楚地看到旋翼在起飞转速和正常前飞转速下，桨叶的挥舞和摆振固有频率都避开了气动激振力的频率。5结论与后续工作通过上述过程初步设计的自转旋翼机桨叶具有结构紧凑、简单，零件数量少，减轻桨叶重量、生产工艺简单有效，质量易于保证。另一方面简化了维护，且具有更佳的一体化结构。参考文献[1]朱清华，自转旋翼飞行器总体设计关键技术研究[M]，南京航空航天大学，2007[2]刘达经，复合材料旋翼桨叶研制中的几个问题分析[J]，中国直升机设计研究所，2002[3]葛健，复合材料旋翼桨叶结构设计研究[M]，北京航空航天大学，2001[4]飞机设计手册第19册直升机设计，航空工业出版社，2005表2桨叶在0°总距和转速（260r/min）下的固有频率表3桨叶在0°总距和转速（380r/min）下的固有频率阶次0123挥舞频率(Hz)4.33410.70919.15629.497频率比1.0002.4714.4206.806摆振频率(Hz)-6.41438.061-频率比-1.4808.782-阶次0123挥舞频率(Hz)6.33615.32026.71939.575频率比1.0002.4184.2176.246摆振频率(Hz)-9.36542.553-频率比-1.4786.716-