CN1082921C - 用于直升机旋翼的复合柔性梁 - Google Patents

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    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/32Rotors
    • B64C27/33Rotors having flexing arms

Abstract

一种有多个邻接区的复合柔性梁,邻接区包括一桨毂连接区、一桨叶连接区、一俯仰区,一设在俯仰区与桨叶连接区间并与它们相连的外侧过渡区,及一设在俯仰区和桨毂连接区间并与它们相连的内侧过渡区。内侧过渡区包括第一过渡子区和第二过渡子区,第二过渡子区限定一宽度二次曲线和一临界宽度过渡子区。第一和第二子区由单向和离轴复合材料组成,离轴复合材料限定了其百分比%O,临界过渡子区中的百分比%O由一条最佳曲线限定。

Description

用于直升机旋翼的复合柔性梁

本发明涉及用于直升机的无轴承旋翼,更具体地说,本发明涉及一种具有改进的结构特性的复合柔性梁。

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(133,500-155,750牛顿)的离心力,4000磅(17,800牛顿)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外移量尽可能小,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。通常,最好所产生的第一弦向频率在谐振频率之间,相当于1.0,2.0,或3.0周/转等,以避免因载荷放大而引起谐振不稳定性。

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。

因此需要一种复合柔性梁,该梁可以加以优化设计来减少层间的剪切力,满足第一弦向频率的要求并且使该复合柔性梁的扭转刚度减至最小。

本发明的一个目的是提供一种包括一个内侧过渡区的复合柔性梁,该内侧过渡区具有独特的构型和材料组合,以用来在满足各种相互有关的柔性梁设计准则的同时减小层间的剪切应力。

本发明的另一个目的是提供一种便于采用能够生产高质量复合层压板的制造方法的复合柔性梁。

本发明的上述和其他目的可以通过一种具有多个邻接区的复合柔性梁来达到,该邻接区包括一个桨毂连接区、一个桨叶连接区、一个与该桨叶连接区邻接的内侧过渡区、一个与该桨叶连接区邻接的外侧过渡区,以及一个设置并邻接在该内和外侧过渡区之间的俯仰区。

该内侧过渡区包括一个由厚度过渡段限定的第一过渡子区和一个由宽度和厚度过渡段限定的第二过渡子区。第二过渡子区限定了一条宽度二次曲线和一个临界宽度过渡子区。该临界宽度过渡子区与由该宽度二次曲线限定的介于0度至约10度之间二次曲线斜角相对应。而且,该第一和第二过渡子区由单向和离轴复合材料的组合所构成,其中该离轴复合材料限定了一个离轴复合材料的百分比并且在临界过渡子区中该百分比由一条最佳曲线所限定。

通过下面的详细说明并连同参考下列附图,可以对本发明及其特征和优点取得更完整的了解,附图中:图1是包括本发明的复合柔性梁的直升机尾桨部件的局部分解的透视图;图2a和2b是用于示出复合柔性梁的各种邻接区的顶视图和侧视图,这些邻接区包括一个桨毂连接区、一个内侧过渡区、一个俯仰连接区、一个外侧过渡区和一个桨叶连接区;图3是大体上沿图2a的线3-3截取的剖视图,用来示出该俯仰区的内部结构和截面构形;图4是该柔性梁的俯仰区、内侧过渡区和桨毂连接区的局部断开的侧视简图,用来示出(除了别的以外)复合层的叠层及其中的厚度变化;图5a是该复合柔性梁的俯仰区、内侧过渡区和桨毂连接区的局部顶视图,用来示出(除了别的以外)由内侧过渡区的侧面限定的宽度二次曲线;图5b是宽度二次曲线及由二次曲线斜角的范围所限定的临界宽度过渡子区的详细的局部视图;图6是在临界宽度过渡子区内随着二次曲线斜角而变化的离轴叠层材料的百分比曲线图;图7示出了覆盖住本发明复合柔性梁的现有技术复合柔性梁的局部断开的顶视简图,用来比较和对照其各种特征;图8是该柔性梁的桨毂区、外侧过渡区和桨叶连接区的局部断开的侧视简图,用来示出(除了别的以外)复合层的叠层和其中的厚度的变化;图9是该复合柔性梁的俯仰区、外侧过渡区和桨叶连接区的局部顶视图;图10是用于制造该复合柔性梁的模具组件的局部断开的顶视图;

图11是大体上沿图10的线11-11截取的剖视图。

下面的详细说明限定了在直升机尾桨部件范围内的一个最佳复合柔性梁,但是应当理解到,此处给出的各种揭示内容也适用于任何无轴承旋翼,例如无轴承主旋翼部件中的柔性梁结构。此外,虽然最佳型式的典型实施例的空间尺寸是被加工成满足尾桨部件的结构和功能要求的,但是应当理解到,可以作出各种柔性梁的变更型式以适合在其他的直升机旋翼中应用。

现在参看附图,在所有的这几个视图中,相同的标号表示相同的或类似的零件。图1示出了无轴承的直升机尾桨部件2的局部分解的透视图。尾桨部件2包括一个用来驱动多个尾桨桨叶6围绕轴线8转动的中央桨毂固定件4。更准确地说,本发明的复合柔性梁10置于桨毂固定件4与各尾桨桨叶6之间并且固定结合在一起。连接螺栓12把最佳柔性梁10的外端10OE固定在相应的尾桨桨叶6上,而连接螺栓16则把柔性梁10的内端10IE相应地固定在桨毂固定件4的上和下U形臂4a和4b上。

每个柔性梁10由一个扭力管20所包住,该管通过用来实现柔性梁/尾桨桨叶连接的同样的连接螺栓12与柔性梁10的外端10OE固定在一起。此外,扭力管20通过一个弹性体支承组件(又称为减震器支承组件)铰接地安装在内端20IE上,该组件可实现使扭力管20围绕最佳柔性梁10对中的功能,以适应在扭力管20与最佳柔性梁10之间相关的俯仰、挥舞和超前滞后运动并且可用来传递俯仰操纵和其间的其它载荷。这种减震器支承装置22在现有技术中是众所周知的,并且在美国专利5092738和5499903中作了介绍。

扭力管20可用来将俯仰运动传递给对应的尾桨桨叶组件6,除其他的桨叶偏移以外,该俯仰运动可由最佳柔性梁10的扭转弹性适应。更准确地说,俯仰运动通过星形俯仰梁24传递给扭力管20,该梁通过俯仰操纵杆26和俯仰角状接头28与各扭力管20的内端20IE组合配置在一起。在运转中,俯仰梁24的线位移可使各扭力管20产生角位移,该角位移又将俯仰操纵输入传递给相应的尾桨桨叶6。

在详细讨论复合柔性梁10以前,应当指出,所述的实施例是以具有某些预定载荷和运动要求的尾桨部件为基础的。此处所述的各最佳柔性梁10:a)反抗由每个尾桨桨叶组件产生的33000磅(146784牛顿)的离心力,b)反抗稳定的和振动的襟翼弯曲载荷(由桨叶推力产生),其中稳定载荷约15000英寸-磅(1695牛顿-米),振动载荷约±38000英寸-磅(4293牛顿-米),c)传递稳定的和振动的边缘弯曲载荷(与旋翼力矩有关),其中稳定载荷约8000英寸-磅(904牛顿-米),振动载荷约±21000英寸-磅(2373牛顿-米),d)适应±5度的偏离平面(襟翼方向)运动,e)适应±18度的俯仰运动,同时保持俯仰操纵载荷低于±200磅(890牛顿),f)产生恒定的桨毂力矩-1250英尺-磅/度(97106牛顿-米/弧度)以及g)产生约1.7周期/转的第一弦向频率。应当理解,在本发明的精神和范围内还可以对最佳)复合柔性梁10作出各种变更,例如对长度、横截面积、宽度和/或厚度过渡的程度等作出变更。

影响柔性梁10的构形的其他变量包括材料及其机械性能的选定,例如纤维增强材料的弹性模量及其纤维取向,树脂基体的剪切模量,以及复合材料的允许的应力和应变等。对于所述的实施例来说,复合柔性梁10由纤维增强的树脂基体材料构成,其中该纤维加强件包括石墨和玻璃纤维两种,并且其中该树脂基体是一种韧化的环氧树脂基体。更准确地说,柔性梁10包括多个石墨或玻璃纤维复合层,该纤维复合层被层叠和布置成一个具有各向异性/正交各向异性的强度特性的多层复合结构,即一种其预定的刚度特性沿正交轴随着纤维增强取向而变化的结构。这种强度特性可以通过选定单向材料和/或轴复合材料的组合来实现。在本文中此处所使用的单向材料的特征在于其纤维加强件基本上平行于复合柔性梁10的纵向轴线10L,即相对于该纵向轴为零度,并且离轴复合材料的特征在于其纤维取向相对于纵向轴10L约为+45度或-45度。此外,所涉及的单向和/或离轴的“材料”、“纤维”或“层”将可互换地用来表示该复合的层压板的方向强度。虽然所产生的石墨/玻璃纤维复合的层压板的相对位置和纤维取向是(除了别的以外)本发明的主要特征,但是应当指出,其他的复合的基体材料也可以使用,只要这些材料具有类似的机械性能,例如弹性模量和剪切模量,许可的应力/应变值等。

在图2a和2b中,本发明的复合柔性梁10被分割成几个邻接的区域,以便表示其特定的结构和功能特征。更准确地说,该复合柔性梁10包括:一个桨毂连接区HAR,一个桨叶连接区BAR,一个俯仰区PR,以及内侧和外侧过渡区ITR和OTR。下面的讨论将涉及各区域的主要功能、结构特征和复合结构。虽然的柔性梁10及其所有区域的主要功能是对桨叶产生的离心力的反作用,但对每个区域的主要功能将根据该区具有的特定功能来介绍。

桨毂连接区HAR被构形成适合于把复合柔性梁10固定结合在桨毂固定件上,更准确地说,为实现图1中所示的螺栓连接,该区还包括隔开型式的安装孔40。就功能上说,桨毂连接区HAR主要用来传递柔性梁力矩,即襟翼和边缘上的弯曲力矩,以及作用在桨毂固定件上的离心载荷。由于桨毂连接区HAR刚性地固定在桨毂固定件上,大的挠曲运动就不再是一个设计要求。桨毂连接区HAR的特征在于,它具有固定的宽度尺寸WHAR和厚度尺寸THAR,并且主要由50/50的离轴和单向石墨材料的混合物组成,但仍有百分比很小的玻璃纤维材料(单向和离轴材料两种都有),以便于在俯仰区和内侧过渡区PR,ITR中产生要求的复合叠层。该离轴和单向复合材料将产生一种各向异性的复合层压板,该层压板能提供将柔性梁载荷向连接螺栓的最佳传递。

桨叶连接区BAR的形状可通过安装孔40把最佳的复合柔性梁10固定在各尾桨桨叶组件上并且随之也固定在扭力管20上,以完成图1的外侧螺栓连接。就功能上说,桨叶连接区BAR主要用来反抗离心载荷和把力矩传递给旋翼桨叶组件。由于弯曲力矩较小,桨叶连接区BAR所受到的载荷与复合柔性梁上的其他区域相比也比较小。关于该区的复合结构,例如宽度WBAR和厚度TBAR,离轴和单向复合材料的混合物等的特征则与桨毂连接区HAR的特征相同。

俯仰区PR位于桨毂和桨叶连接区HAR、BAR之间并且在结构上被成形为:(i)能适应尾桨桨叶组件的必要的俯仰运动,即由于俯仰输入而产生的弹性扭转位移,(ii)使产生俯仰操纵所需要的操纵载荷减至最小;(iii)提供必要的抗弯稳定性,以及(iv)限定柔性梁/尾桨桨叶系统的第一弦向频率响应。更准确地说,俯仰区PR包括一个复合材料和独特的横截面形状的选择组合,以满足上述设计要求。

俯仰区PR的特性在于,沿其长度LPR它基本上是一个不变的截面形状。在图3中,该俯仰区包括一个单向玻璃纤维材料的芯部层压板50和粘接在由芯部层压板50限定的上和下配合面50M上的单向石墨材料的表面层压板52。最好,该石墨材料的表面层压板52基本上沿着由芯部层压板50的侧面50L所限定的该俯仰区的整个宽度尺寸WPR上延伸。此外,宽度尺寸WPR与在表面层压板52的上和下表面52F之间测量的俯仰区厚度尺寸TPR共同限定了一个宽度对厚度的比WPR/TPR,下文中称之为俯仰区34的长宽比。该长宽比最好取大于或等于10的数值,最佳是约在10-20的范围内。对于上述实施例,该长宽比约为16.2。这种复合材料和长宽比的重要性将在下面的段落中讨论。

玻璃纤维的单向取向以及芯部和表面层压板50,52的石墨材料产生了一个具有正交各向异性的层压板,其中扭转刚度主要是树脂基体的切变模量(G)的函数,而轴向或弯曲刚度主要是纤维的弹性模量(E)的函数。因此,俯仰区PR的特征在于,它由于该树脂基体的相当低的切变模量(G)而具有围绕该复合柔性梁的纵向轴线10L的较低的扭转刚度以及由于该单向纤维特别是石墨纤维的较高的弹性模量(EG)而具有较高的轴向刚度。关于前后,该较低的扭转刚度造成一个顺从扭转的俯仰区PR,它可使操纵载荷减至最小,即使得围绕纵向轴线10L扭转该柔性梁所需要的力减小。关于后者,参看圆圈包围区RC,其中的石墨纤维远离襟翼和弯曲中性轴XA、YA,因此在提供襟翼和边缘弯曲由刚度两方面都是高度有效的。这种高襟翼和边缘弯曲刚度提供了围绕边缘弯曲中性轴YA在平面内的抗弯稳定性。

在石墨表面层压板52特别是其边缘刚度元件对于柔性梁10的第一频率响应起主要作用的同时,玻璃纤维芯部层压板50的低弹性模量(E)也对石墨表面层压板52的加劲效果起了改进作用。更准确地说,玻璃纤维材料在俯仰区PR中的百分比最好介于全部材料的约50%-70%范围之间,最佳是介于全部材料的约50%-60%范围之间。对于所述的实施例,玻璃纤维的百分比约为59%。由于层压板50,52的宽度尺寸WPR基本上相等,因而芯部厚度尺寸TC对俯仰区厚度尺寸TPR的比值也就限定了玻璃纤维材料的百分比。这种材料或厚度范围与上述长宽比相结合,可以产生约1.7周/转的第一弦向频率响应。材料或厚度范围在规定范围即50%以下时,将产生约1.9周/转以上的第一弦向频率响应,如同在本发明的背景部分中所讨论的那样,该频率响应如果位于或接近于一个载荷放大值,例如2周/转,将引起谐振不稳定性,或者,如果位于载荷放大值之间,例如在2.0与3.0周/转之间,则将产生较大的操纵载荷。该材料或厚度百分比范围的上限即70%受到纤维材料的平面内的疲劳剪切应力许可值的限制。

除了上述的材料、材料厚度和长宽比的组合以外,俯仰区PR的特征还在于,通过把边缘面54S倒角来减少沿芯部层压板的侧面50L上的层间的剪应力。这种层间的剪应力是由于俯仰区PR的长宽比和沿石墨表面层压板52的表面52F上发展的平面内的最大剪应力而造成的。对由该倒角的边缘面54S所得到的结构上的好处的另外的详细说明可以在共同待批的、共同拥有的题为“用于直升机尾桨的最佳的复合柔性梁”(档案号S-5219)的美国专利申请文件中找到。

在图4中示出了用来说明该复合层的叠层及其中的厚度变化的该柔性梁10的局部剖开的侧视简图。为便于说明,图中只示出佳柔性梁10的上半部,即从其中平面开始,因为下半部基本上是相同的。因此,所涉及的厚度尺寸应看做是所示实际尺寸的2倍(即乘上2)。此外,在实线之间的空隙表示单向复合材料U,而在实线与虚线之间的空隙则表示离轴复合材料O。

单向复合材料U,即表面和芯部层压板50,52的玻璃纤维和石墨层UF和UG,沿俯仰区PR(见图2b)的全部长度L延伸,最好沿着复合柔性梁10的翼展方向全长LF延伸。在所述的实施例中,这些U层在其邻接区分别与另外的单向和离轴材料O和U交替放置,以便实现在内侧与外侧过渡区ITR、OTR内必需的厚度过渡段。

在图4,5a和5b中,内侧过渡区ITR实现了在桨毂连接区HAR和俯仰区PR之间的宽度和厚度过渡。这种宽度和厚度的过渡一般取决于:(i)俯仰区PR的低扭转刚度和第一弦向频率的要求和(ii)桨毂连接区HAR的载荷传递要求。关于前者,俯仰区PR的刚度和频率要求大体上需要将俯仰区宽度和厚度尺寸WPR,TPR减至最小,以便减小俯仰区PR的扭转刚度(1/3WPRTPR3×G)和边缘弯曲刚度(1/12WPR3TPR×E)。关于后者,桨毂连接区HAR把所有的挠曲载荷经横贯连接螺栓上的局部弯曲加以传递的要求需要保持预定的最小边缘距离,即桨毂连接区HAR的安装孔40至其自由边缘的距离。这样,桨毂连接区HAR的厚度THAR,特别是宽度尺寸WHAR一般都大于俯仰区PR的可比尺寸WPR,TPR。在所述的实施例中,从俯仰区PR到桨毂连接区HAR实现了58%的宽度过渡,即从3.8英寸(9.7厘米)过渡到6.0英寸(15.2厘米),和503%的厚度过渡,即从0.234英寸(0.59厘米)到1.410英寸(3.58厘米)。

为了更精确地限定其形状和功能,将两侧过渡区ITR细分成包括第一和第二过渡子区ITR-1和ITR-2的各种子区。第一过渡子区ITR-1实现了厚度过渡,而第二过渡子区ITR-2实现了宽度和厚度两种过渡。第一过渡子区ITR是多功能子区,因为能适应推力引起的襟翼偏转,反抗襟翼和边缘弯曲载荷并且分担最佳的柔性梁的一部分俯仰偏移(与俯仰区PR相比虽然很小)。该子区的功能是通过具有固定宽度(等于俯仰区PR的宽度尺寸WPR)的单向复合材料U的逐渐增加而实现从而使柔性梁10的厚度增加而其扭转和边缘刚度都没有明显的增加。因此,当增加襟翼弯曲刚度以抵抗作用的弯曲载荷时,该逐渐变化的厚度过渡段可以适应襟翼的偏转。此外,复合材料U的单向取向结合宽度的约束条件,可允许较小的角度的俯仰运动,由此减小了俯仰区PR的扭转率要求。对于所述的实施例,单向复合材料U包括多个单向石墨层UG,这些石墨层与俯仰区PR的单向石墨层和玻璃纤维层UG、UF交替放置。

第二过渡子区ITR-2主要设计来反抗襟翼和边缘弯曲载荷和适应由推力引起的尾桨桨叶的襟翼偏转。除了这些功能要求外,第二过渡子区ITR-2还使沿该复合柔性梁的自由边缘上的层间的剪切应力减小。更准确地说,第二过渡子区ITR-2限定了许多个每个都具有基本上为二次曲线形状的侧向面60L。该二次曲线形状可以采用包括抛物线、双曲线、椭圆或圆曲线等各种形状。对两侧的侧向面60L,该二次曲线形状(以下称为“宽度二次曲线”)都起始于与第一和第二过渡子区ITR-1,ITR-2的交界处相对应的点AL,终止于与第二过渡子区ITR-2和桨毂连接区HAR交界处相对应的点BL。此外,参看图5b,该宽度二次曲线限定了沿该曲线的各个点处的斜角θWC,该斜角可以由一个标准的超越函数给出:θWC=Tan-1(DY/DX)式中的DY/DX是在X-Y坐标系中该宽度二次曲线的一个特定点的斜率。其X轴与柔性梁10的纵向轴线(图5b中未示出)相平行,Y轴与该宽度二次曲线的点AL相交。该宽度二次曲线在点AL处的斜角θWC为零度而在终点BL处增加到约30-50度之间的某个值。

本发明人发现,通过采用离轴复合材料O与单向复合材料U共同作为该二次曲线斜角θWC的函数可以显著减少层间的剪切应力。该关系式与纤维成分即石墨和玻璃纤维无关,但是对于所述的实施例,离轴石墨和玻璃纤维层OG、OF的组合仍可用来减轻热感应应力。这种应力在固化工序期间可能由于在单向玻璃纤维层和石墨层UF,UG与离轴石墨层OG之间的热失配而产生。因此,最好将离轴玻璃纤维层OF引入其间,该离轴玻璃纤维层OF的特征在于,其热膨胀系数能与单向层UF、UG和离轴石墨层OG更好地配合。

在确定该关系式以前,应当理解到离轴材料O的百分比从俯仰过渡区PR至桨毂连接区HAR必须增加至少50%。该百分比的增加是必需的,因为如上面所述,俯仰区PR是单独由单向复合材料U组成的,而该桨毂连接区需要一种离轴和单向材料O,U为50/50的混合物,以便通过螺栓连接最佳地传递载荷。此外,离轴复合材料O在第一过渡子区ITR-1中开始增加并且在第二过渡子区ITR-2中达到最大,即50%,而在与二次曲线斜角的小角度θWC,即在约0度至约10度之间的角度相对应的区域CRwt内,该离轴复合材料O的百分比是最关键的。与第二过渡子区ITR-2的外侧部分相对应的区域CRwt下文中称为临界的宽度过渡子区CRwt。

在图6中,具有上和下极限边界70U和70L的最佳曲线70,在一个作为该二次曲线斜角θWC的函数的给定截面上限定了离轴复合材料O的百分比O%,即全部离轴层OG、OF相对于全部材料组成的百分比。该最佳曲线70是为介于0度至10度之间的斜角θWC限定的,其中在该临界过渡子区CRwt内产生的层间剪切应力为最大应力。虽然对在临界宽度过渡子区的外侧和内侧的离轴复合材料O的增加要求不太严格,但这种增加最好是平缓的,以避免由于几何形状而引起的,即由于急剧的外形变化而引起的较大的轴向应变。

该最佳曲线70可以由下式限定:%O=C+900-[KθWC-30]2]]>

式中:常数C介于约14.4至约21.6之间,它限定了该最佳曲线70的Y轴截距数值的范围;斜角θWC以度表示;以及常数K等于1.0/度,以保持该公式中的单位的相容性。从该式可以明显看出,常数C还限定了该最佳曲线70的上和下极限边界70U和70L。

从该公式可知,与零度斜角相对应的离轴复合材料的百分比O%在约14.4%至约21.6%之间,在二次曲线斜率为10度处的离轴复合材料的百分比在约35.4%至约42.6%之间。为实现在临界过渡子区CRwt,即在该最佳曲线70的Y轴截矩处的该百分比,所必需的离轴复合材料O的增加在第一过渡子区ITR-1中的沿径向外侧的翼展位置IBU(见图5a)上开始。最好,该翼展位置IBU与第一和第二过渡子区ITR-1,ITR-2的交点相距DS尺寸处的位置相对应,尺寸DS约为第一过渡子区ITR-1的翼展长度LI的约15%-25%。该位置IBU可保证扭转率不会受到有害影响并且离轴材料O可以平缓地增加,以便在临界过渡子区CRwt内实现最少的离轴材料O。在临界过渡子区CRwt以外即其内侧区的离轴复合材料O的增加可以更加快速,因为此处的层间的剪切应力影响不大,因而对其中精确的厚度过渡段的要求就不太严格。当最佳曲线70及其极限边界70U和70L都是如图所示的光滑的曲线函数时,应当指出,实际上曲线70由于各离轴层OG、OF的逐渐增加的厚度积累的结果将是一个阶梯形函数。

在图7中,一个以投影示出的现有技术的柔性梁80覆盖在本发明的复合柔性梁10上,用于说明从内侧过渡区ITR的构形与结构所得到的好处。现有技术的柔性梁80的特征在于,它具有线性的宽度和厚度过渡区TR80和离轴复合材料的均匀的增加。对于后者,这种增加通常在翼展位置I80处产生,该位置位于与点A80对应的起始宽度过渡的位置的径向内侧。离轴复合材料的这种初始位置可使俯仰区PR80的有效长度达到最大。通过分析可以看出,在现有技术的柔性梁80的点A80处的层间的剪切应力比柔性梁10在点AL处可比的层间剪切应力高出2至3倍。这样高的应力值是由于该离轴复合材料的大斜角和内侧位置作用的结果而产生的。如在本发明的背景部分所述那样,人们曾采用过边缘帽盖C80或复合外包封(未示出)的方法来将层间的剪切应力减少到可以接受的水平。柔性梁10的内侧过渡区ITR通过该宽度二次曲线和离轴复合材料的最佳增加的综合的结构效应而去掉了这种重量大、价格贵并且复杂的附加结构。该宽度二次曲线在该离轴复合材料提供了必须的剪切强度以减少沿第二过渡子区ITR-2的侧面60L的层间的剪切应力的同时,实现了平缓的宽度过渡。

除了这些结构上的好处以外,内侧过渡区ITR的构形和结构在实现了复合柔性梁10的边缘和扭转刚度下降的同时,还伴随增加了负责适应俯仰运动的区域/子区,即俯仰区PR和第一过渡子区ITR-1的有效长度。通过把现有技术柔性梁80的平均宽度尺寸W80与最佳柔性梁的平均宽度尺寸W10以及每个尺寸的相应位置的比较可以清楚地看出,面积惯性矩和极惯性矩(I和J)都减小了,从而使最佳柔性梁10的整体的边缘刚度和扭转刚度都减至最小。这样,该内侧过渡区ITR可在以下方面具有更大的设计灵活性:(i)建立所要求的最佳柔性梁10的第一弦向频率,(ii)减小把俯仰运动传给最佳柔性梁10所需要的操纵载荷,和/或(iii)减小其长度和/或重量。

为了进一步减小柔性梁10的边缘和扭转刚度,最好使该宽度二次曲线位于实际上尽可能靠近桨毂连接区HAR的安装孔40的位置,使得该宽度二次曲线与由厚度过渡段的末端所限定的厚度接合部TT的内侧相连续。更准确地说,最好使点CL沿该宽度二次曲线设置在S/DA的数值处于约1.6-1.85的范围内,其中S是从点CL到最接近的安装孔40的几何中心40C的距离,DA是该相应的安装孔40的直径。这样,该宽度二次曲线的空间位置就可以向内移向安装孔40,由此可使该平均宽度尺寸W10位于一个最内侧的径向位置。

在图8中,外侧过渡区OTR可适应在俯仰区PR与桨叶连接区BAR之间的宽度和厚度过渡。该外侧过渡区OTR主要设计来反抗离心载荷并且与内侧过渡区相比可以称为低载荷。也就是说,作用在外侧过渡区OTR上的载荷约为作用在内侧过渡区上的载荷的三分之一。由于载荷不太大,宽度和厚度过渡可以较快速地进行而不会引起较高的层间的剪切应力。在所述的实施例中,离轴石墨层OG交替的结合在俯仰区的单向玻璃纤维和石墨层UF、UG中,从而可实现快速、二次曲线的厚度过渡。此外,将插入足够的离轴石墨层OG,以便在桨叶连接区BAR中实现50/50的单向与离轴复合材料U、O的混合物。

在图9中,该外侧过渡区的特征在于它具有内侧过渡区ITR的许多相同的特点。例如,该外侧过渡区OTR的侧面90L限定了一个二次曲线形状,该曲线配置在很靠近桨叶连接区BAR的安装孔42处,即厚度接合部TT的内侧。如前所述,这些特点(除了别的以外)增加了俯仰区PR的有效长度,减小了层间的剪切应力和重量。

本发明的复合柔性梁10可以通过常规的制造方法包括真空成形,加压模塑和树脂传递模塑等方法制造出来。在该最佳实施例中,真空成形方法用来固化该最佳柔性梁的复合材料U,O。更准确地说,参看图10和11,一个复合叠层CL可以通过把浸渍了树脂的单向和离轴复合材料的末固化层放在,即用手或一个数字控制的带铺叠头放在一个限定了最佳柔性梁10的工作面102的基底金属模100中。接着,铺设该单向和离轴材料以便形成该最佳复合柔性梁的厚度尺寸。该宽度尺寸WCL最初加工成超过最后净成形柔性梁10的宽度的尺寸,最好宽度尺寸WCL比桨毂连接区的宽度尺寸WHAR超过约30%至约50%。

将一个半刚性覆盖板104(见图11)放置在复合叠层CL的露出的上表面CLS上,再将一个不可渗透的可挠曲膜106,通常称做真空袋,放置在该覆盖板104上并且密封在基底模100上。真空源108把由复合叠层CL充满的该模腔抽成真空,使得真空袋和半刚性覆盖板压紧在该叠层CL上以备高压蒸汽养护。把整个模具组件110放在蒸压器(未示出)中,其中热量和附加的压力作用在该叠层CL上以便将该复合叠层固化。然后使用常规的切削设备例如高速多轴铣床把该固化的复合叠层CL加工成净宽度尺寸。最后加工步骤包括铣削最佳柔性梁的边缘以便制出上述的倒角的边缘面。

虽然柔性梁10的最佳实施例包括了各种区和子区的组合,但应当理解到,对某个单个区例如内侧过渡区ITR的具体揭示内容可以适用于其他的柔性梁构形。也就是说,与内侧过渡区ITR相关的揭示内容可以使用在结合有具有例如在现有技术中已经揭示的常规构形或者具有为满足一个特别用途而改进的构形的其他区中。例如,内侧过渡区ITR可以用来与具有直角边缘构形和/或单一材料的复合层压板,例如全单向石墨配料或全单向玻璃纤维材料的俯仰区结合使用。此外,内侧过渡区ITR还可以用来与具有非固定宽度和厚度尺寸的桨毂连接区结合使用,以便与其他桨毂连接装置相适应。

虽然已经参照典型实施例对本发明进行了图示和说明,但是应当指出,本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对本发明作出上述的和其他的改变、省略和增加。

Claims (5)

1.一种具有多个邻接区的复合柔性梁(10),该邻接区包括一个桨毂连接区(HAR)、一个桨叶连接区(BAR)、一个俯仰区(PR)和一个设置在该俯仰区与桨叶连接区(PR,BAR)之间并与它们相连接的外侧过渡区(OTR),其特征在于,该复合柔性梁(10)还包括:一个设置在该俯仰区和桨毂连接区(PR,BAR)之间并与它们相连接的内侧过渡区(ITR),该内侧过渡区具有一个单向和离轴的复合材料(U,O)的组合,该组合限定了全部材料组成以及离轴复合材料(O)相对于全部材料组成的百分比%O,所述内侧过渡区(ITR)还包括:一个由厚度过渡段所限定的第一过渡子区(ITR-1);以及一个由宽度和厚度过渡段所限定并且限定了一个宽度二次曲线的第二过渡子区(ITR-2),所述第二过渡子区(ITR-2)限定了一个临界宽度过渡子区(CRwt);所述宽度二次曲线限定了二次曲线斜角θWC;所述临界宽度过渡子区(CRwt)与介于0至10度之间的二次曲线斜角θWC相对应;所述离轴复合材料(O)的百分比%O由一条最佳曲线(70)所限定,所述最佳曲线(70)在所述临界过渡子区(CRwt)中由下式确定:%O=C+900-[KθWC-30]2]]>式中:C是在约14.4-21.6之间的常数,K是一个等于1.0/度的常数。
2.如权利要求1中所述的复合柔性梁(10),其特征在于:所述第一过渡子区(ITR-1)和所述第二过渡子区(ITR-2)在它们之间限定了一个接合部,所述第一过渡子区(ITR-1)限定了一个翼展长度尺寸(LI)和一个限定所述离轴复合材料(O)的初始增加值的翼展位置(IBU),所述翼展位置(IBU)位于所述接合部的径向外侧。
3.如权利要求2中所述的复合柔性梁(10),其特征在于:所述翼展位置(IBU)设置在距所述接合部的距离(DS)的位置上,所述距离(DS)是在所述翼展长度尺寸(LI)的约15%至约25%之间。
4.如权利要求1中所述的复合柔性梁(10),其特征在于:所述第二过渡子区(ITR-2)限定了厚度接合部(TT),所述宽度二次曲线沿径向与所述厚度接合部(TT)的内侧相连续。
5.如权利要求4中所述的复合柔性梁(10),其特征在于:所述桨毂连接区(HAR)限定了一个具有直径尺寸(DA)和几何中心(40c)的安装孔(40),所述宽度二次曲线限定了一个沿该曲线设置的点CL,所述点(CL)限定了一个与所述几何中心(40c)相距为尺寸S的距离,所述距离和直径尺寸S,D限定了一个比值S/D,所述S/D的比值在约1.6至约1.85之间。
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