JP2010143484A - Method for determining cross section of flexible beam, and flexible beam - Google Patents
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Abstract
【課題】 フレックスビームの層間せん断応力が低減された断面を効率的に抽出することができるフレックスビームの断面決定方法およびフレックスビームを提供する。
【解決手段】 フレックスビーム１０は、繊維強化複合材料から成り、ハブ側接続部１０ａと、フェザリング運動およびリード・ラグ運動を許容する部材を介してロータブレード１３が固定されるブレード側接続部１０ｂと、ハブ側接続部１０ａ・ブレード側接続部１０ｂ間に連なる最適化された可撓部１０ｃとを有する。最適断面部のフェザリング軸線１７に垂直な断面は、予め定める設計条件を満たし、フェザリング軸線１７を原点とするＸＹ直交座標系において、Ｘ軸に平行な幅方向両端部に傾斜面を形成し、フレックスビームにフラッピング運動による曲げモーメントが作用するとき、フェザリング軸線１７を含み、Ｙ軸に垂直な面に発生する層間せん断応力τｙｚが材料の許容値を満たすように決定する。
【選択図】 図１
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flex beam cross section determination method and a flex beam capable of efficiently extracting a cross section of a flex beam with reduced interlaminar shear stress.
A flex beam 10 is made of a fiber reinforced composite material, and a blade side connection portion 10b to which a rotor blade 13 is fixed via a hub side connection portion 10a and a member that allows a feathering motion and a lead lug motion. And an optimized flexible portion 10c connected between the hub side connection portion 10a and the blade side connection portion 10b. The cross section perpendicular to the feathering axis 17 of the optimum cross section satisfies predetermined design conditions, and in the XY rectangular coordinate system with the feathering axis 17 as the origin, inclined surfaces are formed at both ends in the width direction parallel to the X axis. When a bending moment due to the flapping motion acts on the flex beam, the interlaminar shear stress τyz generated in the plane including the feathering axis 17 and perpendicular to the Y axis is determined so as to satisfy the allowable value of the material.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、ヘリコプタのヒンジレスロータのハブ中央部とロータブレードとを連結するためなどに用いられ、繊維強化複合材料（Fiber Reinforced Plastics；略称ＦＲＰ）から成るフレックスビームの断面を決定するための方法およびこの方法によって決定された断面を有するフレックスビームに関する。 The present invention is used to connect a hub central part of a hingeless rotor of a helicopter and a rotor blade, etc., and a method for determining a cross section of a flex beam made of fiber reinforced composite material (FRP). And a flex beam having a cross-section determined by this method.
ヘリコプタのヒンジレスロータは、フラッピング方向に柔軟な動きを提供すると同時に、遠心力およびフラッピング運動による曲げモーメントなどの荷重を担持するフレックスビームによって、ロータ回転軸線まわりに回転駆動されるハブに複数のロータブレードが連結されている。 Helicopter hingeless rotors provide a flexible movement in the flapping direction, and at the same time, a plurality of hubs that are rotationally driven around the rotor rotation axis by a flex beam carrying a load such as a bending force due to centrifugal force and flapping motion. The rotor blades are connected.
このようなフレックスビームは、剛性を下げるために、繊維強化複合材料から成る薄い板状ビームが広く用いられている。フレックスビームに曲げモーメントやせん断力が作用すると、その内部に面外せん断応力が発生するが、特に繊維強化複合材料の場合は、層間せん断応力となり、フレックスビームの強度を極端に下げてしまうため、層間せん断応力の低いフレックスビームが所望されている。 In order to reduce the rigidity of such a flex beam, a thin plate beam made of a fiber reinforced composite material is widely used. When bending moment or shear force acts on the flex beam, out-of-plane shear stress is generated inside it, but especially in the case of fiber reinforced composite materials, it becomes interlaminar shear stress, and the strength of the flex beam is extremely lowered. A flex beam with low interlaminar shear stress is desired.
図８は従来技術のフレックスビーム１の側面の層間せん断応力分布を示す側面図であり、図９は図８に示すフレックスビーム１の内部の層間せん断応力分布を示す斜視図である。ヘリコプタで使用されるフレックスビーム１の断面は、そのほとんどが製造の容易なシンプルな矩形断面であるが、このような矩形断面においては、原理的に層間せん断応力の分布が幅方向に均一ではなく、端部で極端に応力が高くなる領域２が発生するため、構造上最適な断面とはいえない。 FIG. 8 is a side view showing the interlayer shear stress distribution on the side surface of the flex beam 1 of the prior art, and FIG. 9 is a perspective view showing the interlayer shear stress distribution inside the flex beam 1 shown in FIG. Most of the cross section of the flex beam 1 used in the helicopter is a simple rectangular cross section that is easy to manufacture. In such a rectangular cross section, in principle, the distribution of the interlaminar shear stress is not uniform in the width direction. Since the region 2 where the stress is extremely high is generated at the end portion, it cannot be said that the cross section is optimal in terms of structure.
図１０は計算によって求めた矩形断面の層間せん断応力τｙｚの分布を示すグラフであり、図１１は層間せん断応力τｙｚの算出に用いたフレックスビーム１の矩形断面モデルを示す図であり、図１２は層間せん断応力τｙｚの算出に用いたフレックスビーム１の荷重モデルを示す図である。矩形断面のフレックスビーム１の層間せん断応力τｙｚは、フェザリング軸線をＺ軸としたとき、Ｚ軸を原点とし、Ｚ軸に垂直なＸＹ平面上の４つの点Ｐ１（ａ,ｂ），Ｐ２（−ａ，ｂ），Ｐ３（−ａ，−ｂ），Ｐ４（ａ，−ｂ）を結んで形成される長方形を断面とする片持ち梁の先端部に荷重Ｗが作用したときにフレックスビーム１の曲げ中立面に発生するせん断応力であって、 FIG. 10 is a graph showing the distribution of the interlaminar shear stress τyz of the rectangular cross section obtained by calculation, FIG. 11 is a diagram showing the rectangular cross section model of the flex beam 1 used for the calculation of the interlaminar shear stress τyz, and FIG. It is a figure which shows the load model of the flex beam 1 used for calculation of interlayer shear stress (tau) yz. The interlaminar shear stress τyz of the flex beam 1 having a rectangular cross section has four points P1 (a, b), P2 (on the XY plane perpendicular to the Z axis, with the Z axis as the origin when the feathering axis is the Z axis ( -A, b), P3 (-a, -b), flex beam 1 when load W acts on the tip of a cantilever having a rectangular cross section formed by connecting P4 (a, -b) Shear stress generated in the bending neutral plane of
によって求められる。ここに、Ｗはフレックスビームに作用するせん断荷重、νはポアソン比、Ａは断面積である。 Sought by. Here, W is a shear load acting on the flex beam, ν is a Poisson's ratio, and A is a cross-sectional area.
Ｘ軸上の幅ａに対する任意の点ｘの比（ｘ／ａ）を横軸とし、層間せん断応力τｙｚを初等材料力学で求められる梁の曲げ中立面でのせん断応力である３Ｗ／２Ａ（ここに、Ａは矩形断面の面積）で除算した値（＝τｙｚ／（３Ｗ／２Ａ））を縦軸として、アスペクト比（ｘ／ａ）を中央（＝原点）の０から端部の１までを０．１刻みで、アスペクト比ｂ／ａ＝０．１，０．３，１，５毎に前述の式１でそれぞれ算出した値を結ぶと、図１０のラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が得られる。これらのラインＬ１〜Ｌ４のうち縦長断面であるラインＬ４を除いては、端部の層間せん断応力が高くなっており、特に横長断面であるラインＬ１，Ｌ２では端部において局部的に高い層間せん断応力が発生することを示している。 The ratio of an arbitrary point x to the width a on the X-axis (x / a) is taken as the horizontal axis, and the interlaminar shear stress τyz is 3W / 2A (the shear stress at the bending neutral plane of the beam determined by primary material mechanics). Here, A is the value (= τyz / (3W / 2A)) divided by the area of the rectangular cross section), and the aspect ratio (x / a) is from 0 at the center (= origin) to 1 at the end. Are connected to the values calculated by the above-described expression 1 for every aspect ratio b / a = 0.1, 0.3, 1, 5 in increments of 0.1, lines L1, L2, L3, L4 in FIG. Is obtained. Of these lines L1 to L4, except for the line L4 which is a longitudinally long section, the interlaminar shear stress at the end is high, and particularly in the lines L1 and L2 which are laterally long sections, the interlaminar shear is locally high at the end. It shows that stress is generated.
図１３は計算によって求めた楕円断面の層間せん断応力の分布を示すグラフであり、図１４は層間せん断応力の算出に用いたフレックスビーム１の楕円断面モデルを示す図である。楕円断面のフレックスビーム１の層間せん断応力τｙｚは、フェザリング軸線１７をＺ軸としたとき、Ｚ軸を原点とし、Ｚ軸に垂直なＸＹ平面上のＰ１１（ａ，０）、Ｐ１２（０，ｂ）、Ｐ１３（−ａ，０）、Ｐ１４（０，−ｂ）を通る楕円を断面として、図１２と同様に片持ち梁の先端部に荷重Ｗが作用したときにフレックスビーム１の曲げ中立面に発生するせん断応力であって、 FIG. 13 is a graph showing the distribution of the interlayer shear stress of the elliptical cross section obtained by calculation, and FIG. 14 is a diagram showing the elliptical cross section model of the flex beam 1 used for the calculation of the interlayer shear stress. The interlaminar shear stress τyz of the elliptical cross section flex beam 1 is P11 (a, 0), P12 (0, P) on the XY plane perpendicular to the Z axis, with the Z axis as the origin when the feathering axis 17 is the Z axis. b) With the ellipse passing through P13 (−a, 0) and P14 (0, −b) as a cross section, the flex beam 1 is being bent when the load W acts on the tip of the cantilever as in FIG. Shear stress generated at the elevation,
によって求められる。ここに、Ｗはフレックスビームに作用するせん断荷重、νはポアソン比、Ｉは断面２次モーメントである。 Sought by. Here, W is a shear load acting on the flex beam, ν is a Poisson's ratio, and I is a secondary moment of section.
Ｘ軸上の幅ａに対する任意の点ｘの比（ｘ／ａ）を横軸とし、層間せん断応力τｙｚを３Ｗ／２Ａ（ここに、Ａは楕円断面の面積）で除算した値（＝τｙｚ／（３Ｗ／２Ａ））を縦軸として、比（ｘ／ａ）を中央（＝原点）の０から端部の１までを０．１刻みで、アスペクト比ｂ／ａ＝０．１，０．３，１，５毎に前述の式２でそれぞれ算出した値を結ぶと、図１３のラインＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４が得られる。これらのラインＬ２１〜Ｌ２４のうち縦長楕円断面であるラインＬ２４を除いては、楕円断面では中央から端部寄り層間せん断応力が低下することを示している。 The ratio of an arbitrary point x to the width a on the X axis (x / a) is the horizontal axis, and the value obtained by dividing the interlaminar shear stress τyz by 3W / 2A (where A is the area of the elliptical cross section) (= τyz / (3W / 2A)) is the vertical axis, and the ratio (x / a) is from 0.1 at the center (= origin) to 1 at the end, and the aspect ratio b / a = 0.1,0. When the values calculated by the above-described equation 2 are connected every 3, 1, and 5, lines L21, L22, L23, and L24 in FIG. 13 are obtained. Except for the line L24, which is a vertically long elliptical cross-section among these lines L21 to L24, the elliptical cross-section shows that the inter-layer shear stress near the end decreases from the center.
特許文献１に記載される従来技術は、ヘリコプタロータの最適化されたフレックスビームを提案する。この従来技術のフレックスビームは、ハブ側接続部、ブレード側接続部、ハブ側接続部に隣接する機体側遷移部、およびブレード側接続部に隣接する機外側遷移部を有し、さらに機体側遷移部および機外側遷移部に隣接してフラッピング方向の曲げ中立軸を決定するピッチ部を有する。 The prior art described in Patent Document 1 proposes a flex beam optimized for a helicopter rotor. This prior art flex beam has a hub side connection part, a blade side connection part, an airframe side transition part adjacent to the hub side connection part, and an outboard transition part adjacent to the blade side connection part. And a pitch portion for determining a bending neutral axis in the flapping direction adjacent to the outer portion and the outboard transition portion.
前記ピッチ部の断面の幅および厚さのアスペクト比は、１０以上であり、面取り端部を有する。前記面取り端部の面取り端部面は、前記フラッピング方向の曲げ中立軸に対して臨界鋭角を成し、この臨界鋭角は、約１４°〜約２２°であり、ピッチ部の厚さ寸法の約１２．５％〜約３７．５％の長さを有する。 The aspect ratio of the cross-sectional width and thickness of the pitch portion is 10 or more and has a chamfered end portion. The chamfered end surface of the chamfered end portion forms a critical acute angle with respect to the bending neutral axis in the flapping direction, and the critical acute angle is about 14 ° to about 22 °, and has a thickness dimension of the pitch portion. It has a length of about 12.5% to about 37.5%.
このような従来技術は、フレックスビームの断面の端部を面取りして傾斜をつけることによって、要求される設計要件を満たしかつ層間せん断応力を減少させるものであるが、ヘリコプタのロータの捩り部であるピッチ部に限定されており、広範囲のフレックスビームの曲げ部への適用を提案するものではなく、しかもフレックスビームの断面のアスペクト比が１０以上で傾斜部の角度が１４°〜２２°に制限されている。この従来技術ではまた、層間せん断応力については、可撓部をフラッピング方向に長くして層間せん断応力を緩和する等の設計手法が採られているが、この場合、重量増加やヒンジオフセットの増大を招き、設計上、好ましくない。さらに、断面形状についてほとんど考慮されておらず、そのほとんど全てが断面性能からみて効率の悪い矩形断面である。 Such conventional technology satisfies the required design requirements and reduces the interlaminar shear stress by chamfering and tilting the end of the cross section of the flex beam. It is limited to a certain pitch part, and is not proposed to be applied to the bending part of a wide range of flex beam. Moreover, the aspect ratio of the cross section of the flex beam is 10 or more and the angle of the inclined part is limited to 14 ° to 22 °. Has been. In this prior art, as for the interlaminar shear stress, a design method such as lengthening the flexible portion in the flapping direction to relax the interlaminar shear stress is adopted. In this case, however, the weight increase and the hinge offset increase. This is undesirable in terms of design. Furthermore, almost no consideration is given to the cross-sectional shape, and almost all of them are rectangular cross-sections that are inefficient in terms of cross-sectional performance.
本発明の目的は、フレックスビームの層間せん断応力が低減された断面を効率的に抽出することができるフレックスビームの断面決定方法およびフレックスビームを提供することである。 An object of the present invention is to provide a flex beam cross section determination method and a flex beam that can efficiently extract a cross section of the flex beam with reduced interlaminar shear stress.
本発明は、繊維強化複合材料から成り、ロータハブに固定または一体に形成されるハブ側接続部と、ブレードが直接的または間接的に固定されるブレード側接続部と、ハブ側接続部およびブレード側接続部間に連なる最適断面部とを有し、これらのハブ側接続部、前記ブレード側接続部および前記最適断面部のフェザリング軸線に垂直な断面を、予め定める設計条件を満たすように決定するフレックスビームの断面決定方法であって、
前記最適断面部のフェザリング軸線に垂直な断面は、前記フェザリング軸線を原点とするＸＹ直交座標系において、前記Ｘ軸に平行な幅方向両端部に、Ｘ軸に沿ってＹ軸から離反するにつれて相互に近接する傾斜面が形成され、フラップモーメントが作用したとき、フェザリング軸線を含みかつＹ軸に垂直な面に発生する層間せん断応力τｙｚが材料の許容値を満たすように決定することを特徴とするフレックスビームの断面決定方法である。
The present invention comprises a hub-side connection portion made of a fiber-reinforced composite material, which is fixed or integrally formed with a rotor hub, a blade-side connection portion to which a blade is fixed directly or indirectly, a hub-side connection portion and a blade side And determine the cross section perpendicular to the feathering axis of the hub side connection portion, the blade side connection portion, and the optimal cross section so as to satisfy a predetermined design condition. A method for determining the cross section of a flex beam,
The cross section perpendicular to the feathering axis of the optimum cross section is separated from the Y axis along the X axis at both ends in the width direction parallel to the X axis in the XY orthogonal coordinate system with the feathering axis as the origin. As the inclined surfaces close to each other are formed and the flap moment acts, it is determined that the interlaminar shear stress τyz generated in the plane including the feathering axis and perpendicular to the Y axis satisfies the material tolerance. This is a method of determining the cross section of a flex beam.
本発明に従えば、フレックスビームは、繊維強化複合材料から成り、ロータハブに固定または一体に形成されるハブ側接続部と、ブレードが固定されるブレード側接続部と、ハブ側接続部およびブレード側接続部間に連なる最適断面部とを有する。これらのハブ側接続部、ブレード側接続部および最適断面部のフェザリング軸線に垂直な断面は、予め定める設計条件を満たすとともに、フェザリング軸線を原点とするＸＹ直交座標系において、Ｘ軸に平行な幅方向両端部に、Ｘ軸に沿ってＹ軸から離反するにつれて相互に近接する傾斜面が形成され、フレックスビームにせん断力とフラップモーメントが作用するとき、フェザリング軸を含み、Ｙ軸に垂直な面に発生する層間せん断応力τｙｚが材料の許容値を満たすように決定することによって、局部的に大きな層間せん断応力が発生することなく、経済的な断面を効率よく決定することができる。 According to the present invention, the flex beam is made of a fiber reinforced composite material, and is fixed to or integrally formed with the rotor hub. The blade side connection portion to which the blade is fixed, the hub side connection portion and the blade side. And an optimum cross-sectional portion connected between the connecting portions. The cross section perpendicular to the feathering axis of the hub side connection part, blade side connection part, and optimum cross section satisfies the predetermined design condition and is parallel to the X axis in the XY Cartesian coordinate system with the feathering axis as the origin. At both ends in the width direction, inclined surfaces that are close to each other as the distance from the Y axis is increased along the X axis. When shearing force and flap moment act on the flex beam, including the feathering axis, By determining the interlaminar shear stress τyz generated on the vertical plane to satisfy the allowable value of the material, an economical cross section can be efficiently determined without generating a large interlaminar shear stress locally.
また本発明は、前記フレックスビームは、ヘリコプタのロータハブとブレードとを連結するフレックスビームであることを特徴とする。 In the invention, it is preferable that the flex beam is a flex beam that connects a helicopter rotor hub and a blade.
本発明に従えば、前述したように層間せん断応力に対して効率的な断面を有するフレックスビームをヘリコプタのロータハブとロータブレードとを連結するフレックスビームとして用いることによって、フレックスビームがロータブレードから受ける荷重に対して高い断面性能を有するフレックスビームを実現することができるとともに、フレックスビームおよびこのフレックスビームを含むロータハブの軽量化を図ることができる。 According to the present invention, as described above, the flex beam having an effective cross section with respect to the interlaminar shear stress is used as the flex beam connecting the rotor hub and the rotor blade of the helicopter. As a result, a flex beam having a high cross-sectional performance can be realized, and the flex beam and the rotor hub including the flex beam can be reduced in weight.
さらに本発明は、前記のフレックスビームの断面決定方法によって決定された断面を有するフレックスビームである。 Furthermore, the present invention is a flex beam having a cross section determined by the above-described flex beam cross section determining method.
本発明に従えば、前述したように層間せん断応力に対して効率的な断面を有するフレックスビームを、ヘリコプタのロータハブに限らず、一般の構造体においても同様の曲げせん断荷重を受ける繊維強化複合材料製の梁に対して適用することができる。 According to the present invention, the fiber reinforced composite material that receives the same bending shear load not only in the helicopter rotor hub but also in a general structure, the flex beam having an efficient cross section with respect to the interlaminar shear stress as described above. It can be applied to steel beams.
本発明によれば、フラップモーメントに対して層間せん断応力が材料の許容値を満たすようにフラッピング方向に垂直な断面を決定するので、局部的に高い応力が発生することが防がれ、最適断面を容易に抽出して、フレックスビームに効率的な断面を決定することができる。このようにフレックスビームに効率的な断面を採用することによって、このフレックスビームを含むロータハブ全体の強度レベルが上がり、またヒンジオフセット位置を従来に比べて内側にして、軽量で高強度のロータハブを実現することができる。 According to the present invention, the cross section perpendicular to the flapping direction is determined so that the interlaminar shear stress with respect to the flap moment satisfies the allowable value of the material. The cross section can be easily extracted to determine an efficient cross section for the flex beam. By adopting an efficient cross-section for the flex beam in this way, the strength level of the entire rotor hub including this flex beam is increased, and the hinge offset position is set to the inner side compared to the conventional to realize a lightweight and high strength rotor hub. can do.
また本発明によれば、層間せん断応力が材料の許容値を満たすように梁の曲げに関する一般理論に基づいて最適断面を決定することができるので、その用途はヘリコプタのロータハブに限らず、一般の構造体においても、同様の曲げせん断荷重を受ける繊維強化複合材料製の梁に対して適用することができ、高い汎用性を有し、曲げ荷重を受ける各種の部材の最適断面を決定するために、本発明を広範囲に実施することができる。 Further, according to the present invention, since the optimum cross section can be determined based on the general theory regarding the bending of the beam so that the interlaminar shear stress satisfies the allowable value of the material, the use is not limited to the rotor hub of the helicopter, In order to determine the optimum cross-section of various members that can be applied to a fiber-reinforced composite material beam subjected to the same bending shear load in the structure and has high versatility. The present invention can be widely implemented.
図１は本発明の実施の一形態のフレックスビームの断面決定方法が適用されたフレックスビーム１０を備えるヘリコプタのロータアッセンブリ１１の一部の斜視図である。本実施の形態では、フレックスビームの断面決定方法によって断面決定されたフレックスビーム１０を備えるロータアッセンブリ１１について説明する。 FIG. 1 is a perspective view of a part of a helicopter rotor assembly 11 including a flex beam 10 to which a flex beam cross-section determining method according to an embodiment of the present invention is applied. In the present embodiment, a rotor assembly 11 including a flex beam 10 whose cross section is determined by a flex beam cross section determining method will be described.
本実施形態において、ロータアッセンブリ１１は、ロータ回転軸線１２を中心に複数（本実施形態では４）のロータブレード１３を駆動するロータハブ１４を有する。フレックスビーム１０は、中央側でロータハブ１４に連結され、先端側でフェザリング運動およびリード・ラグ運動を許容することができる部材を介して各ロータブレード１３に連結され、ロータハブ１４と各ロータブレード１４と間接的に連結する。 In this embodiment, the rotor assembly 11 has a rotor hub 14 that drives a plurality (four in this embodiment) of rotor blades 13 around the rotor rotation axis 12. The flex beam 10 is connected to the rotor hub 14 on the center side, and is connected to each rotor blade 13 via a member capable of allowing feathering movement and lead / lag movement on the tip side, and the rotor hub 14 and each rotor blade 14 are connected. Link indirectly.
図２はフレックスビーム１０の平面図であり、図３は図２の下方から見たフレックスビーム１０の側面図であり、図４は図２の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た拡大断面図である。各フレックスビーム１０は、弾性変形によってフラッピング運動を可能にするとともに、各ロータブレード１３からの遠心力、フラッピング方向の曲げモーメントおよびリードラグ方向の曲げモーメントをロータハブに伝達する。 2 is a plan view of the flex beam 10, FIG. 3 is a side view of the flex beam 10 as viewed from below in FIG. 2, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view as viewed from the section line IV-IV in FIG. is there. Each flex beam 10 enables a flapping motion by elastic deformation, and transmits the centrifugal force, the bending moment in the flapping direction, and the bending moment in the lead lug direction to the rotor hub.
前記フレックスビーム１０は、ハブ側接続部１０ａ、ブレード側接続部１０ｂ、最適化された可撓部１０ｃによって構成される。 The flex beam 10 includes a hub side connection portion 10a, a blade side connection portion 10b, and an optimized flexible portion 10c.
フレックスビーム１０の最適断面部の断面決定には、繊維強化複合材料を対象としたコンピュータによって実行可能なソフトウェアプログラムを用いて有限要素法（略称ＦＥＭ）によって計算し、各要素における層間せん断応力の計算値から設計基準強度の判定を行い、強度解析を行う。 The cross section of the optimum cross section of the flex beam 10 is determined by a finite element method (abbreviated as FEM) using a computer-executable software program for the fiber reinforced composite material, and calculation of interlaminar shear stress in each element. The design standard strength is judged from the value, and strength analysis is performed.
前記最適化された可撓部１０ｃは、フェザリング軸線１７に垂直な断面において、長方形の四隅が面取りされた傾斜面２０ａ〜２０ｄ（図４参照）を有し、これによって前記従来技術のように端部に局部的に大きな層間せん断応力が発生することが防がれ、応力的に無駄のない効率的な断面を有する。 The optimized flexible portion 10c has inclined surfaces 20a to 20d (see FIG. 4) with chamfered four corners of a rectangle in a cross section perpendicular to the feathering axis 17, and thus, as in the prior art. It is possible to prevent a large interlayer shear stress from being generated locally at the end portion, and to have an efficient cross section with no waste in terms of stress.
ハブ側接続部１０ａは、前述のロータハブ１４に各複数のボルト１８およびナット等によって固定される。そのため、ハブ側接続部１０ａには、前記ボルトの軸部が挿通する複数のボルト挿通孔１５が形成される。このハブ側接続部１０ａは、フレックスビーム１０の主としてフラッピング方向の曲げモーメント、リード・ラグ方向の曲げモーメントおよび遠心力をロータハブ１４へ伝達する。 The hub side connection portion 10a is fixed to the rotor hub 14 with a plurality of bolts 18 and nuts. Therefore, a plurality of bolt insertion holes 15 through which the shaft portions of the bolts are inserted are formed in the hub side connection portion 10a. The hub side connection portion 10 a transmits the flex beam 10 bending moment in the flapping direction, bending moment in the lead / lag direction, and centrifugal force to the rotor hub 14.
ブレード側接続部１０ｂは、フェザリング運動およびリード・ラグ運動を許容することができる部材を介して、ロータブレード１３に固定するための複数のボルト（図示せず）の軸部が挿通する複数のボルト挿通孔１６が形成される。このブレード側接続部１０ｂは、ロータブレード１３からのフラッピング方向の曲げモーメント、リード・ラグ方向の曲げモーメントおよび遠心力をフレックスビーム１０に伝達する。 The blade-side connection portion 10b has a plurality of bolts (not shown) that are inserted through shafts of members that can be fixed to the rotor blade 13 through a member that can allow feathering motion and lead lug motion. Bolt insertion holes 16 are formed. The blade side connection portion 10 b transmits the bending moment in the flapping direction, the bending moment in the lead / lag direction, and the centrifugal force from the rotor blade 13 to the flex beam 10.
可撓部１０ｃは、前述の機体側のハブ側接続部１０ａとブレード側接続部１０ｂとの間に位置し、弾性変形によってフラッピング運動を許容することができる形状に設計されている。 The flexible portion 10c is located between the hub-side connecting portion 10a and the blade-side connecting portion 10b on the airframe side, and is designed in a shape that can allow a flapping motion by elastic deformation.
前記可撓部１０ｃのフェザリング軸線１７に垂直な断面は、前記フェザリング軸線１７を原点とするＸＹ直交座標系において、前記Ｘ軸に平行な幅方向両端部に、Ｘ軸に沿ってＹ軸から離反するにつれて相互に近接する傾斜面２０ａ〜２０ｄが形成され、フレックスビーム１０にフラップモーメントが作用するとき、フェザリング軸を含み、Ｙ軸に垂直な面に発生する層間せん断応力τｙｚが材料の許容値を満たすように決定される。 The cross section of the flexible portion 10c perpendicular to the feathering axis 17 is a Y-axis along the X-axis at both ends in the width direction parallel to the X-axis in the XY orthogonal coordinate system having the feathering axis 17 as the origin. When the flapping moment acts on the flex beam 10, the interlaminar shear stress τyz generated in the plane including the feathering axis and perpendicular to the Y-axis is generated. It is determined so as to satisfy an allowable value.
図５は長方形断面のフレックスビーム１０の内部の層間せん断応力分布を示す断面図であり、図６は端部を面取りして傾斜面２０ａ〜２０ｄを形成したフレックスビーム１０の内部の層間せん断応力分布を示す断面図であり、図７はフレックスビーム１０のアスペクト比に対する層間せん断応力の変化を示すグラフである。前述の式２によってフレックスビーム１０の可撓部１０ｃについてＦＥＭ解析を行ったところ、長方形断面のフレックスビームの内部の層間せん断応力分布は、図５に示すように、両端部に高い応力の発生領域２１が生じるのに対し、本発明の端部を面取りした傾斜面２０ａ〜２０ｄを有する断面のフレックスビーム１０には、端部に図５に示すような高い層間せん断応力τｙｚは発生していないことが判る。本実施形態のフレックスビーム１０は、局部的に大きな層間せん断応力τｙｚが発生することなく、経済的な断面を効率よく決定することができ、端部においても図７のラインＬ３１からラインＬ３２へ層間せん断応力τｙｚが低下していることが判る。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing an interlayer shear stress distribution inside the flex beam 10 having a rectangular cross section, and FIG. 6 is an inter-layer shear stress distribution inside the flex beam 10 having chamfered edges to form inclined surfaces 20a to 20d. FIG. 7 is a graph showing a change in interlayer shear stress with respect to the aspect ratio of the flex beam 10. When the FEM analysis was performed on the flexible portion 10c of the flex beam 10 according to the above-described equation 2, the interlayer shear stress distribution inside the flex beam having a rectangular cross section is as shown in FIG. 21 is generated, the flex beam 10 having a cross section having the inclined surfaces 20a to 20d chamfered at the end of the present invention does not generate high interlaminar shear stress τyz as shown in FIG. I understand. The flex beam 10 according to the present embodiment can efficiently determine an economical cross section without generating a large interlayer shear stress τyz locally, and the interlayer also extends from the line L31 to the line L32 in FIG. It can be seen that the shear stress τyz is reduced.
このように、本発明による端部を面取りした傾斜面２０ａ〜２０ｄを有する断面を採用することによって端部の層間せん断応力τｙｚが低減するのは、以下の２つの断面形状での層間せん断応力の発生原理によるものである。 Thus, by adopting the cross section having the inclined surfaces 20a to 20d chamfered at the end according to the present invention, the interlaminar shear stress τyz at the end is reduced because of the interlaminar shear stress in the following two cross-sectional shapes. This is due to the generation principle.
矩形断面の曲げ中立面に発生する層間せん断応力は、弾性学理論により前述の式１によって求められる。これを計算し、図示したものが図１０である。図１０のとおり、矩形断面においては、原理的に端部の層間せん断応力τｙｚが局部的に高くなってしまう特性がある。 The interlaminar shear stress generated in the bending neutral plane of the rectangular cross section is obtained by the above-described equation 1 by elastic theory. This is calculated and shown in FIG. As shown in FIG. 10, the rectangular cross section has a characteristic that the interlayer shear stress τyz at the end portion is locally increased in principle.
一方、図１４に示す楕円断面の曲げ中立面に発生する層間せん断応力τｙｚは、同様に弾性学理論により前述の式２によって求められる。これを計算し、図示したものが図１３である。図１３のとおり、楕円断面においては、原理的に端部の層間せん断応力τｙｚが低くなる特性がある。 On the other hand, the interlaminar shear stress τyz generated in the bending neutral plane of the elliptical cross section shown in FIG. This is calculated and shown in FIG. As shown in FIG. 13, the elliptical cross section has a characteristic that the interlayer shear stress τyz at the end portion is reduced in principle.
したがって、これら２つの断面を応用して組合わせれば、従来の矩形断面では避けられない端部での高い層間せん断応力の低減が可能となる。すなわち、矩形断面における端部の高い層間せん断応力の発生原理に対して、その端部にのみ楕円断面における端部の低い層間せん断応力の発生原理を適用すれば、板幅中央部付近で矩形断面による曲げ荷重に対する有効な一定板厚部を確保しつつ、端部で層間せん断応力を低減することが可能となる。なお、端部の形状としては必ずしも楕円である必要はなく、よりフレックスビームの成形が容易な平面傾斜を適用しても同様の効果が得られることは、前記ＦＥＭ解析結果のとおりである。 Therefore, if these two cross sections are applied and combined, a high interlaminar shear stress can be reduced at the end that is unavoidable with a conventional rectangular cross section. In other words, if the principle of generation of low interlaminar shear stress at the end of an elliptical section is applied only to the end of the principle of generation of high interlaminar shear stress at the end of a rectangular section, the rectangular section near the center of the plate width It is possible to reduce the interlaminar shear stress at the end portion while securing an effective constant plate thickness portion with respect to the bending load due to. It should be noted that the shape of the end portion does not necessarily need to be an ellipse, and the same effect can be obtained even by applying a plane inclination that makes it easier to form a flex beam, as the FEM analysis result.
このように層間せん断応力τｙｚに対して効率的な断面を有するフレックスビーム１０を、ヘリコプタのロータハブ１４とロータブレード１３とを連結するフレックスビームとして用いることによって、フレックスビーム１０がロータブレード１３から受ける荷重に対して高い断面性能を実現することができるとともに、ヒンジオフセット位置を従来に比べて内側にすることができ、フレックスビーム１０の軽量化を図ることができる。 By using the flex beam 10 having an efficient cross section with respect to the interlaminar shear stress τyz as a flex beam for connecting the rotor hub 14 and the rotor blade 13 of the helicopter, the load that the flex beam 10 receives from the rotor blade 13 In contrast, the cross-sectional performance can be realized, the hinge offset position can be set to the inner side as compared with the conventional case, and the flex beam 10 can be reduced in weight.
前記フレックスビーム１０は、真空成形、プレス成形および樹脂トランスファー成形を含む従来の製造技術で製造することができる。 The flex beam 10 can be manufactured by conventional manufacturing techniques including vacuum molding, press molding, and resin transfer molding.
本発明は、前述したように層間せん断応力τｙｚに対して効率的な断面を有するフレックスビームを、ヘリコプタのロータハブに限らず、一般の構造体においても同様の曲げせん断荷重を受ける繊維強化複合材料製の梁、タービンブレード、風力発電用の風車ブレードなどに対しても好適に実施することができる。 As described above, the present invention is not limited to a helicopter rotor hub but a flex beam having an efficient cross section with respect to the interlaminar shear stress τyz. The present invention can be suitably applied to other beams, turbine blades, wind turbine blades for wind power generation, and the like.
また、本発明の他の実施形態では、フレックスビームは互いにボルト等の締結具によって締結された複数のビーム部分から構成されてもよく、ロータハブにフレックスビームが一体に形成される構成であってもよい。また、フェザリング運動およびリード・ラグ運動を許容する部材と一体的に形成される構成であってもよい。 In another embodiment of the present invention, the flex beam may be composed of a plurality of beam portions fastened to each other by a fastener such as a bolt, or the flex beam may be formed integrally with the rotor hub. Good. Moreover, the structure integrally formed with the member which accept | permits a feathering motion and a lead lug motion may be sufficient.
１０ フレックスビーム
１０ａ ハブ側接続部
１０ｂ ブレード側接続部
１０ｃ ピッチ部
１１ ロータアッセンブリ
１２ ロータ回転軸線
１３ ロータブレード
１４ ロータハブ
１５，１６ ボルト挿入孔
１７ フェザリング軸線
２０ａ〜２０ｄ 傾斜面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flex beam 10a Hub side connection part 10b Blade side connection part 10c Pitch part 11 Rotor assembly 12 Rotor rotation axis 13 Rotor blade 14 Rotor hub 15, 16 Bolt insertion hole 17 Feathering axis 20a-20d Inclined surface
Claims (3)
前記最適断面部のフェザリング軸線に垂直な断面は、前記フェザリング軸線を原点とするＸＹ直交座標系において、前記Ｘ軸に平行な幅方向両端部に、Ｘ軸に沿ってＹ軸から離反するにつれて相互に近接する傾斜面が形成され、フラップモーメントが作用したとき、フェザリング軸線を含みかつＹ軸に垂直な面に発生する層間せん断応力τｙｚが材料の許容値を満たすように決定することを特徴とするフレックスビームの断面決定方法。 A hub-side connection made of a fiber-reinforced composite material, fixed to or integrally with the rotor hub, a blade-side connection where the blade is fixed directly or indirectly, and between the hub-side connection and the blade-side connection A cross section of the flex beam that has a cross section perpendicular to the feathering axis of the hub side connection section, the blade side connection section, and the optimal cross section section so as to satisfy a predetermined design condition. A decision method,
The cross section perpendicular to the feathering axis of the optimum cross section is separated from the Y axis along the X axis at both ends in the width direction parallel to the X axis in the XY orthogonal coordinate system with the feathering axis as the origin. As the inclined surfaces close to each other are formed and the flap moment acts, it is determined that the interlaminar shear stress τyz generated in the plane including the feathering axis and perpendicular to the Y axis satisfies the material tolerance. A method for determining the cross section of a flex beam.
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