CN114030604B - 一种复合材料缠绕的拉扭条组件及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于直升机结构部件设计技术，具体涉及一种复合材料缠绕的拉扭条。所述拉扭条包括1个环形大梁(1)、2个衬套(4)；环形大梁(1)的两端缠绕有支撑填块(5)，支撑填块(5)的上下侧分别依次放置A形垫布(2)、环形垫布(3)；支撑填块(5)套设于衬套(4)；所述环形大梁(1)、衬套(4)、支撑填块(5)、A形垫布(2)和环形垫布(3)通过模压固化粘结成型为拉扭条。本发明在保证抗拉能力的同时，扭转刚度足够小，可以降低传递到桨毂的扭转载荷，同时降低结构的重量。

Description

一种复合材料缠绕的拉扭条组件及其成型方法
技术领域
本发明属于直升机结构部件设计技术，具体涉及一种复合材料缠绕的拉扭条。
背景技术
拉扭条是桨毂中传递离心力和扭矩的部件，它的工作特点是连接桨叶和桨毂，传递桨叶上传过来的绝大部分离心力，通过自身的变形取代旋翼的变距铰来实现桨叶的变距运动，从而极大改善桨毂轴向铰的受力情况，简化桨毂的结构。目前国外的贝尔、Lord以及Airwolf公司对于拉扭条的研制有几十年的经验，另外，空直公司对于涵道尾桨拉扭条的研制也有非常成熟的经验。
其中,贝尔公司开发了一种新的金属合金(镍钴铬钼合金)应用在了拉扭条上，以解决上世纪70年代末的一次故障中暴露的问题。该故障原因是不锈钢丝拉扭条组件在潮湿腐蚀环境下的失效。基于此原因，贝尔公司进行了多项研究和开发项目，从替换不锈钢丝(凯夫拉和碳纤维)到缓蚀剂和树脂添加剂，腐蚀失效问题依然没有解决。1994年底，贝尔和Lord公司开发了一种新的金属合金(镍钴铬钼合金)丝代替304不锈钢，将其应用在了拉扭条上，这种材料可以耐海水和潮湿环境腐蚀。
Airwolf公司的拉扭条，采用的是中间为碳纤维，周围为玻璃纤维，金属衬套完全覆盖大梁带的结构形式。
过去的50多年中，空直公司在涵道尾桨的改进中对拉扭条进行了设计改进。1968年，南方公司首个涵道尾桨在SA340瞪羚上使用，采用的是铝制桨叶和钢片叠层的拉扭条。后来，南方航空公司和MBB合并为欧直，后被空客收购改为空直公司。1980年，随着涵道尾桨技术的发展，拉扭条采用凯夫拉纤维。1998年，EC155的涵道尾桨叶通过认证，使用RTM制造工艺，采用一体化变距杆和两个轴承环，独立的不锈钢拉扭条梁通过复合材料孔连接桨叶。2014年的EC145 T2最新的涵道尾桨技术，采用了碳纤维增强桨叶和集成拉扭条，并通过认证。
相对于尾桨拉扭条，主旋翼拉扭条研制更困难：桨叶尺寸相对尾桨大很多，高速旋转的桨叶产生更大的离心力要求拉扭条横截面的面积要足够大，保证拉扭条的抗拉能力。对于需要进行高速飞行的直升机，其操纵行程的大幅度增加也增加了拉扭条的研制难度。主旋翼拉扭条除了静态的扭转变形要求，每一部分的横截面积要小，以免拉扭条扭刚过大传递到拉杆等其他零部件的载荷过大，还有高周的动态扭转变形要求，因此拉扭条还需要考虑高周的疲劳性能要求。
拉扭条的种类主要分为金属拉扭条和复合材料拉扭条。其中金属拉扭条通常使用多层金属薄片和垫布组成，在承受周期性较大载荷时，其金属薄片易出现疲劳裂纹并迅速扩展，导致使用寿命很低。受表面平整度影响，金属薄片之间的的贴合度不稳定，因此金属薄片的应力和应变也不稳定。特别是越来越严格的直升机重量控制要求，要求拉扭条采用强度重量比更高的复合材料。
拉扭条，由于矩形带的剪切中心与扭转轴之间的偏移，每条带都受拉、扭、弯的共同作用，设计变量是每个片的厚度、宽度和数量，厚度受到最大允许剪应变、拉扭条长度和最大扭角的限制，根据拉扭条和根部轴承的厚度确定拉扭条叠片的数量。复合材料拉扭条需要采用多层叠片的设计，分的层数越多，设计性能越好，但实际允许的层数受到制造的制约。国内没有在主旋翼上应用复合材料拉扭条的经验，并且国内与国外材料体系和工艺方法不同，比如国外贝尔和lord公司为了拉扭条研制专用的合金材料，空直公司应用了新材料新工艺，而国内材料体系和工艺方法的更新换代方向和国外不一定相同，也需要较长时间。在目前及今后几年内，国外已有的拉扭条结构形式也不能直接应用在国内的旋翼复合材料拉扭条研制上。因此，有必要设计一种能够应用于主旋翼或尾桨上的复合材料拉扭条。
发明内容
本发明的目的：提供一种可用于高速直升机主旋翼的复合材料多层叠片的拉扭条，在保证抗拉能力的同时，扭转刚度足够小，可以降低传递到桨毂的扭转载荷，同时降低结构的重量。
发明的技术方案：一方面，提供一种复合材料缠绕的拉扭条组件，所述拉扭条包括1个环形大梁1、2个衬套4；环形大梁1的两端缠绕有支撑填块5，支撑填块5的上下侧分别依次放置A形垫布2、环形垫布3；支撑填块5套设于衬套4；
所述环形大梁1、衬套4、支撑填块5、A形垫布2和环形垫布3通过模压固化粘结成型为拉扭条。
进一步地，所述拉扭条组件包括依次叠加的多层拉扭条；多层拉扭条共用2个衬套4；多层拉扭条通过模压固化粘结成型为拉扭条组件。
进一步地，所述支撑填块5由玻璃布铺叠构成或由金属材料加工而成。
进一步地，所述支撑填块5由复合材料编织布包裹短切纤维填充物构成。
进一步地，所述支撑填块5为A型结构，两端面为弧面。
进一步地，A形垫布2、环形垫布3均使用复合材料编织布。
进一步地，所述衬套4为腰鼓形衬套。
另一方面，提供一种拉扭条组件的成型方法，所述成型方法包括：
将复合材料单向带或无纬绕两个支撑填块5进行缠绕，并将复合材料与支撑填块5进行一次模压固化形成环形大梁1，然后将支撑填块5套设于衬套4；
每层环形大梁1的支撑填块5上下两侧依次放置A形垫布2、环形垫布3后，将环形大梁1、支撑填块5、衬套4、A形垫布2和环形垫布3进行二次模压固化成拉扭条组件。
本发明的优点：本发明提供的复合材料多层叠片拉扭条组件，在保证抗拉能力的同时，扭转刚度足够小，可以降低传递到桨毂的扭转载荷。同时降低了结构的重量，减少了制作以及维护的成本。
附图说明：
图1是拉扭条组件结构示意图；
图2是拉扭条组件剖视图；
图3是腰鼓型衬套结构示意图；其中，左图为轴视图、右图为剖视图；
图4是接头填块结构示意图；
图5是环形大梁的结构示意图；
图6是A型垫布结构示意图；
图7是拉扭条组件成型流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
目前国内对于复合材料拉扭条的结构制造，工艺上擅长采用大梁缠绕的形式，还不具备铺叠编织薄片形式的制造能力。基于这个特点，本专利提出了一种复合材料缠绕拉扭条多层叠片组件结构。
实施例1
结合图1至图7所示，本实施例，提供一种复合材料缠绕的拉扭条组件，所述拉扭条组件包括3个环形大梁1、2个衬套4；环形大梁1的两端缠绕有支撑填块5，支撑填块5的上下侧分别依次放置A形垫布2、环形垫布3；支撑填块5套设于衬套4；所述环形大梁1、衬套4、支撑填块5、A形垫布2和环形垫布3通过模压固化粘结成型为拉扭条。
本实施例，拉扭条组件包括3层依次叠加的拉扭条，多层拉扭条共用2个衬套4；多层拉扭条通过模压固化粘结成型为拉扭条组件。
本实施例，所述支撑填块5由玻璃布铺叠构成或由金属材料加工而成，或由复合材料编织布包裹短切纤维填充物构成。进一步地，结合图4所示，所述支撑填块5为A型结构，两端面为弧面。
本实施例，结合图5和图6所示，A形垫布2、环形垫布3均使用复合材料编织布。
本实施例，结合图3所示，所述衬套4为腰鼓形衬套。
本实施例，结合图7所示，拉扭条组件的成型方法包括：
将复合材料单向带或无纬绕两个支撑填块5进行缠绕，并将复合材料与支撑填块5进行一次模压固化形成环形大梁1，然后将支撑填块5套设于衬套4；
每层环形大梁1的支撑填块5上下两侧依次放置A形垫布2、环形垫布3后，将环形大梁1、支撑填块5、衬套4、A形垫布2和环形垫布3进行二次模压固化成拉扭条组件。
本实施例，拉扭条组件由1-4层复合材料分层拉扭条叠片组成。为什么是1-4层，主要是因为分层过多，则缠绕的大梁扁平，成型容易出现弯曲的缺陷，降低拉扭条的性能和合格率。且复合材料和金属的加工不同，两端孔的尺寸精度不能保证和金属件一样。拉扭条层数过多，多层拉扭条组装成组件时就有可能出现长度不一致的现象导致粘接质量差的后果，如果长度不一致的情况严重，则可能导致不同的片层之间受力有较大的差别，一部分拉扭条的承受的载荷加大，导致拉扭条提前破坏。
本实施例，拉扭条组件大梁为玻璃纤维复合材料。纤维增强复合材料的剪切模量大概为3-4GPa，而不锈钢等金属的剪切模量为79GPa，两者相差约20倍，而且纤维增强复合材料在纤维方向拉伸强度较高，在满足拉伸载荷要求下，本发明提供的复合材料多层叠片拉扭条组件扭转刚度比金属拉扭条要小，所以可以传递更小的扭转载荷。
本实施例，拉扭条组件由A型垫布2和环形垫布3组成。两种垫布形状不同，是为了更好的实现平滑过渡，而非同一位置截断，可以缓和应力集中现象。

Claims (8)

1.一种拉扭条组件的成型方法，其特征在于，所述成型方法包括：
将复合材料单向带或无纬绕两个支撑填块（5）进行缠绕，并将复合材料与支撑填块（5）进行一次模压固化形成环形大梁（1），然后将支撑填块（5）套设于衬套（4）；
每层环形大梁（1）的支撑填块（5）上下两侧依次放置A形垫布（2）、环形垫布（3）后，将环形大梁（1）、支撑填块（5）、衬套（4）、A形垫布（2）和环形垫布（3）进行二次模压固化成拉扭条组件。
2.一种复合材料缠绕的拉扭条组件，其特征在于，所述拉扭条组件是根据权利要求1所述的成型方法制造的；所述拉扭条包括1个环形大梁（1）、2个衬套（4）；环形大梁（1）的两端缠绕有支撑填块（5），支撑填块（5）的上下侧分别依次放置A形垫布（2）、环形垫布（3）；支撑填块（5）套设于衬套（4）；所述环形大梁（1）、衬套（4）、支撑填块（5）、A形垫布（2）和环形垫布（3）通过模压固化粘结成型为拉扭条。
3.根据权利要求2所述的拉扭条组件，其特征在于，所述拉扭条组件包括依次叠加的多层拉扭条；多层拉扭条共用2个衬套（4）；多层拉扭条通过模压固化粘结成型为拉扭条组件。
4.根据权利要求3所述的拉扭条组件，其特征在于，所述支撑填块（5）由玻璃布铺叠构成或由金属材料加工而成。
5.根据权利要求3所述的拉扭条组件，其特征在于，所述支撑填块（5）由复合材料编织布包裹短切纤维填充物构成。
6.根据权利要求3所述的拉扭条组件，其特征在于，所述支撑填块（5）为A型结构，两端面为弧面。
7.根据权利要求3所述的拉扭条组件，其特征在于，A形垫布（2）、环形垫布（3）均使用复合材料编织布。
8.根据权利要求3所述的拉扭条组件，其特征在于，所述衬套（4）为腰鼓形衬套。
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