直升機(jī)復(fù)合材料波紋梁結(jié)構(gòu)抗墜毀設(shè)計(jì)技術(shù)研究

盧致龍，常 成

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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直升機(jī)復(fù)合材料波紋梁結(jié)構(gòu)抗墜毀設(shè)計(jì)技術(shù)研究

盧致龍，常 成

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

復(fù)合材料波紋梁作為吸能元件，應(yīng)用到直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)中，由于其在直升機(jī)設(shè)計(jì)中的重要性和復(fù)雜性，對復(fù)合材料波紋梁結(jié)構(gòu)元件的研究在提高直升機(jī)抗墜毀性能方面仍是一個重點(diǎn)。從材料特性、波紋梁結(jié)構(gòu)尺寸、薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)置以及鋪層對吸能的影響等角度出發(fā)，闡述了波紋梁結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)思想以及設(shè)計(jì)之初需重點(diǎn)考慮的幾個方面，分析了誘角設(shè)置、鋪層等對提高比吸能能力的貢獻(xiàn)。

直升機(jī)；抗墜毀設(shè)計(jì)；復(fù)合材料；波紋梁

0 引言

復(fù)合材料一般是脆性材料，材料自身的能量吸收能力相對比較弱，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效應(yīng)變是鋁合金的4%，能量吸收能力僅為鋁合金的2%左右[1]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能主要是依靠選用一些特殊的結(jié)構(gòu)型式來實(shí)現(xiàn)，如波紋梁、開縫圓管、方管以及蜂窩結(jié)構(gòu)等。根據(jù)國外相關(guān)研究，設(shè)計(jì)良好的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)元件的抗墜吸能效果優(yōu)于鋁合金材料結(jié)構(gòu)件。同樣幾何尺寸的試件試驗(yàn)對比，每千克復(fù)合材料試件吸收的能量是鋁合金試件的2.7倍，每單位長度吸收的能量是鋁合金試件的1.33倍[2]，如圖1所示。因而，通過合理的復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以替代金屬材料滿足直升機(jī)上抗墜毀設(shè)計(jì)的需求，并達(dá)到減重效果。

圖1 材料比吸能能力對比圖

波紋梁結(jié)構(gòu)作為典型的抗墜毀設(shè)計(jì)，在直升機(jī)抗墜毀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要的使用價(jià)值，已經(jīng)應(yīng)用到國內(nèi)外相關(guān)型號的直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)中。因此，研究波紋梁的設(shè)計(jì)技術(shù)對直升機(jī)結(jié)構(gòu)的抗墜毀設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 波紋梁結(jié)構(gòu)型式

“波紋形”復(fù)合材料梁作為目前直升機(jī)下部機(jī)身復(fù)合材料抗墜毀結(jié)構(gòu)中的重要抗墜毀元件，其構(gòu)型為類正弦波腹板與上下緣條結(jié)合型式，由于其法向剛度好，有利于在其上面安裝其他系統(tǒng)件，以及連接性較好等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中應(yīng)用較多，目前國內(nèi)外已有波紋梁吸能能力試驗(yàn)研究的相關(guān)報(bào)道[3-5]。典型的波紋結(jié)構(gòu)型式及波紋梁型式如圖2、圖3所示。

圖2 波紋結(jié)構(gòu)型式

2 復(fù)合材料波紋梁吸能特性概述

復(fù)合材料的力學(xué)性能比較復(fù)雜，失效形式多種多樣，導(dǎo)致影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能性能的因素很多，其吸能機(jī)理是通過發(fā)生多種形式的宏細(xì)觀損傷破壞來吸收能量，包括纖維折斷、屈曲，基體破碎，層間分離等。通常，設(shè)計(jì)中通過控制宏觀設(shè)計(jì)值來達(dá)到波紋梁的吸能要求，這包括波紋梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸(如波紋梁結(jié)構(gòu)中波長/幅值比、波長/高度比等)、鋪層角度及鋪層順序、誘發(fā)角大小及材料體系的選擇等對吸能的影響。

圖3 波紋梁結(jié)構(gòu)型式

分析波紋梁結(jié)構(gòu)的吸能特性，需要從以下幾個方面去權(quán)衡考慮：

1)峰值載荷，即結(jié)構(gòu)在壓潰瞬間測出的最大載荷值。該載荷值的發(fā)生需保證乘員在載荷脈沖作用下可存活，例如，根據(jù)《Crash survival design guide》[6]相關(guān)描述，為保證95百分位乘員的可存活性，脈沖的峰值需控制在一定范圍內(nèi)，在垂直撞擊吸能情況下，過載加速度不超過48g。

2)平均載荷，也稱為持續(xù)載荷。其相關(guān)脈沖描述表明，一定的脈沖時間段內(nèi)平均載荷值不超過建議值，否則無法保障乘員的安全。

3)載荷效率，是峰值載荷與平均載荷的比值，當(dāng)達(dá)到理想值1時，能量吸收效率最高。

4)行程，結(jié)構(gòu)壓潰變形的位移。這受限于直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)空間。

5)能量吸收值EA(Energy Absorbed)，結(jié)構(gòu)撞擊過程中吸收的總能量，數(shù)值上等于載荷-位移曲線的積分值，即EA=∫Fdl。

6)比吸能能力值SEA(Specific Energy Absorption)，為單位壓潰質(zhì)量的復(fù)合材料所吸收的能量。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗墜吸能能力可以用SEA來表達(dá)。

其中，ρ為結(jié)構(gòu)材料密度，A為壓潰結(jié)構(gòu)的截面積，l為壓潰位移。

總的說來，復(fù)合材料元件最直接的吸能能力參數(shù)，體現(xiàn)在峰值載荷、持續(xù)壓潰載荷(平均載荷)以及比吸能能力等方面，合理的抗墜毀吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)能使這些指標(biāo)值滿足相關(guān)需求。

3 材料特性對吸能的影響

復(fù)合材料元件的細(xì)觀吸能機(jī)理包括：纖維斷裂、纖維屈曲、基體開裂、基體壓碎和層間脫粘(分層)等。不同復(fù)合材料的纖維、基體種類和體積比，以及粘膠量多少對材料吸能能力有不同的影響。但需要指出的是，纖維和基體各自的優(yōu)異性能并不能簡單疊加增加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的吸能能力，只有二者的性能匹配良好，才能獲得最佳的吸能能力。

3.1 復(fù)合材料波紋梁破壞形式

對于復(fù)合材料來講，破壞模式有如下幾種類型：

1)整體壓潰(包含部分局部失穩(wěn))，見圖4。

2)分層后纖維布堆疊破壞。

3)纖維布分層后撕裂、折斷，見圖5。

圖4 整體壓潰(局部失穩(wěn))

圖5 纖維布分層后撕裂，折斷

綜合考慮復(fù)合材料波紋梁吸能特性，可預(yù)見波紋梁壓潰的理想狀態(tài)表現(xiàn)為穩(wěn)定漸進(jìn)的脆性斷裂破壞模式。薄弱環(huán)節(jié)首先被壓碎而形成壓潰區(qū)，隨后試件進(jìn)入穩(wěn)定壓潰階段。

3.2 增強(qiáng)纖維的影響

在同種樹脂基體的情況下,不同材料性能與纖維排列方式會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效模式和吸能性能有很大的差別。對于鋪層結(jié)構(gòu)的壓潰過程，0°鋪層，主要受壓縮和彎曲載荷；90°鋪層主要受由于結(jié)構(gòu)開裂而產(chǎn)生的拉伸載荷；45°鋪層主要受拉壓載荷；而90°和45°纖維在拉壓載荷作用下失效，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂。

對于文獻(xiàn)[7]所述的試驗(yàn)情況，作如表1的材料體系對比，T700的0°鋪層在彎曲載荷作用下沒有彎斷，而是隨著壓縮行程的增大向上翻卷，在拉壓作用下斷裂的90°和45°鋪層則夾雜在0°鋪層中一同向上翻卷；而T300在彎曲載荷作用下逐漸彎曲斷裂，在拉壓作用下斷裂的90°和45°鋪層與0°鋪層一起脫落，形成鱗片狀或羽毛狀碎片。試驗(yàn)結(jié)果表明，同種樹脂基體的情況下，纖維含量高的，縱向壓縮強(qiáng)度和壓縮模量高，要提高壓縮結(jié)構(gòu)縱向壓縮性能，可增加縱向纖維數(shù)量，或調(diào)整鋪層角度，使纖維盡量平行縱向。

表1 5288/T300與5228/T700性能對比

3.3 樹脂基體的影響

同種碳纖維做增強(qiáng)材料的情況下，一般是韌性好的樹脂吸能效果好，反映在吸能比值上就是吸能比值較高?？箟簼⑿阅茉胶茫w失效應(yīng)變越大，結(jié)構(gòu)越不容易發(fā)生層間破壞，相應(yīng)地，吸能能力也要強(qiáng)。

4 復(fù)合材料波紋梁尺寸設(shè)計(jì)分析與研究

波紋梁元件，類似于正弦波形。鑒于實(shí)際生產(chǎn)中不易加工正弦波型波紋梁，擬采用三角波加倒圓角的形式代替正弦波，示意圖如圖6。

理論分析采用三角波分析，示意圖如圖7。

計(jì)算三角波的慣量矩Ix：

對于波紋梁結(jié)構(gòu)，總體失穩(wěn)條件可近似等效為等截面桿失穩(wěn)的邊界條件。根據(jù)等截面桿在中心軸向壓縮載荷作用下的臨界應(yīng)力方程(歐拉公式)，有以下曲線圖(圖8)。

圖6 模擬正弦波形 圖7 三角波示意圖

圖8 材料臨界應(yīng)力σcr與桿件長細(xì)比L/ρ的關(guān)系曲線

圖8表示某種特定材料臨界應(yīng)力σcr與桿件長細(xì)比L/ρ的關(guān)系曲線。圖中FC部分桿件屬于長柱范圍，以彈性彎曲失穩(wěn)破壞。EF部分桿件屬于中長柱(L/ρ為20-60)范圍，以塑性失穩(wěn)破壞。AB部分桿件屬于短柱范圍，以塑性壓縮破壞，其破壞應(yīng)力可達(dá)桿件材料的壓縮強(qiáng)度極限σb。

在抗墜毀設(shè)計(jì)中，為了充分利用波紋梁材料的吸能能力，應(yīng)設(shè)計(jì)合理尺寸使其發(fā)生壓潰破壞。這里以圖8曲線中的AB段作為設(shè)計(jì)滿足條件，使波紋梁結(jié)構(gòu)件破壞發(fā)生在壓損區(qū)。

根據(jù)L/ρ壓潰區(qū)判別條件：

可得到：

其中，f2(A，ω，δ)為三角波計(jì)算面積：

則可以得到尺寸判別條件為：

若滿足波紋梁壓潰判別條件，則波紋梁進(jìn)入壓潰失效區(qū)，波紋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生壓損破壞，否則有可能發(fā)生失穩(wěn)后破壞。但這與薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)也有關(guān)系，若薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)合理，使峰值載荷較低，也能避免在不滿足上述尺寸約束條件下的波紋梁結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生失穩(wěn)后破壞。

以下是某正弦波梁兩波件破壞過程中的撞擊瞬間圖片(該圖片從高速攝像中截取，拍攝角度為正面，拍攝范圍為全景)。其結(jié)構(gòu)尺寸為：長296mm，寬50mm，高440mm，波幅14mm。超出尺寸約束范圍，且薄弱環(huán)節(jié)未匹配結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。導(dǎo)致試驗(yàn)件發(fā)生失穩(wěn)后破壞，最終試驗(yàn)件完全破壞。

圖9 某正弦波梁兩波件破壞撞擊圖

5 薄弱環(huán)節(jié)研究

由于復(fù)合材料一般是脆性材料，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效應(yīng)變僅是鋁合金的4%左右，而能量吸收能力僅是鋁合金的2%左右，所以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要是通過結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)來達(dá)到利用材料的壓損吸能的目的，而不像金屬材料結(jié)構(gòu)主要是通過元件的屈曲失穩(wěn)和材料的失效塑性變形來吸收能量。這要求復(fù)合材料波紋梁元件要有合理的破壞觸發(fā)機(jī)制，并通過合理的設(shè)計(jì)使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以某種可控的形式發(fā)生破壞。這可以理解為設(shè)計(jì)某薄弱環(huán)節(jié)觸發(fā)復(fù)合材料件的失效，同時也可避免引起結(jié)構(gòu)件在破壞時出現(xiàn)過高的峰值載荷，使傳遞到駕駛員身上的過載過大。具體反映到復(fù)合材料波紋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可通過上、下端部過渡圓弧的半徑設(shè)計(jì)(端部誘角設(shè)置)、波紋梁端部厚度減弱(減少鋪層)及結(jié)構(gòu)局部開槽或倒角的方法來實(shí)現(xiàn)。

這些設(shè)置的共同特點(diǎn)就是對結(jié)構(gòu)局部的強(qiáng)度或剛度進(jìn)行削弱，這種削弱對碰撞吸能是必須的。從前人所做的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)元件或結(jié)構(gòu)基本上都需要設(shè)置薄弱環(huán)節(jié)，來控制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞過程，從而降低峰值載荷，提高結(jié)構(gòu)的耐撞性。如果沒有設(shè)置有效的薄弱環(huán)節(jié)，將會導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在碰撞時峰值載荷過高，可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非穩(wěn)定破壞，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基本上不吸收能量。理想的引發(fā)機(jī)制，要求其尺寸小，盡量減少對結(jié)構(gòu)整體性能的削弱，且能盡量減少峰值載荷，使得平均載荷和峰值載荷盡量一致，并降低對駕乘人員的沖擊。

如圖10、圖11，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)兩端與凸緣之間小圓弧過渡形式，可以保證結(jié)構(gòu)的初始破損從端部開始。

圖10 局部減少鋪層

圖11 端部誘角值

5.1 誘角值設(shè)計(jì)大小對波紋梁壓潰吸能的影響

R 角的設(shè)計(jì)值大小與破壞時的峰值載荷大小有直接關(guān)系。

R值過大，試件過于容易壓潰，導(dǎo)致靜強(qiáng)度不足，而且其后產(chǎn)生了二次峰值載荷；破壞機(jī)理為類分層破壞，產(chǎn)生的現(xiàn)象是初始峰值載荷較低，產(chǎn)生高的二次峰值載荷，與層間剝離強(qiáng)度接近。

R值過小，導(dǎo)致峰值載荷過大，使傳遞到駕駛員身上的過載過大。破壞機(jī)理為材料壓損破壞，出現(xiàn)一次過高的峰值載荷。

對于誘角設(shè)計(jì)合理的波紋梁元件，理想的結(jié)果是峰值載荷等于平均載荷，這可以使能量吸收率達(dá)到最高，同時使傳遞到直升機(jī)駕駛員身上的過載值降低。但實(shí)際中難以嚴(yán)格做到峰值載荷與平均載荷比值為1，實(shí)際載荷-位移工況圖接近圖12所示。

圖12 波紋梁撞擊載荷-位移工況圖

從圖12中可以看到，在壓潰的初始階段，載荷和位移基本成線性關(guān)系；當(dāng)載荷達(dá)到峰值以后，壓潰區(qū)形成，載荷迅速下降；隨后載荷呈鋸齒形波動。

5.2 誘角值數(shù)值模擬研究

誘角值的不同對復(fù)合材料波紋梁吸能能力的影響也不一樣，基于Dytran仿真分析[8]，用數(shù)值方法分析五種誘角值：R=0(沒有設(shè)置薄弱環(huán)節(jié))，R=1.5mm，R=2.5mm，R=3.5mm和R=4.0mm。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同的誘角值設(shè)置對三種波紋梁的破壞過程、峰值載荷、平均載荷及吸能能力的影響不同。下表2是不同誘角值波紋梁破壞時的峰值載荷。

表2 不同誘角值波紋梁破壞時的峰值載荷

由于復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)的纖維層軸向強(qiáng)度比層間強(qiáng)度高出很多，因此很容易在層間引發(fā)分層失效。在誘角值小的情況下容易發(fā)生壓潰失效，而誘角值大的情況下容易發(fā)生層間剝離破壞。

從上表數(shù)據(jù)可以看出，彎矩W1=1.5*38.7近似等于W2=2.5*24.8，W3=3.5*5近似等于W4=4*3.8?？梢岳斫鉃镽為1.5、2.5時波紋梁出現(xiàn)的是材料壓潰失效，R為3.5、4時出現(xiàn)層間剝離破壞。

6 鋪層對波紋梁吸能的影響

合理的復(fù)合材料鋪層順序優(yōu)化，可提高其比吸能能力。鋪層角度的不同一定程度上影響了結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。

在撞擊過程中，對于0°鋪層，主要受壓縮和彎曲載荷影響而失效，當(dāng)纖維鋪設(shè)角度在45°左右時，受剪切力作用，主要發(fā)生純剪切斷裂模式。90°鋪層主要受由于試件開裂而產(chǎn)生的拉伸載荷。此外，在相同鋪層角度相鄰的地方，由于層間應(yīng)力比較大，在相同鋪層之間容易產(chǎn)生明顯的分層，這種層間分離對提高波紋梁結(jié)構(gòu)的比吸能能力是不利的。

對于工程上用得較多的碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料波紋梁，外層玻璃纖維的鋪放層數(shù)對波紋梁的拉伸強(qiáng)度有影響，當(dāng)玻璃纖維放置在外層，且達(dá)到一定的含量，材料的拉伸強(qiáng)度最好。但由于玻璃纖維延展性強(qiáng)于碳纖維，當(dāng)波紋梁受撞擊壓縮時，壓縮強(qiáng)度主要取決于碳纖維的層數(shù)。因此，外層的玻璃纖維起的是增強(qiáng)穩(wěn)定性的作用，對吸能影響較少。

7 結(jié)論

抗墜毀元件設(shè)計(jì)應(yīng)用與直升機(jī)抗墜性能好壞有密切關(guān)系，本文著眼于提高波紋梁的抗墜毀吸能能力，理論上預(yù)見波紋梁以穩(wěn)定壓潰而吸能效果最好。為使波紋梁穩(wěn)定壓潰，需考慮尺寸滿足判別條件、薄弱環(huán)節(jié)設(shè)置合理等因素的影響。本文的分析研究為波紋梁元件設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，對直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)具有重要意義。

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Study of Helicopter Composite Wave Beam Structure Anti-Crash Design Technology

LU Zhilong, CHANG Cheng

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China)

Composite wave beam has been used in helicopter anti-crash design as endergonic component. Studying composite wave beam structure component is still a pivot on developing helicopter anti-crash capability aspect, as its essentiality and complexity in helicopter design. This paper set out from material characteristic、wave beam structure dimension、weakness tache setting and layer in effect on energy absorption aspects, expatiated wave beam structure component design pensee and some aspects on design begin. Analyzed inducement angle and layer contribute to advance energy absorption capability.

helicopter；anti-crash design；composite；wave beam

2014-10-16

盧致龍(1989-)，男，江西贛州人，碩士研究生，主要研究方向：直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1673-1220(2015)03-014-06

V229+.7

A