旋翼机复合材料旋翼桨叶设计制造及展望

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1、FORUMOFTHEYEAR旋翼机复合材料旋翼桨叶设计制造及展望DesignManufactureandProspectofCompositesRotorBladeofRotorcraft沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室 佟 刚沈阳航空航天大学郝旭相比于直升机，旋翼机结构更加简单，对旋翼的要求也降低了很多。早期旋翼机旋翼选材上多使用铝合金等金属材料。随着材料学的不断进步，先进复合材料因其可靠性更高、经济性更好、使用寿命更长、旋翼性能更优越等优势，逐渐成为旋翼制造材料的首选。相信在不远的将来，复合材料必将能在全机使用。行研究。相比于直升机，旋翼机结构及稳定性的考虑，一般要求

2、桨叶的整更加简单，对旋翼的要求也降低了很体有效重心在约25%的弦长前。因此，多。早期旋翼机旋翼选材上多使用铝桨叶的结构设计，其剖面构造形式多佟刚合金等金属材料。随着材料学的不断为前缘实而重、后缘薄而轻的非对称博士，教授，研究方向为先进通用进步，先进复合材料因其可靠性更高、闭合载荷梁。飞机设计方法与技术、机械设计与理论。经济性更好、使用寿命更长、旋翼性能1旋翼桨叶大梁选材更优越等优势，逐渐成为旋翼制造材从航空航天领域发展的趋势看，旋翼机最重要的部件就是旋翼，料的首选。相信在不远的将来，复合纤维增强树脂基复合材料逐渐成为不同于直升机的旋翼，其不与发动机材料必将能在全机使用。制造航空航

3、天飞行器结构件材料的主相连，由前方气流吹动其自旋转从而流。在旋翼桨叶选材设计中，目前使提供升力。旋翼设计及制造的好坏复合材料旋翼桨叶结构设计用较多的是玻璃纤维或碳纤维增强[3]将直接影响旋翼机的性能，如果旋翼旋翼桨叶是细长式旋转结构（弹环氧树脂复合材料。通过表1的对机旋翼出现故障断裂，后果不堪设想。性梁），为了产生升力必须高速旋转比，从比强度、比刚度、比疲劳强度来只有一个好的旋翼，才能真正实现旋（桨尖速度多在200m/s以上），因此要说，碳纤维也是很优秀的材料，但是它翼机的安全特性。直升机也具有旋翼，承受很大的离心力载荷；同时又要考更脆一些。而玻璃纤维复合材料因为并且旋翼设计技术

4、相对成熟。参考直虑很大的交变气动载荷作用，桨叶的其优异的纵向拉伸强度，轻质、较高强[1][2]升机的旋翼设计，对旋翼机旋翼进受力情况十分复杂。出于气弹响应度、较高模量以及稳定的化学性能等84航空制造技术·2014年第23/24期DesignandManufacturingofCompositesStructure复材结构件设计与制造表1纤维增强树脂基复合材料对比疲劳断裂，和保证传力、受力状态良特性玻璃纤维碳纤维好，旋翼桨叶与旋翼毂的连接多为如变形特性变形特性较好，许用应变大变形特性一般，许用应变小图1所示结构，采用加强板螺栓连接形式。故而在旋翼桨叶根部处设计时，损伤容限特性抗冲击

5、及机械损伤能力强抗冲击及机械损伤能力一般亦可设计成整流罩或者切断面直接封扭转特性扭转特性一般有更大的E/G，扭转特性更好闭形式。此种设计的优点是结构简单，重量特性重量轻重量更轻，比模量和比强度更高制造容易。工艺特性工艺特性更好对制造工艺缺陷非常敏感4蒙皮铺设特点，成为了制造旋翼机旋翼桨叶大金属块来实现。至于桨尖形状，考虑旋翼桨叶蒙皮提供桨叶的主要升梁材料的首选。到制造成本，仍采用传统的矩形桨尖力面和扭转刚度，承受部分离心力和2旋翼桨叶剖面结构设计即可。当然，随着旋翼机的发展和功弯矩，是桨叶的外部维形件也是重要旋翼机旋翼翼型的选择可以参考能的强大，以后的旋翼机桨尖形状也的次承力件。

6、蒙皮的铺设一般选用织直升机翼型。在直升机翼型中，按照将如直升机一般，开始尝试由单纯的物，通常采用玻璃纤维增强复合材料大梁的构造划分，比较常见的有C形矩形桨尖到尖削桨尖、尖削后掠桨尖、或玻璃纤维与碳纤维增强复合材料混梁、D形梁以及多管梁结构。按照剖抛物形桨尖等变化。合铺层。蒙皮内表面与大梁相贴，外面分隔或封闭区间的划分有单闭腔、同理，考虑到旋翼机多采用的旋表面有时需要增加一层薄的预浸平纹双闭腔和多闭腔等。依据表2的对比翼跷跷板式结构，以及为了避免旋翼玻璃布，保护碳布蒙皮因损伤带来的结果，以及旋翼机旋翼因其特殊的自根部处应力载荷过大，造成旋翼根部表面应力集中问题，可获得较高的表旋转方

7、式，不必考虑桨叶的扭转力矩的特点，复合材料旋翼桨叶一般采用C形结构，这样既能充分发挥其优点，又能有效地节省成本，是旋翼机翼型的首选。3桨尖结构和桨根段结构传统的直升机复合材料桨尖结构，除蒙皮、大梁外，要求预制的零件多，相对复杂。而旋翼机旋翼就简单得多，在旋翼桨尖结构设计时，主要采用整流罩封闭桨叶尖端就可以了。相图1旋翼桨叶根部处与旋翼桨毂连接方式示意图应的桨尖配重也可以在整流罩中填加面粗糙度。主要以±45°对称铺层为表2桨叶剖面构型优缺点对比主，辅助以少量的0°/90°铺层。5内