用于直升机尾桨的复合柔性梁制造技术

一种有俯仰区的复合柔性梁，俯仰区包括单向玻璃纤维材料层压芯板和粘接到由芯板限定的配合面上的单向石墨材料层压面板。芯板和面板形成大于或等于１０的长宽比并形成倒角边缘表面。该表面相对俯仰区襟翼弯曲中性轴线形成临界锐角α并限定设在距轴线垂直距离Ｘ处的侧边缘。α约１４－２２度，Ｘ是俯仰区厚度尺寸约１２．５－３７．５％。梁包括有由单向和离轴复合材料组成的第一和第二过渡子区的内侧过渡区。第二子区形成宽度二次曲线和临界宽度过渡子区。离轴复合材料限定了其百分比，临界过渡子区中的百分比是由最佳曲线限定的。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于直升机的无轴承旋翼。具体地说，是涉及一种用于直升机尾桨部件的最佳复合柔性梁。直升机的旋翼设计愈来愈多地使用了通常称为“柔性梁”或“柔性梁连接件”的可挠曲的结构件，用来把直升机的旋翼桨叶固定在扭矩驱动桨毂件上。旋翼飞行器飞行的基本操作约束会将相当大的功能复杂性放在由于需要精确地控制旋翼桨叶的多方向的位移，即襟翼和边缘弯曲，以及扭转或俯仰变化运动所需要的旋翼柔性梁上。因此，这种结构被称为“无轴承旋翼”，因为它们取代了旧式的通过旋翼桨叶根部处的铰链或滑动轴承来适应运动的轴承件旋翼。通常由纤维加强的树脂基体材料构成的柔性梁减少了旋翼组件的重量、复杂性和日常维护，同时还改进了它的可靠性和损伤容限。在直升机应用的范围内，柔性梁被放置并且固定结合在中央扭矩驱动桨毂件与尾桨桨叶组件之间。柔性梁通常由一个扭矩管组件所包围，该扭矩管组件安装结合在柔性梁的外侧端并且可用来把俯仰运动传递给柔性梁/尾桨桨叶组件。该俯仰运动是通过一个星形俯仰梁施加到扭矩管上的，该俯仰梁以这样的方式配置结合在扭矩管的内侧端，使得俯仰梁的直线位移能产生扭矩管的转动位移。柔性梁的设计通常涉及根据所选择的复合基体材料、该材料纤维的取向、设计范围以及制造的约束条件对多个相互有关的设计准则进行反复的研究。这些相互相关的设计准则除了别的以外包括对柔性梁的下列要求1.适应载荷和运动的预定范围，例如30000-35000磅的离心力，4000磅推力，俯仰运动±14度，襟翼运动±5度等；2.保持稳定的和振动的应力/应变，即轴向、弯曲、翘曲和扭转应力都在所选定材料的最大的静止和疲劳的应力/应变许可值以下；3.将输入的操纵载荷，即作用在俯仰操纵杆上或通过俯仰操纵杆的载荷保持在允许水平内；4.产生所要求的刚度特性以避免谐振不稳定性；5.采用最小的设计范围；以及6.便于进行低成本制造。不言而喻，上述设计准则中的许多是互相矛盾的即不谐调的，因此，必须进行反复的比较研究以使柔性梁最优化。为了适应各种载荷和运动，柔性梁通常被分隔成各种区，其中每个区用来完成一项主要功能。一般地说，柔性梁将由至少5个这样的区组成，包括一个桨毂连接区，一个内侧过渡区，一个俯仰区，一个外侧过渡区以及一个桨叶连接区。如下面将要说明的那样，柔性梁的某些区，即内侧过渡区和俯仰区，与其他区相比，受载荷更大并且操纵更费力，因此柔性梁的设计也更关键。桨毂连接区通常的特征在于它具有加厚的矩形截面，该截面设置并且固定在中央桨毂固定件的上和下U形板之间。在功能上，桨毂连接区主要设计来反抗/传递作用在柔性梁上的离心载荷和弯曲力矩载荷，例如襟翼和边缘弯曲载荷。由于桨毂连接区牢固地固定在桨毂固定件上，弯曲运动就不是一个设计要求。内侧过渡区，也称做襟翼弯曲区，主要设计来反抗襟翼和边缘的弯曲力矩载荷和实现在桨毂连接区与俯仰区之间的宽度和厚度的过渡。关于后者，通常希望这种宽度和厚度过渡在一个比较短的翼展长度上实现，以便使柔性梁的总长度减至最小并且使俯仰区的有效长度最大。此外，在尾桨应用场合，通常希望使有效的铰偏移量尽可能小，该铰偏移量即从尾桨部件的转动轴线到由该柔性梁的弯曲/刚度特性所限定的“有效”襟翼铰链的距离。该铰偏移量的减小可使作用在桨毂连接区/桨毂固定件上的桨毂力矩减小。这通常可以通过使内侧过渡区的宽度和厚度减至最小，以便软化柔性梁并由此将铰偏移量移到最内侧位置的方法来实现。对这些目标的限制涉及沿着柔性梁的自由边缘上的较大的应力集中，例如，层间剪应力，该应力集中能导致柔性梁的分层或裂开。俯仰区主要设计来适应旋翼桨叶组件的必需的俯仰运动，使实现俯仰操纵所需要的操纵载荷减至最小，提供必需的边缘弯曲稳定性以及限定柔性梁/旋翼桨叶系统的弦向频率。一般来说，对于尾桨应用场合，俯仰区必须能适应通过扭矩管组件所施加的约14度至18度的俯仰运动。相伴随地，俯仰区受扭转时必须是柔软的以便使操纵载荷减至最小。可以理解到，产生扭转柔性梁所需要的力的需用功率是柔性梁俯仰区的扭转刚度的函数。此外，俯仰区必须具有必需的边缘刚度，以便承受住由气动阻力和/或科里奥利力所造成的平面内的稳定的和振动的弯曲力矩。除载荷和运动要求外，俯仰区支配着柔性梁的第一弦向频率特性。也就是说，柔性梁的俯仰区必须具有能产生所要求的弦向频率响应的特有的边缘刚度。例如，在尾桨应用中，最好使实现约1.7周/转的第一弦向频率以便(i)消除了对超前摆振铰减摆器的要求和(ii)避免在旋翼桨叶/柔性梁组件的谐振频率下载荷增大。关于前者，一般最好是将柔性梁俯仰区加强以便实现约1.0周/转的频率响应，从而减小边缘桨叶运动，并且因此消除了对超前摆振铰减摆设备的要求。关于后者，一般需要实现介于对应于1.0，2.0，或3.0周/转等的谐振频率之间的第一弦向频率，以便避免因增大载荷导致的共振不稳定性。虽然介于2.0和3.0周/转之间的第一弦向频率满足了上面的准则，但是，动态特性还需要较高的刚度值，并且因此会产生较高的操纵载荷。外侧过渡区和桨叶连接区主要用来承受拉力，即由于离心载荷引起的拉力，与内侧柔性梁区比较，它们承受的载荷较小。因此，在内侧过渡区和俯仰区主要负责适应柔性梁/旋翼桨叶组件的襟翼、边缘和俯仰移动，弯曲运动将不是一个设计要求。外侧过渡区也用来实现在俯仰区与桨叶连接区之间的宽度和厚度的过渡，但是由于所受的应力较小，即约为内侧过渡区应力水平的1/3，这种宽度和厚度过渡可以较快地进行而不会引起较大的层间的剪切应力。现有技术的柔性梁提出了与通过结合入一个复合材料的外包封(见Beno等人的美国专利4898515)或设置在自由边缘上的边缘帽盖(见Schmaling等人的美国专利5431538)以便加强复合柔性梁的方式而在内侧区发生分层或裂开有关的问题。而且，在这些说明书中所公开的内侧过渡区使用了线性的宽度过渡，其中宽度过渡角，即由俯仰区与内侧过渡区的侧边所限定的角度很小，例如在约1.5度至约3度之间。这种小宽度过渡角与该外包封或边缘帽盖相结合实现了所需要的层间应力的减少，从而排除了复合柔性梁的裂开或分层。虽然该文件中提供了必需的结构方案，但可以理解到，这种柔性梁的重量和制造的复杂性是具有不利影响的。而且还可以理解到，为了实现具有小过渡角的线性过渡，该内侧过渡区的翼展长度也必须增加。这样增加的长度具有使柔性梁的总的翼展长度增加的不利影响，或者，相反地，具有减少俯仰区的有效长度的不利影响。这种减小的有效长度会使得建立必需的第一弦向频率响应的能力复杂化并且增加了在俯仰区的扭转率的要求。关于后者，该增加了的扭转率将引起更大的应力/应变，由此使俯仰区的设计更复杂。俯仰区的结构设计和功能设计的复杂性一直是借助象在Noehern等人的美国专利US 4746272和在Schmaling的美国专利US 5431538中所描述的构形那样的多叶状十字形横截面构形来对付的。一般地说，这些柔性梁设计会产生约0.7周/转的第一弦向频率响应并且因此而不能应用于尾桨应用场合，如上面所描述的那样，尾桨应用可从约1.7周/转的较高弦向频率获得好处。假设这种俯仰段的尺寸可以加以适当地设计来增加弦向频率响应，又会因构形和所采用的加工技术而导致其他的结构和制造困难。更具体地说，Noehren等人的美国专利U本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于直升机尾桨组件（２）的最佳复合柔性梁（１０），该最佳复合柔性梁（１０）具有多个毗邻的区，这些区包括一个桨毂连接区（ＨＡＲ），一个桨叶连接区（ＢＡＲ），一个毗邻桨毂连接区（ＨＡＲ）的内侧过渡区（ＩＴＲ），和一个毗邻桨叶连接区（ＢＡＲ）的外侧过渡区（ＯＴＲ），该最佳柔性梁（１０）还包括：一个毗邻该内侧和外侧过渡区（ＩＴＲ，ＯＴＲ）并且形成一条襟翼向弯曲中性轴线（Ｘ↓［Ａ］）的的俯仰区（ＰＲ），所述俯仰区（ＰＲ）包括：一个单向玻璃纤维材料（Ｕ↓［Ｆ］）层压芯板（５０ ），所述层压芯板（５０）形成有面（５０↓［Ｌ］）和配合表面（５０↓［Ｍ］），所述侧表面（５０↓［Ｌ］）之间形成一个俯仰区厚度（Ｗ↓［ＰＲ］）尺寸；单向石墨材料（Ｕ↓［Ｇ］）的层压面板（５２），所述层压面板（５２）粘接到所述层压芯板（５０ ）的所述配合表面（５０↓［Ｍ］）上，所述层压面板（５２）还限定了面板表面（５２↓［Ｆ］），所述面板表面（５２↓［Ｆ］）之间限定了一个俯仰区厚度尺寸（Ｔ↓［ＰＲ］）；所述俯仰区宽度和厚度尺寸（Ｗ↓［ＰＲ］，Ｔ↓［ＰＲ］）形成一个长宽比，所 述长宽比大于或等于１０；此外，所述层压芯板和层压面板（５０，５２）形成一个具有倒角边缘表面（５４↓［Ｓ］）的倒角边缘构形（ＣＨ↓［Ｅ］），每个所述倒角边缘表面（５４↓［Ｓ］）相对于所述襟翼向弯曲中性轴线（Ｘ↓［Ａ］）形成一个临界锐角α， 并且还形成一个距所述襟翼向弯曲中性轴线（Ｘ↓［Ａ］）有一个垂直距离Ｘ的侧边缘（５４↓［Ｅ］）；所述临界锐角α介于约１４度至约２２度之间；所述垂直距离Ｘ是所述俯仰区厚度尺寸Ｔ↓［ＰＲ］的约１２．５％至约３７．５％。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：FE拜尼斯，FD菲德里思，DN舒马玲，
申请(专利权)人：西科尔斯基飞机公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]