复合材料拉扭条扭转疲劳试验研究.docx

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复合材料拉扭条扭转疲劳试验研究

复合材料拉扭条扭转疲劳试验研究

卢江何攀

摘要：

拉扭条作为直升机桨毂的主要结构承力部件，其疲劳寿命对直升机技术的发展有着重要的影响。

本文以复合材料拉扭条为研究对象，试验研究了大载荷条件下复合材料拉扭条的扭转疲劳寿命。

分析了复合材料拉扭条扭转刚度计算方法，设计搭建了复合材料拉扭条扭转疲劳试验台，阐明了复合材料拉扭条疲劳试验原理，分析了离心力对复合材料拉扭条扭转刚度的影响和复合材料拉扭条扭转疲劳寿命。

研究结果表明随着离心力的增大，复合材料拉扭条扭转刚度逐级增大，基本呈线性规律变化；复合材料拉扭条扭转刚度随疲劳试验的进行逐渐降低，扭转疲劳试验完成后扭转刚度下降到初始值的91.2%；本文复合材料拉扭条扭转疲劳试验为复合材料拉扭条研究提供了试验依据。

关键词：

复合材料拉扭条；疲劳试验；扭转刚度

0.引言

拉扭条作为直升机桨毂的主要结构承力部件，起着承受桨叶旋转产生离心力和产生扭转变形以实现尾桨叶的变距运动，从而改善桨毂轴向铰受力的重要作用[1]。

随着直升机技术不断向高速、高机动、长航时等方向发展，金属拉扭条重量大、寿命短等问题越来越突出，严重影响了直升机技术的发展[2-3]。

因此复合材料拉扭条扭转疲劳试验研究对新型直升机技术的发展具有重要的理论与实际意义。

目前国内关于拉扭条的研究主要包括设计制造、静刚度试验和加速疲劳试验。

覃海鹰[4]以直11机型尾桨毂拉扭条为例，详细介绍了钢片拉扭条结构设计、材料选择、设计计算及加工工艺以及简单概括了拉扭条的几种试验。

李成友[5-6]以钢丝拉扭条为例，分析了小载荷离心力对扭转刚度的影响以及加速疲劳寿命试验方法。

上述文献分别从拉扭条的设计制造、静刚度测量以及加速疲劳试验方法取得了相关的成果，但都局限于金属材料拉扭条研究，鲜有关于复合材料拉扭条扭转疲劳试验的研究成果报道。

本文通过试验的方法研究了大载荷条件下复合材料拉扭条的疲劳寿命。

首先对拉扭条扭转刚度进行了理论分析，设计搭建了复合材料拉扭条扭转疲劳试验台，阐明了复合材料拉扭条疲劳试验原理，最后对复合材料拉扭条扭转疲劳试验结果进行了分析，为复合材料拉扭条研究提供了试验依据。

1.拉扭条扭转刚度理论分析

复合材料拉扭条在扭转力的作用下会发生扭转。

扭转刚度的测量就是通过对复合材料拉扭条施加不同的扭转角，然后采集传感器反馈的扭转力，再通过公式计算并结合曲线拟合得到复合材料拉扭条的刚度。

在不考虑拉扭条试验台轴承与轴之间摩擦力的情况下，扭转刚度K的计算公式可以表达为：

式中：

M为扭转力矩，θ为扭转角。

在已知扭转力臂L的情况下我们可以将扭转角度通过公式换算成位移量，则位移量的计算公式可以表达为：

扭转力矩则可以表示为扭转力臂与力的变化量的乘积，扭转力矩的计算公式可以表达为：

因此式

（1）可以改写为：

2.拉扭条扭转疲劳试验研究

2.1拉扭条试验件结构

复合材料拉扭条主要由立体编织物、衬套组成。

立体编织物两端设置有与衬套相配合的孔，立体编织物与衬套整体通过RTM成型工艺固化成拉扭条。

其中立体编织物是由复合材料经过编织机对纵向缠绕机横向缝纫制成、经拉扭条模具模压成型的立体结构。

复合材料拉扭条扭转疲劳应变片位置如图1所示。

其中距靠近主旋翼桨毂中心一端的54mm、174mm和294mm位置处贴3个单片，距靠近主旋翼桨毂中心一端拉扭条衬套内径的110mm和260mm位置处各贴1组扭矩片。

图1拉扭条扭转疲劳试验件贴片示意图

2.2试验设计

设计搭建了复合材料拉扭条疲劳试验台，试验系统如图2所示。

试验系统主要由液压泵、子站、离心力加载系统、扭转角加载系统、拉扭条试验件以及协调加载控制系统等设备组成。

液压泵为试验提供压力能，子站进行控制调节压力大小，最大供压为18MPa。

利用协调加载控制系统对试验进行协调加载控制，采用30T特制作动筒组成的离心力加载系统和5T作动筒组成的扭转角加载系统进行加载，确保试验可在0kN～300kN的离心力和正负20°的扭转角条件下进行。

图2复合材料拉扭条扭转试验安装加载示意图

2.3试验原理

复合材料拉扭条通过法兰盘固定在试验台上。

离心力加载系统中的特制传感器测量轴向离心力；扭转角加载系统中的位移传感器测量垂向位移。

由于设备限制不便在复合材料拉扭条上安装角度传感器，在已知扭转角加载系统力臂的情况下本文将试验工况的所需扭转角度通过三角函数转换为位移量。

试验时先打开协调加载控制系统，然后调节子站压力，确保可以满足轴向离心力和垂向位移要求。

测量无离心力状态下复合材料拉扭条扭转刚度，试验测量三次，减小系统带来的误差，以此作为复合材料拉扭条扭转刚度的基准，然后再进行0kN～300kN时复合材料拉扭条扭转刚度随离心力的变化规律以及复合材料拉扭条的扭转疲劳试验。

2.4试验载荷

本文根据某型机飞行载荷特点将复合材料拉扭条扭转疲劳试验分为低周疲劳试验和高周疲劳试验两大部分。

低周疲劳试验分为超扭和超转两种状态，超扭的特征的为弯矩最大，超转的特征为离心力最大，通过某型机飞行过程中时间百分比的特征编制了低周试验载荷谱块，如表1所示。

表1低周疲劳载荷谱

1次低周疲劳循环主要包含三个过程：

（1）离心力按照10kN/s的速率加载至最大；

（2）以正弦波形加载交变扭角载荷一个循环；（3）离心力按照10kN/s的速率卸载至零。

高周疲劳循环包含3个过程：

（1）离心力按照10kN/s的速率加载至最大；

（2）以正弦加载所需交变扭角载荷N次循环；（3）离心力按照10kN/s的速率卸载至0。

复合材料拉扭条低、高周疲劳循环加载示意图如图3所示。

图3复合材料拉扭条低、高周加载示意图

本文复合材料拉扭条扭转疲劳试验顺序如：

每级疲劳试验载荷完成后进行无离心力的扭转刚度测量，并与第一次测量的扭转刚度基准进行比较，如果扭转刚度较初始没有下降10%，则进行下一级载荷试验；如扭转刚度下降10%，则试验停止；扭转疲劳试验全部完成，试验停止。

复合材料拉扭条扭转疲劳试验加载频率为1Hz。

（1）低周载荷谱，4块；

（2）第1级高周载荷（离心力Fc=150kN，交变扭转角：

2±12°）：

30万次；（3）低周载荷谱，6块；（4）第2级高周载荷（离心力Fc=150kN，交变扭转角：

2±15°）：

15万次；（5）低周载荷谱，10块；（6）第3级高周载荷（离心力Fc=150kN，交变扭转角：

2±18°）：

5万次。

3.试验结果分析

3.1应变片准确性验证

如图4所示，给出了本文复合材料拉扭条单片平行应变片随离心力的变化曲线。

由图可知，对于单片平行应变片，在无扭转角的工况下，随着离心力的增大，单片平行片的应变逐渐增大，基本呈线性规律，离心力载荷从0增加至150kN时，单片平行片应变也从0增加至3500左右。

图5所示，给出了本文复合材料拉扭条扭转应变片随扭转角度的变化曲线。

由图可知，对于扭转应变片，在无离心力的工况下，随着扭转角从-15°增加至15°时，扭转应变片的应变逐渐增大，基本呈线性规律，且越靠近扭转角加载系统一侧扭矩与应变片的比例系数越小。

验证了本文所选应变片功能的准确性。

图4单片平行应变片随离心力的变化曲线

图5扭转应变片随扭转角度的变化曲线

3.2复合材料拉扭条扭转刚度结果分析

图6所示，给出了复合材料拉扭条扭转刚度随离心力的变化曲线。

由图可知，随着离心力的增大，复合材料拉扭条扭转刚度逐渐增大，两者近似呈线性规律，离心力载荷从0kN增加270kN时，扭转刚度也从4.52Nm/°增加到16.87Nm/°，增大幅度为373.2%，离心力对复合材料拉扭条扭转刚度的影响较大。

这是因为随着离心力的增大，复合材料拉扭条的剪切模量增大，从而导致扭转刚度增大。

图6复合材料拉扭条扭转刚度随离心力的变化曲线

3.3拉扭条疲劳试验结果分析

本文复合材料拉扭条疲劳试验中主要通过协调加载控制系统来施加载荷，即施加一个转角命令值然后得到一个扭转角反馈值，通过调节协调加载控制系统控制参数使得命令值与反馈值两者误差低于3%。

本文3级高周载荷扭转角命令与反馈如图7、图8和图9所示，由图可知，本文复合材料拉扭条疲劳试验过程中命令值与反馈值两者吻合较好，误差低于1%，符合试验要求。

图7第1级高周载荷交变扭转角2±12°

图8第2级高周载荷交变扭转角2±15°

图9第3级高周载荷交变扭转角2±18°

表2给出了复合材料拉扭条扭转刚度随疲劳试验的变化关系。

由表可知，随着复合材料拉扭条疲劳试验的进行，复合材料拉扭条扭转刚度逐渐下降，在完成20块低周载荷谱以及三级高周载荷时，复合材料拉扭条扭转刚度已经下降到初始值的91.2%，试验停止。

此外还能看出随着复合材料拉扭条疲劳试验的进行，理论计算出的扭转刚度值相比扭矩片测量出的扭转刚度值偏大，这是因为随着复合材料拉扭条疲劳试验的进行，防扭轴承与连接轴之间的摩擦力逐渐增大，导致测量的出来的垂向扭力偏大，从而计算出的扭转刚度值偏大。

表2复合材料拉扭条扭转刚度随疲劳试验的变化关系

4.结论

本文对复合材料拉扭条扭转疲劳试验进行了试验研究。

设计搭建了复合材料拉扭条扭转疲劳试验台，介绍了复合材料拉扭条疲劳试验原理，研究了大载荷离心力对复合材料拉扭条扭转刚度的影响，相互对比分析了复合材料拉扭条扭转刚度的变化，得到以下规律。

（1）随着离心力的增大，复合材料拉扭条扭转刚度逐级增大，基本呈线性规律变化，本文试验结果扭转刚度最大增幅为373.2%。

（2）复合材料拉扭条扭转刚度随疲劳试验的进行逐渐降低，扭转疲劳试验完成后扭转刚度下降到初始值的91.2%。

（3）本文所述复合材料拉扭条扭转疲劳试验为复合材料拉扭条研究提供了试验依据。