1、745第二十八届（2012）全国直升机年会论文复合材料梁有限元分析李 伟 黄 珺 熊绍海（中国直升机设计研究所，景德镇，333001）摘 要：以复合材料柔性梁结构和有限元原理为基础，考虑复合材料的各向异性，结合 ANASYS 建立柔性梁铺层结构优化模型，参照柔性梁的连接形式与受载类型进行有限元计算分析，并与试验结果进行对比评价。关键词：复合材料；柔性梁件；铺层；层间剪切0 前言无轴承旋翼是目前最先进的直升机旋翼结构型式，它通过复合材料柔性梁的弹性变形取代传统旋翼桨毂的水平铰、垂直铰和轴向铰，实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。柔性梁一方面可以保证结构所需的弯曲刚度和强度，同时又具有很低的扭转刚度，
2、满足桨叶变距操纵的要求。由于这种旋翼结构型式十分简单，零件数目少，重量轻，可靠性安全性高，具有较低的寿命周期成本，许多先进直升机已经或都将采用无轴承旋翼构型。国外文献记载，复合材料柔性梁的结构设计，一般对柔性梁各个剖面以及各个铺层间的应力分布进行分析，进行结构的优化设计以使得柔性梁的应力分布趋于合理，从而使柔性梁具有足够的寿命。本文利用 ANASYS 软件精确建立试验梁铺层结构模型，分析柔性梁在不同受力状态下的应力分布，找出结构设计的薄弱处，并通过试验对分析结果进行验证。1 柔性梁的结构特点一般铺层复合材料要求具有大的许用弯曲应变、良好的扭转特性、大的损伤容限和重量轻等特点，国外常见梁的截面类
3、型有薄矩形、工字型、十字型等型式；梁截面设计要求在考虑强度和动力学特性的同时，具有低的扭转刚度，本文选取矩形截面梁进行分析，矩形截面柔性梁具有成型工艺比较简单，制造成本低等特点。国外柔性梁的基本选材是玻璃纤维增强材料，其柔性梁采用玻璃大梁带与玻璃布混合铺层，玻璃纤维具有更大的许用应变、对初始（制造）缺陷更不敏感和成本低得多。2 柔性梁在 ANASYS 软件中的建模将两件柔性梁试样改造为试验件，试验件几何模型如图 1，梁与梁试验件的 Z330 剖面通过图示螺栓孔中心，梁在梁的基础上对铺层做调整。A 端（Z0 剖面）固支，梁自由端面由玻璃大梁带缠绕，再由金属夹板与螺栓夹持，B 端承受轴向力 F（x
4、 向）及挥舞载荷 N（z 向） ，F 与N 载荷状态是根据梁展向试验动弯矩理论来确定 。746（a）几何简化结构（b）几何模型图 1 试验梁几何模型利 用 ANSYS Workbench 对 模 型 进 行 网 格 划 分 ， 同 时 根 据 复 合 材 料 铺 层 情 况 ， 对 模 型 进 行 处理 ， 删 除 模 型 中 对 计 算 结 果 影 响 很 小 的 一 些 部 件 和 细 节 特 征 。 为 提 高 应 力 计 算 的 精 度 与 可 靠 性 ，将 模 型 所 有 部 件 均 划 分 为 六 面 体 单 元 ， 并 且 对 试 验 梁 进 行 网 格 细 化 ， 厚 度 方
5、向 有 多 层 网 格 。 利 用复 合 材 料 梁 截 面 定 义 功 能 ， 输 入 复 合 材 料 的 各 铺 层 力 学 性 能 参 数 、 铺 层 详 细 情 况 和 铺 层 方 向 ， 如图 2 所 示 。图 2 试验梁有限元模型总体与局部铺层示意7473 柔性梁应力分析对于此悬臂试验梁结构，主要分析靠近柔性梁根部区域的层间剪应力，设图 2 中梁最右侧复合材料铺层从下到上依次编号，最上层为第 64 层。两件梁 Z0 至 Z160 剖面之间典型层间剪应力分布如图 3 所示。（a ）梁第 8 层和第 9 层之间层间剪应力云图 （b）梁第 8 层和第 9 层之间层间剪应力云图（c）梁第
6、22 层和第 23 层之间层间剪应力云图 （d）梁第 22 层和第 23 层之间层间剪应力云图（e）梁第 54 层和第 55 层之间层间剪应力云图 （f ）梁第 54 层和第 55 层之间层间剪应力云图图 3 典型层之间的层间剪应力云图以 Z42 剖面作为分析面，该剖面典型层间的剪应力沿展向（y 向）分布曲线如图 4。第 1 层与第 2 层之间层间剪应力的编号为 1 号，第 2 层与第 3 层之间层间剪应力编号为 2 号，依次类推。748（a）梁 Z42 截面 5-8 号层间剪应力曲线 （b）梁 Z42 截面 5-8 号层间剪应力曲线（c）梁 Z42 截面 33-36 号层间剪应力曲线 （d）
7、梁 Z42 截面 33-36 号层间剪应力曲线图 4 Z42 截面典型层间剪应力展向分布情况4 试验结果及符合性分析通过对剖面层间剪应力图的分析，试验梁根部区域受到边界条件的影响，梁在第 22 与 23 层间剪应力出现最大值约为 21.32 Mpa，梁在第 22 与 23 层间剪应力出现最大值约为 14.1Mpa，最大值所在区域大致位于剖面铺层的侧边，理论计算表明，梁在梁的基础上所做的铺层优化是有效的，能够较好地改善柔性梁根部区域的层间剪应力。试验时，通过试验梁检测截面上布置的应变片进行测试。梁在 Z90 至 Z120 区域发生分层破坏，分析是该区域侧边层间剪应力过大所致；这些边界区域即为层间
8、剪应力计算时最薄弱的地方，比较容易出现开胶、分层或裂纹破坏。梁的理论计算薄弱区域在试验中并未发生破坏现象，试验结果表明，梁试验状态较理想，调整后铺层的方法可行，柔性梁具有良好的设计符合性。5 结束语参 照 柔 性 梁 的 层 间 剪 应 力 分 析 ， 将 层 间 剪 应 力 的 高 应 力 区 剖 面 作 为 试 验 监 测 剖 面 ， 这 些 区 域最 容 易 出 现 脱 胶 、 分 层 或 裂 纹 现 象 ， 并 与 试 验 验 证 对 比 。 在 理 论 计 算 的 指 导 下 调 整 柔 性 梁 铺 层 ，避 免 层 间 出 现 剪 切 高 应 力 区 ， 同 时 改 进 试 验 件
9、 铺 层 粘 接 工 艺 质 量 ， 防 止 出 现 疲 劳 源 ， 从 而 保 证 安全 寿 命 。参 考 文 献1 郭俊贤. 剪刀式无轴承尾桨柔性梁的设计与研制C. 直升机年会, 2002年2 覃海鹰.基于ANSYS的弹性轴承设计方法 C.直升机年会, 2009年7493 胡和平,邓景辉.直升机旋翼桨叶复合材料选材现状与分析J.直升机技术, 2002 年第 1 期4 张志明主编.复合材料结构力学M. 北京航空航天大学出版社，1993.1541745 余成武,卢欣.有限元分析在航天器产品设计中的应用J. 空间控制技术与应用, 2008 第 4 期6 R.W. White.Developmen
10、ts in UK Rotor Blade TechnologyJ, AIAA Aircraft Design, Systems and Technology Meeting7 P.J. Magari and L.A. Shultz, Univ., Syracuse. Development of a Rotating Blade Finite Element with an Application to the analysis of Helicopter Rotor SystemsJ. AIAAFEM ANALYSIS FOR MULTIPLEX MATERIAL BEAMLI Wei HU
11、ANG Jun XIONG Shao-hai(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001) Abstract：on a base of flexbeam specimen configuration and finite elements, taking into account anisotropy of resin composite, depending on finite software building model of ply sequences of flexbeam specimen, referring to connection forms and loading style of beam, according to analysis results, and finally drawing evaluation.Key words：multiplex material; flexbeam specimen; ply sequences; interfacial shear;
