|  英文版

高模量碳纤维在直升机旋翼梁结构中的应用

   日期:2020-03-24     来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部 钱 鑫    浏览:271    
核心提示:摘 要直升机制造商一直在寻求通过减轻部件重量来提高飞机功率和效率途径,另一方面直升机日益增加的旋翼桨片对高刚度和高抗形变能力有高要求,在此背景下高模量碳纤维复合材料(HM-CFRP)呼之欲出。国外针对传统钛合金和HM-CFRP材质的直升机旋翼桨片,采用有
摘 要 

直升机制造商一直在寻求通过减轻部件重量来提高飞机功率和效率途径,另一方面直升机日益增加的旋翼桨片对高刚度和高抗形变能力有高要求,在此背景下高模量碳纤维复合材料(HM-CFRP)呼之欲出。

国外针对传统钛合金和HM-CFRP材质的直升机旋翼桨片,采用有限元分析方法模拟并分析了实际运行过程中两种材质桨片的总变形、等效应变和等效应力等,结果显示HM-CFRP材质桨片总变形、弹性形变比常规钛合金材料低近一个数量级。

1背景介绍

早期的直升机的尾翼翼梁是用木材制造的,但材料性能对直接影响直升机安全,因为如果直升机尾翼翼梁无法正常工作,则会引起事故。另一方面,直升机发动机大多使用了传统的飞机金属合金,而直升机发动机制造商一直在寻求通过减轻发动机部件重量来提高发动机设计的功率和效率。

尾旋翼是在传统单旋翼直升机尾部垂直或近垂直安装的较小的旋翼。尾旋翼推或拉着尾部来抵消扭矩。尾旋翼驱动系统包括一个由主变速器驱动的驱动轴和一个安装在尾臂末端的变速箱。驱动轴可以由一个长轴或一系列短轴组成,这些短轴两端用挠性联轴节连接。挠性联轴节允许驱动轴随尾臂弯曲。尾臂末端的齿轮箱为尾旋翼提供一个角度驱动,还可以包括齿轮装置,用于将输出调整到最佳转速,通常以每分钟转数(rpm)为单位测量尾旋翼的转速。在一些大型直升机上,中间齿轮箱用于使尾桨驱动轴从尾翼吊杆或尾锥向尾桨塔架顶部倾斜,这也可作为垂直稳定机翼,以减轻前飞时尾桨的功率需求。


直升机尾旋翼梁

通过使用碳纤维复合材料(CFRP),可以实现许多理想的特性和特性,包括良好的强度密度比,该强度比是钢或铝的强度比的4-6倍。某些复合材料的比模量也远大于钢和铝的比模量,这会使复合材料叶片比金属叶片轻45%。此外,复杂的刀片更易于加工和制造,可以与粘合剂结合,从而无需铆接并简化组装,并且可以使用比金属便宜得多的工具来生产。

对于直升机旋翼桨片由于受到外部冲击载荷概率较小,因此在设计时主要考虑其刚度和抗形变能力,尤其是近年来随着旋翼桨片长度不断增加,对刚度特性需求愈加明显。而高模量碳纤维作为一种高性能纤维,其典型特征是具有高模量、高刚度特性。如目前航空领域广泛应用的T800级碳纤维模量仅仅293GPa,而工业级T700碳纤维模量更低,仅仅230GPa;相比之下高模量碳纤维如M40J模量为377GPa,而M55J纤维模量可达到540GPa,为满足高刚度和抗变形特性,高模量碳纤维成为直升机旋翼桨片选择之一。

为此,来自Excel engineering 学院航空工程系的研究学者通过采用高模量碳纤维复合材料(HM-CFRP)为原料,利用仿真分析软件研究了高模碳纤维复合材料材质直升机尾桨翼梁在飞行时的气动和惯性力。

2HM-CFRP在直升机旋翼梁中的应用

材料对比分析时传统的材料选择了钛合金,而复合材料中增强纤维为模量介于390-435GPa的高模量碳纤维(相当于日本东丽M40J、M46J级产品);利用有限元分析软件对钛合金和HM-CFRP材质旋翼桨片的总变形和等效应力等进行了计算分析。

通过在两种材质旋翼桨片上施加相同的载荷,并在分析过程中对转子翼梁上施加了压力和转速,分析结果显示HM-CFRP比常规使用钛合金更合适用于旋翼桨片,分析结果如下图所示。


 
详细的模拟分析结果如最大形变和等效应力详细数据则在下表中显示。相比较于钛合金旋翼桨片,HM-CFRP材质旋翼桨片形变量、弹性形变量均近乎低一个数量级,等效应力显著下降。


 
在本项目中,利用有限元分析方法对钛合金和HM-CFRP两种材质的直升机旋翼桨片,在实际运行过程中总变形、弹性形变和等效应力等进行分析,结果显示HM-CFRP材料比常规钛合金材料具有更多的优势,因此将来可以通过使用更轻的材料来进一步优化模型,从而减轻其总体重量。

 
 
更多>同类行业资讯

推荐行业资讯
点击排行
《中华人民共和国增值电信业务经营许可证》   编号:鲁 B2-20041020号    版权所有  德州博维网络信息服务有限公司     
热线:400 9696 921  电话:0534-2666809    传真:0534-2220102    邮箱:frp@cnfrp.com
 Copyright (c) 2002-2020 CNFRP.COM All Rights Reserved.    本网法律顾问:金延峰律师(手机:13953449218)

  鲁公网安备 37140202000173号