大变形复合材料柔性梁静动特性的试验研究

第12卷　第1期1997年3月

实　验　力　学

JOU RNAL O F EXPER I M EN TAL M ECHAN I CS

V o l.12　N o.1

M ar.1997

大变形复合材料柔性梁静、动特性的试验研究Ξ

向锦武

(北京航空航天大学,100083)

张呈林　赵　翔　王浩文

(南京航空航天大学,210016)

摘要　本文对两种铺层的复合材料柔性梁进行了静、动特性的试验研究,重点研究了挠度、结构耦合、梁的根部安装角等对变形、固有频率的影响。得出的结论有助于直升机旋翼桨叶的设计和发展,并且验证了大挠度复合材料柔性梁的分析模型。

关键词　大挠度,柔性梁,结构耦合。

1　引言

全复合材料无轴承旋翼(包括尾桨)的出现是直升机旋翼技术的重大突破,同时也提出了许多新问题。在大桨距工作状态下,无轴承旋翼的关键部件,浆根的纤维增强层合梁元件柔性梁常常处于大变形状态。对于复合材料层合梁,由于各向异性的影响,不同的铺层将产生不同的耦合关系。而结构耦合(拉-扭,弯-扭等)对旋翼动力学及气弹稳定性影响很大。目前在理论上已发展了一些分析方法,但都有其局限性[1]。本文为了发展和验证分析模型,对两种典型铺层的复合材料柔性梁在大变形下的静、动特性进行了试验研究,得出了一些有用的结论[2]。

2　试验方法

静力试验是在如图1所示的装置上完成的。梁试件通过过渡接头固定在刚性基础上,过渡接头可保证试件绕伸展方向转动,以获得不同的根部安装角。载荷作用在梁的端点。垂直位移W通过激光水准仪测量挂在测量点处的标尺的上下移动来获得,另两个方向的位移则通过测量点处悬挂的指针在水平位置的方格纸上指示的位置来测定。

动力学试验是在静力学试验装置略作变动的基础上完成的。如图2所示,在靠近根部50mm处安装一电磁激振器,通过一软弹簧与试件相连,然后激振器通过一个放大器与频率发生器连接,另外安置的加速度拾振器通过放大器与示波器连接。由于问题的复杂性,这里试

Ξ本文工作由航空科学基金资助

　本文于1995年6月5日收到第1稿,1996年3月26日收到修改稿

验的目的仅是测量试件的前几阶固有频率随挠度变化的关系。测量时一般从1H z 左右开始进行频率扫描,直到找到一个共振模态,它可以通过示波器上出现的L issaj ou 图来判别

。

图1　静力学试验装置 图2　动力学试验装置示意图

F ig .1　Sketch of static test set -up F ig .2　Sketch of dynam ics test set -up

这里所用的试件用T 300 Q Y 8911材料制成,一共制作了铺层为[0°

90°]5s ,[45° 0°]5s 的两组试件,其长为450mm ,宽20mm ,高2.40mm 。加载点距根部距离为400mm ,测量点距根部距离为350mm 。另外,材料参数为:

E 11=135GPa ,　E 22=E 33=8.8GPa ,

G 12=G 13=4.5GPa ,　G 23=3.3GPa ,

Μ12=Μ13=0.33,　Μ23=0

.4。3　试验结果与分析

　3.1　静力学试验

(1)结构耦合对变形的影响

静力学试验时,主要研究两方面的影响,一方面即结构本身的耦合对变形的影响,另一方面即结构安装角对变形及耦合的影响。试验时选取了200g ,400g ,600g ,800g ,1000g ,1200g ,1400g ,1600g ,1800g 共九个级别的载荷加载。图3至图5分别给出了[0° 90°]5s ,[45° 0°]5s 两种铺层的层合梁在根部安装角0°,45°,-45°时的试验结果。

由图3可以看到,当[0° 90°]5s 层合梁受到端部垂直载荷的作用时,层合梁只有U 和W 方向的变形,V 变形等于零,这是因为[0° 90°]5s 这种层合梁没有耦合存在,只有六个基本刚度,当作用垂直载荷时,梁只产生了挥舞方向的弯曲变形。在图5中,由于梁有拉-剪耦合和弯-扭耦合,当梁受垂直方向载荷时,同时也产生了侧向应力致使V ≠0。在图3中,W 的初始特性具有良好的线性,当载荷继续增大时变得钢硬起来,出现了非线性。而在W 的线性区范围内的载荷作用时U 的变形非常小,而当W 出现非线性时,由于载荷的加大,梁发生显著的转动,使得梁的端部向根部明显移动,从而U 增大显著。图4是梁的根部转动45°角的情况,当受到外端部垂向载荷作用时,U ,V ,W 位移都出现了。由于梁绕刚性轴的弯曲刚度比

6 实　验　力　学 (1997年)第12卷　

绕柔性轴的弯曲刚度大得多,因而大部分位移的产生是45°方向,以至于W ,V 的初值相近。但当载荷继续增大时,梁上产生了扭矩,使得梁的弱弯曲轴趋于水平。同时进一步加大了W 位移

。

图3　[0° 90°]5s 层合梁,根部安装角0° 图4　[0° 90°]5s 层合梁,根部安装角45°

F ig .3　D eflecti on of [0

90°]5s compo sites beam (roo t angle =0°)F ig .4　D eflecti on of [0°

90°]5s compo sites beam (roo t angle =45°

)图5　[45° 0°]5s 层合梁,根部安装角0° 图6　[45° 0°]5s 层合梁,根部安装角45°

F ig .5　D eflecti on of [45°

0°]5s compo sites beam (roo t angle =0°)F ig .6　D eflecti on of [45°

0°]5s compo sites beam (roo t angle =45°)图7　[45° 0°]5s 层合梁,根部安装角-45°F ig .7　D eflecti on of [45° 0°]5s compo sites beam (roo t angle=-45°)

在图6中梁的根部安装角为45°,图7中梁的

根部安装角为-45°,注意:此时图6中的V 是正

的,图7中的V 是负的。此时梁在这两种安装角下

的静力特性不同,这一点与[0° 90°]5s 梁不一样。在

45°的情况下,V 和W 在大部分载荷作用下保持很

相近,在-45°时,V 和W 则迅速不同,这又是一

个结构本身弯-扭耦合的结果,在45°时,端部载荷

产生扭转力矩,大挠度受到来自耦合效应的扭转的

补偿,使得截面的转动不那么大,并且弯曲大部分

出现在45°方向。然而。在-45°情况,由于弯曲和耦合带来的扭矩增大,使得截面转动比45°时的情况更大,同时也使W 位移进一步增大。

(2)根部安装角对变形的影响

由前面的试验结果可以看出,梁根部的安装角对梁的耦合变形影响很大。为了进一步了解这种影响的大小,这里专门研究改变根部安装角时正交对称铺层[0° 90°]5s 、对称铺层[45° 0°]5s 层合梁在1600g 垂直载荷作用下的变形情况。此时在梁上测量点处横向安置了一根标杆,

16　第1期 向锦武等:大变形复合材料柔性梁静、动特性的试验研究