JP5113734B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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、

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。

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。

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、

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。

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。

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。

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。

特開平１０−５９２９５号公報

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。

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。

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、かつ前記幅方向両端部のそれぞれに連なる矩形断面を有し、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。

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、かつ前記幅方向両端部のそれぞれに連なる矩形断面を有し、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１３と間接的に連結する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 フレックスビーム１０の平面図である。 図２の下方から見たフレックスビーム１０の側面図である。 図２の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た拡大断面図である。 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を示す断面図である。 端部を面取り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る。 フレックスビーム１０のアスペクト比ｘ／ａに対する層間せん断応力τｙｚの変化を示すグラフである。 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る。 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。 フレックスビーム１のアスペクト比ｘ／ａに対する層間せん断応力τｙｚの変化を示すグラフである。 計算に用いた断面を示す図である。 計算に用いた荷重モデルを示す図である。 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。 計算に用いた楕円断面モデルを示す図である。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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、かつ前記幅方向両端部のそれぞれに連なる矩形断面を有し、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。
2. 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請求項１記載のフレックスビームの断面決定方法。
3. 請求項１または２に記載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。