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第二十四届（2008）全国直升机年会论文

直升机柔性梁的结构分析

谭鹏

（中国直升机设计研究所，景德镇，333001）

摘要：本文是对直升机的无轴承旋翼的柔性梁结构分析。直升机的旋翼设计愈来愈多地使

用了通常称为“柔性梁”的可挠曲的结构件，主要是连接桨叶和桨毂的一个过渡件，其功能

是实现桨叶和桨毂之间的挥舞、摆振和变距运动。柔性梁通常由纤维加强的树脂基体材料构

成的柔性梁，根据受力情况分为五个连接区，分别是桨毂连接区、内侧过渡区、变距区、外

侧过渡区以及桨叶连接区。

引言

柔性梁的设计通常涉及根据所选择的复合材料、纤维的取向、设计范围以及制造

的约束条件对多个相互有关的设计准则进行反复的研究。这些相互相关的设计准则包括

对柔性梁的下列要求:1.适应载荷和运动的预定范围[1]，例如150000牛顿的离心力，

17800牛顿的推力，变距运动±14度，挥舞运动±5度等;2.保持轴向、弯曲、翘曲和扭

转应力都在所选定材料的最大的静止和疲劳的应力/应变许可值以下;3.将输入的操纵载

荷（即作用在变距操纵杆上或通过变距操纵杆的载荷）保持在允许水平内;4.刚度特性应

避免谐振不稳定性;5.采用最小的设计范围;以及6.便于进行低成本制造。不言而喻，上

述设计准则中的许多是互相矛盾的即不协调的，因此，必须进行反复的比较研究以使柔

性梁最优化。

1装配关系

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图1无轴承直升机旋翼的装配关系图

图1是无轴承直升机旋翼的装配关系图。柔性梁10置于桨毂与桨叶之间，并且两

端用螺栓固定在一起。柔性梁由一个袖套所包住，该袖套来实现柔性梁/桨叶的变距运

动。此外，袖套通过一个支撑轴承安装在袖套内，并实现和传递变距、挥舞和摆振运动。

2结构划分

为了适应各种载荷和运动，柔性梁被分隔成各种区，其中每个区用来完成一项主要

功能。根据这些主要功能，柔性梁被分成5个的区，即包括桨毂连接区、内侧过渡区、

变距区、外侧过渡区以及桨叶连接区，具体分区如图2a和2b所示。由于内侧过渡区和

变距区，与其他区相比，受载荷更大并且操纵更费力，因此柔性梁该区域的设计也更关

键。

图2a柔性粱俯视图结构划分

图2a柔性粱侧俯视图结构划分

2.1桨毂连接区（HAR）

桨毂连接区通常有加厚的矩形截面，该型面固定在桨毂中央件的上和下板之间.在

功能上，桨毂连接区主要传递作用在柔性梁上的离心载荷和弯曲力矩载荷，由于桨毂连

接区牢固地固定在桨毂固定件上，弯曲运动就是一个次要的设计要求，该连接区可以当

成一个刚体设计。

2.2内侧过渡区(ITR)

内侧过渡区，也叫弯曲区，主要承受挥舞和弯曲力矩载荷，并实现在桨毂连接区

与变距区之间的宽度和厚度的过渡。关于后者，通常希望这种宽度和厚度过渡在一个比

较短的翼展长度上实现，以便使柔性梁的总长度减至最小，并且使变距区的有效长度最

大。此外，通常希望水平铰偏移量尽可能小，该铰偏移量的减小可使作用在桨毂连接区

/桨毂中央件上的桨毂力矩减小，这通常可以通过使内侧过渡区的宽度和厚度减至最小，

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以便软化柔性梁，并由此将水平铰偏移量移到最内侧位置的方法来实现。对这些目标的

限制涉及沿着柔性梁的自由边缘上的较大的应力集中，例如，层间剪应力，该应力集中

很容易导致柔性梁的分层和裂开.

2.3变距区(PR)

变距区主要来适应桨叶的必需的变距运动，使实现变距操纵所需要的操纵载荷减

至最小，提供必需的弯曲稳定性以及限定柔性梁/桨叶的摆振频率。一般来说，对于尾

桨应用场合，变距区必须能适应通过袖套所施加的约14度至18度的变距运动。变距区

受扭转时的操纵载荷减至最小，此外，变距区必须具有必需的刚度，以便承受住由气动

阻力/或哥氏力所造成的平面内的稳定的和振动的弯曲力矩。除载荷和运动要求外，变

距区应满足柔性梁的一阶摆振频率特性。例如，在尾桨应用中，最好使实现约1.7赫兹

的一阶摆振频率，这样避免在旋翼桨叶/柔性梁组件的