潘春蛟，顧文標(biāo)，曾玖海，鄒 靜，虞漢文

(中國(guó)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)合材料主槳葉缺陷容限驗(yàn)證技術(shù)

潘春蛟，顧文標(biāo)，曾玖海，鄒 靜，虞漢文

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

目前直升機(jī)主槳葉結(jié)構(gòu)多采用復(fù)合材料，作為直升機(jī)特有的關(guān)鍵性動(dòng)部件，工作時(shí)一直處于復(fù)雜的受力環(huán)境中，其狀況直接影響到直升機(jī)的飛行安全。復(fù)合材料主槳葉設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制造中很容易出現(xiàn)如分層、錯(cuò)位、皺褶、夾雜等內(nèi)部缺陷，而使用時(shí)的高速旋轉(zhuǎn)使其很容易受到外物如飛沙、走石等的沖擊損傷。按照適航FAR/CCAR27/29.571條的要求，提出復(fù)合材料槳葉缺陷容限性能驗(yàn)證的方法并予以實(shí)施，降低了用戶使用和維護(hù)成本，提高了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

直升機(jī)；主槳葉；復(fù)合材料；缺陷容限；驗(yàn)證技術(shù)

0 引言

缺陷容限是FAA(美國(guó)聯(lián)邦航空管理局)針對(duì)幾起因缺陷導(dǎo)致的民航事故于1989年首先提出的。FAA認(rèn)為航空器結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，基于結(jié)構(gòu)無(wú)損傷的理想狀態(tài)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)是不夠合理的。2000年以后，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)逐漸成為主流，如某民用型號(hào)直升機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)壽命達(dá)到了6000～20000飛行小時(shí)。長(zhǎng)壽命周期內(nèi)缺陷演變成危害的可能性更高，因此，結(jié)構(gòu)的缺陷容限性能驗(yàn)證逐漸受到重視，并最終成為適航FAR/CCAR27/29.571條的強(qiáng)制要求。

作為直升機(jī)特有的關(guān)鍵性動(dòng)部件，主槳葉通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)和槳盤(pán)傾斜、槳葉變距操縱等，為直升機(jī)提供滿足機(jī)動(dòng)飛行需求的升力和動(dòng)力。目前先進(jìn)直升機(jī)的主槳葉一般采用碳纖維、玻璃纖維等多種復(fù)合材料構(gòu)成。復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度性能，對(duì)應(yīng)力集中等缺陷不敏感，因此，槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷類(lèi)型和尺寸的容忍度高于一般的金屬材料。但復(fù)合材料主槳葉制造時(shí)需要經(jīng)歷放置支撐肋、泡沫內(nèi)襯，并通過(guò)纏繞、交叉鋪層、膠粘、高溫模壓等多道復(fù)雜工序方能成型。在這過(guò)程中難以完全避免內(nèi)部缺陷的存在，如分層、錯(cuò)位、皺褶、夾雜等。而在使用過(guò)程中主槳葉高速旋轉(zhuǎn)的工作模式很容易受到外物如飛沙、走石等帶來(lái)的沖擊損傷。

直升機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，主槳葉一直處于復(fù)雜的受力環(huán)境中，既要承受地—空—地飛行引起的載荷循環(huán)，還要承受周期性的氣動(dòng)力、彈性力、慣性力產(chǎn)生的揮舞、擺振彎矩、扭矩及離心力，結(jié)構(gòu)一旦存在初始缺陷或在使用中意外損傷，惡劣的載荷環(huán)境很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度的降低，影響使用安全。

按照適航FAR/CCAR27/29.571條對(duì)強(qiáng)度安全的要求，同時(shí)出于降低用戶使用和維護(hù)成本使得整機(jī)具有出色的性價(jià)比的角度考慮，復(fù)合材料主槳葉的缺陷容限性能必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，即假設(shè)結(jié)構(gòu)存在某些不可避免的缺陷，這些缺陷在給定的壽命期內(nèi)不會(huì)影響飛行安全。

本文結(jié)合某型直升機(jī)開(kāi)展主槳葉缺陷容限性能的驗(yàn)證技術(shù)研究。

1 缺陷容限驗(yàn)證思路

典型復(fù)合材料主槳葉多采用帶有兩個(gè)槳葉銷(xiāo)的根部接頭和抗扭盒式閉腔結(jié)合“C”形前緣大梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，按照結(jié)構(gòu)形式和功能的不同一般分為兩個(gè)區(qū)域，即根部段和翼型段。根部段使用兩只無(wú)緯帶纏繞襯套，構(gòu)成主槳葉與主槳轂支臂的連接區(qū)；無(wú)緯帶延伸形成的前緣大梁貫穿整副槳葉，起著主要承力和傳力的作用，外部覆蓋蒙皮通過(guò)隔斷形成翼型腔，翼型腔使用加強(qiáng)肋和填充泡沫維持蒙皮的氣動(dòng)外形，升力主要來(lái)源于翼型段。由于結(jié)構(gòu)特性和受載存在明顯差異，根部段和翼型段的缺陷容限特性需要分別進(jìn)行驗(yàn)證。

主槳葉缺陷容限驗(yàn)證流程(見(jiàn)圖1)為：

1)工藝分析、制造和使用統(tǒng)計(jì)，確定常見(jiàn)缺陷類(lèi)型、缺陷尺寸及易出現(xiàn)位置；

2)應(yīng)力分析，確定主槳葉危險(xiǎn)區(qū)域；

3)設(shè)計(jì)、制造主槳葉根部段和翼型段試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件的危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)制各類(lèi)缺陷，包括內(nèi)部缺陷和外部缺陷；

4)根據(jù)飛行載荷和主槳葉材料特性確定滿足壽命指標(biāo)的試驗(yàn)載荷譜，進(jìn)行帶缺陷結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)；

5)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定是否需要修正缺陷參數(shù)和再驗(yàn)證；

6)疲勞試驗(yàn)滿足壽命指標(biāo)要求后，進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)；

7)根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果評(píng)判缺陷類(lèi)型和尺寸的合理性，給出主槳葉缺陷許用標(biāo)準(zhǔn)，提出危險(xiǎn)缺陷類(lèi)型控制建議。

圖1 主槳葉缺陷容限驗(yàn)證流程圖

2 主槳葉缺陷預(yù)制原則

主槳葉在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，缺陷可能出現(xiàn)在其任意處，因此在對(duì)主槳葉進(jìn)行缺陷容限性能驗(yàn)證時(shí)，原則上缺陷應(yīng)首先預(yù)制在結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域，其次為結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域；待驗(yàn)證缺陷尺寸盡可能以工藝控制代價(jià)低、易檢測(cè)為宜，這樣缺陷容限驗(yàn)證結(jié)果可覆蓋各種可能的缺陷形式及嚴(yán)酷情況，建立的缺陷許用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用性強(qiáng)、可靠度高。

主槳葉由不同材料的纖維通過(guò)膠粘接成形，剛度不匹配、變形不協(xié)調(diào)以及膠的好壞、粘接質(zhì)量差異、成型模壓等因素均可能導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，因此易出現(xiàn)缺陷區(qū)域通?？梢愿鶕?jù)主槳葉各區(qū)域的功能、構(gòu)造及制造過(guò)程中的工藝控制等情況確定，并基于易檢性、統(tǒng)計(jì)和工藝可控的原則預(yù)測(cè)缺陷的最大許用尺寸。

根部段主要起到主槳葉與主槳轂支臂連接的作用。主槳葉根段內(nèi)含兩個(gè)金屬襯套，由前、后短切纖維混合物填塊來(lái)固定，上、下層各采用數(shù)股復(fù)合材料無(wú)緯帶繞前、后短切纖維混合物來(lái)構(gòu)成大梁，再在根部段的端頭利用短切纖維混合物堵蓋包住大梁。內(nèi)部空腔則采用一定密度的泡沫填充，根部段外表面再使用±45°方向的復(fù)合材料布加強(qiáng)。根部段可預(yù)見(jiàn)的制造缺陷包括大梁帶粘接問(wèn)題引起的分層、異物夾雜以及無(wú)緯帶鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的纖維錯(cuò)位或彎曲等。

翼型段沿展向一般由數(shù)個(gè)抗扭盒組成，如某型直升機(jī)有4個(gè)抗扭盒，均采用一定密度的泡沫填充維持翼型。翼型的前端為“C”形大梁，沿著槳葉的展向采用截面積遞減的玻璃無(wú)緯帶構(gòu)成。每個(gè)抗扭盒的上下部位均鋪設(shè)有加強(qiáng)梁，加強(qiáng)梁多為2～3層的碳纖維布，分別按±45°方向和0/90°鋪設(shè)。

翼型段后緣的上下表面采用0/90°方向的碳布加強(qiáng)，由一股玻璃無(wú)緯帶構(gòu)成后緣條。抗扭盒通過(guò)1～4層的±45°方向的碳布加強(qiáng)，最后用鋪設(shè)蒙皮，蒙皮多由±45°和0/90°的碳布或玻璃布組成，翼型段“C”形大梁前緣采用不銹鋼包裹。

由于翼型段的蒙皮、泡沫、加強(qiáng)肋、“C”形大梁等不同材料經(jīng)過(guò)鋪設(shè)、膠粘等生產(chǎn)工序和工藝，形成沿展向長(zhǎng)度達(dá)數(shù)米、沿弦向呈紡錘狀的復(fù)雜形體，因此很容易產(chǎn)生分層、異物夾雜、無(wú)緯帶錯(cuò)位、蒙皮褶皺等缺陷。

除了制造過(guò)程中可能存在的缺陷，在主槳葉裝配、使用和維護(hù)過(guò)程中同樣可能因地面設(shè)備、工具、石頭、冰雹等碰撞或沖擊造成輕微損傷，這些損傷的危害性雖然小于鳥(niǎo)撞、雷擊、彈擊等，但可能伴隨主槳葉的整個(gè)生命周期，必須確認(rèn)可容忍的尺寸。

主槳葉結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域則采用應(yīng)力分析的方法確定：

1)獲取所用復(fù)合材料的力學(xué)特性，包括：平均極限強(qiáng)度Rm、安全極限強(qiáng)度Rm-kq、彈性模量E(MPa)和剪切彈性模量G(MPa)。

2)根據(jù)槳葉總體參數(shù)計(jì)算槳葉剖面的特性，包括：線質(zhì)量(kg/m)、拉伸剛度(DAN)、揮舞剛度(Nm2)和擺振剛度(Nm2)。

3)確定受載嚴(yán)重工況，主要包括：超扭+水平飛行、超扭+水平轉(zhuǎn)彎、超扭+螺旋轉(zhuǎn)彎、超轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)、旋翼加速、旋翼剎車(chē)、主槳葉陣風(fēng)揚(yáng)起下墜、風(fēng)載等。

4)根據(jù)主槳葉沿展向的載荷分布情況及剖面剛度情況，選取具有代表性的臨界剖面( 如圖2)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，圖3為臨界剖面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。獲取靜應(yīng)力σs和動(dòng)應(yīng)力σd后，可以確定材料的強(qiáng)度裕度。

臨界剖面材料的極限應(yīng)力：

σult=(σs+σd)×1.5×Kt

強(qiáng)度裕度：

M.S.

5)依據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，選取強(qiáng)度裕度較小的剖面作為缺陷容限驗(yàn)證的主要區(qū)域。

圖2 主槳葉臨界剖面

圖3 主槳葉臨界剖面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

確定缺陷的類(lèi)型和出現(xiàn)的主要區(qū)域后，可以在全尺寸主槳葉的根部段和翼型段試驗(yàn)件上采用合理的方法進(jìn)行預(yù)制。

3 缺陷預(yù)制方法[1-2]

3.1 內(nèi)部缺陷

1) 分層

分層主要考慮膠接材料、工藝控制質(zhì)量等因素導(dǎo)致的鋪層間粘合分離，在鋪層間放入對(duì)折后的特氟綸帶模擬分層缺陷。

分層預(yù)制在根部段試驗(yàn)件的0剖面(過(guò)槳葉銷(xiāo)的軸線)，受槳葉銷(xiāo)切向載荷的作用，該剖面正應(yīng)力最大。在繞后緣襯套大梁帶的外上側(cè)相鄰3組纖維束之間平行放置15mm× 15mm的特氟綸帶來(lái)模擬分層。

翼型段試驗(yàn)件分層的類(lèi)型和位置按照缺陷預(yù)制原則確定，將φ25mm的特氟綸帶放置在關(guān)鍵剖面所在材料之間的連接區(qū)域，包括上翼面前加強(qiáng)肋和中間大梁之間、下翼面后加強(qiáng)肋和蒙皮之間以及上、下翼面蒙皮和泡沫之間三種分層區(qū)域，這些區(qū)域的應(yīng)力水平均較高。

圖4 分層

2) 翼型段蒙皮褶皺

主槳葉翼型段前端為“C”形梁，中、后段主要由蒙皮、加強(qiáng)肋和泡沫等構(gòu)成設(shè)計(jì)所需的氣動(dòng)外形，由于翼型腔呈不規(guī)則形狀，泡沫填充時(shí)可能存在對(duì)接間隙或與加強(qiáng)肋之間結(jié)合不實(shí)等可能，鋪設(shè)好的蒙皮在高溫加壓固化的時(shí)候會(huì)因空隙而塌陷出現(xiàn)褶皺，而蒙皮鋪設(shè)張緊力不足或局部膠過(guò)多，可能會(huì)產(chǎn)生凸起褶皺。

在翼型段試驗(yàn)件關(guān)鍵剖面的前盒、中盒，兩段維形泡沫之間預(yù)留5mm的對(duì)接間隙，預(yù)制沿弦向的蒙皮塌陷褶皺；另外在上、下蒙皮與前、后加強(qiáng)肋的結(jié)合處，通過(guò)切除維形泡沫上直角邊為高20mm、寬3mm的三角形棱柱，預(yù)制展向的蒙皮塌陷褶皺，如圖5-1。

凸起褶皺在關(guān)鍵剖面的前加強(qiáng)肋后緣位置(前加強(qiáng)肋和中盒的結(jié)合處)，通過(guò)在表面玻璃布下增加一層弦向?qū)挾葹?mm碳布的形式來(lái)預(yù)制，如圖5-2。

圖5 翼型段蒙皮褶皺

3) 無(wú)緯帶錯(cuò)位

無(wú)緯帶錯(cuò)位主要模擬鋪設(shè)不同束無(wú)緯帶時(shí)位置對(duì)齊的偏差，錯(cuò)位可能導(dǎo)致成型后的結(jié)構(gòu)受力時(shí)該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力分布的突變。

根部段試驗(yàn)件在繞前緣襯套大梁的內(nèi)下側(cè)(圖6-1)、無(wú)緯帶各束的中間，放置疊加在一起的尺寸為20mm(展向)×15mm(高度)的三層特氟綸帶來(lái)模擬缺陷。

翼型段試驗(yàn)件在關(guān)鍵剖面“C”型梁緊貼上蒙皮的大梁無(wú)緯帶處，通過(guò)放置尺寸為5mm(弦向)×15mm(展向)的特氟綸帶來(lái)模擬缺陷(圖6-2)。

4) 金屬雜物

金屬雜物主要模擬主槳葉復(fù)合材料在鋪設(shè)過(guò)程中夾雜異物的情況。異物夾雜會(huì)導(dǎo)致周?chē)鷱?fù)合材料纖維彎曲，從而減少有效承載面積(考慮正應(yīng)力)，另外鋪層之間也會(huì)因異物存在局部缺膠，在主槳葉使用過(guò)程中很可能引起分層缺陷。

在根部段試驗(yàn)件的繞后襯套大梁帶外上側(cè)，無(wú)緯帶中間放置一個(gè)形狀為長(zhǎng)方體，體積為3 × 2 × 2mm3的金屬塊，見(jiàn)圖6-1。翼型段試驗(yàn)件則在危險(xiǎn)剖面的后緣條和下翼面之間放置同樣尺寸的金屬塊，見(jiàn)圖6-2。

5)根部段0剖面大梁無(wú)緯帶彎曲

根部段大梁無(wú)緯帶束在鋪設(shè)、纏繞時(shí)，若張緊力不足或出現(xiàn)異物夾雜(如膠過(guò)多)會(huì)導(dǎo)致局部無(wú)緯帶的彎曲。

如圖7中①所示，在繞前緣襯套大梁的外下側(cè)的兩束無(wú)緯帶之間通過(guò)增加一個(gè)密度為110kg/m3，尺寸4mm× 2mm× 15mm的橢圓柱形泡沫塊來(lái)模擬無(wú)緯帶的彎曲。另外在槳根堵蓋與槳根泡沫的對(duì)接處，繞后緣襯套大梁帶的內(nèi)上側(cè)，通過(guò)切除槳根(靠近槳根堵蓋位置)三角棱柱形的泡沫，模擬大梁帶在此位置的彎曲，如圖7中②所示。

3.2 外部缺陷

采用直徑φ25mm的半球形沖擊頭以自由落體的方式在主槳葉外表面的關(guān)鍵區(qū)域制造外部沖擊缺陷，缺陷尺寸大小要求達(dá)到勉強(qiáng)可檢的水平，即在2m的距離可用肉眼勉強(qiáng)識(shí)別出處沖擊后的缺陷。

主槳葉翼型段試驗(yàn)件在10個(gè)剖面位置預(yù)制沖擊缺陷，見(jiàn)圖8，預(yù)先在廢棄的主槳葉上驗(yàn)證不同區(qū)域勉強(qiáng)可檢缺陷對(duì)應(yīng)的沖擊能量，然后在試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊。

圖6 金屬雜物與無(wú)緯帶錯(cuò)位

圖7 大梁無(wú)緯帶彎曲

圖8 翼型段試驗(yàn)件表面沖擊位置

根部段試驗(yàn)件在3個(gè)位置上預(yù)制沖擊缺陷，見(jiàn)圖9，包括后緣襯套根端大梁帶上表面、20mm剖面下表面前緣襯套外側(cè)大梁帶、50mm剖面前緣襯套外側(cè)大梁帶距離下表面10mm處。

4 缺陷容限特性驗(yàn)證

某型直升機(jī)主槳葉的設(shè)計(jì)壽命指標(biāo)為20000飛行小時(shí)，按照缺陷容限驗(yàn)證的要求，針對(duì)各種不可避免的缺陷或損傷，即使不進(jìn)行定期檢查或維修也能保證其在壽命期內(nèi)的疲勞強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度的要求。疲勞強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度的驗(yàn)證必須在同一件試驗(yàn)件上進(jìn)行，也即按缺陷預(yù)制方法在主槳葉根部段和翼型段試驗(yàn)件上預(yù)制好內(nèi)、外缺陷，通過(guò)缺陷容限試驗(yàn)首先驗(yàn)證試驗(yàn)件具備承受20000小時(shí)壽命期內(nèi)的疲勞載荷作用的能力，其次在完成壽命驗(yàn)證后，試驗(yàn)件仍可承受飛行使用中的最大載荷工況。若帶缺陷試驗(yàn)件通過(guò)20000飛行小時(shí)的壽命驗(yàn)證及剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，則預(yù)制的缺陷類(lèi)型和尺寸參數(shù)合理，可以作為缺陷許用標(biāo)準(zhǔn)，否則需要針對(duì)性地分析原因，提出缺陷參數(shù)修正方向并重新進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9 根部段大梁帶表面沖擊位置

4.1 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證

主槳葉翼型段結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)、剛度較小，試驗(yàn)過(guò)程中變形大，直接加載試驗(yàn)困難且試驗(yàn)周期長(zhǎng)，故采用共振法，保證關(guān)鍵區(qū)域的載荷滿足考核的要求。根部段因剛度大，故采用常規(guī)的激振法。

主槳葉在20000小時(shí)的載荷環(huán)境中除了預(yù)制缺陷不出現(xiàn)擴(kuò)展之外，還需要有足夠的剩余強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)在使用壽命的最后期限也不會(huì)在限制載荷的作用下破壞。如果按傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)方式將試驗(yàn)件直接做到破壞，可以獲得結(jié)構(gòu)的疲勞性能，但無(wú)法考核其剩余強(qiáng)度。因此，與傳統(tǒng)方式不同，試驗(yàn)載荷譜必須做到與20000小時(shí)的真實(shí)載荷環(huán)境等效。首先依據(jù)壽命指標(biāo)和飛行載荷確定結(jié)構(gòu)的疲勞極限，再采用疲勞特性S-N曲線公式推算出試驗(yàn)載荷及循環(huán)次數(shù)的合理組合，包括飛行應(yīng)力分析、試驗(yàn)載荷最大剖面推算、安全壽命與目標(biāo)壽命對(duì)比、疊代運(yùn)算等系列分析和運(yùn)算等過(guò)程，具體步驟如下：

1)依據(jù)飛行載荷分析主槳葉飛行應(yīng)力，根據(jù)主槳葉應(yīng)力沿展向的分布確定危險(xiǎn)剖面；

2)進(jìn)行揮舞、擺振彎矩的相關(guān)性分析(圖10)，確定試驗(yàn)載荷中揮舞、擺振彎矩的比例和加載方案，預(yù)計(jì)試驗(yàn)載荷最大剖面，初步制定試驗(yàn)載荷，包含揮舞、擺振彎矩，離心力；

3)按第2步確定的初步試驗(yàn)載荷和最大載荷剖面，采用工程方法將載荷轉(zhuǎn)為應(yīng)力；

4)采用復(fù)合材料S-N特性曲線，利用3)獲得的試驗(yàn)應(yīng)力和試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的平均疲勞極限；

5)根據(jù)試驗(yàn)件數(shù)對(duì)應(yīng)的疲勞試驗(yàn)減縮系數(shù)計(jì)算安全疲勞極限；

6)利用計(jì)算的安全疲勞極限和第1步獲得的飛行應(yīng)力計(jì)算安全壽命；

7)比較計(jì)算安全壽命與目標(biāo)壽命(20000小時(shí))、無(wú)缺陷結(jié)構(gòu)平均疲勞極限和材料疲勞極限，考慮強(qiáng)度裕度，調(diào)整第2步的試驗(yàn)載荷，重復(fù)進(jìn)行第3-7步計(jì)算，直到試驗(yàn)載荷滿足目標(biāo)壽命要求。

圖10 主槳葉揮舞、擺振彎矩相關(guān)性

帶缺陷根部段和翼型段試驗(yàn)件各進(jìn)行2個(gè)載荷級(jí)的試驗(yàn)，見(jiàn)表1，每級(jí)載荷各作用100萬(wàn)次循環(huán)，驗(yàn)證復(fù)合材料主槳葉的所有帶缺陷結(jié)構(gòu)和區(qū)域。試驗(yàn)過(guò)程中繪制關(guān)鍵剖面的載荷下降趨勢(shì)圖，如果載荷下降10%，停止試驗(yàn)，并檢查試驗(yàn)件，確定損傷部位。

4.2 剩余強(qiáng)度驗(yàn)證

翼型段剩余強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)由于離心力增加35%，槳葉展向剛度增加，導(dǎo)致共振加載方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)剩余強(qiáng)度要求的揮舞和擺振彎矩量值?？紤]到試驗(yàn)加載次數(shù)不多，可采用四點(diǎn)彎曲的加載方式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域的剩余強(qiáng)度。

表1 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證載荷

試驗(yàn)臺(tái)在原疲勞試驗(yàn)臺(tái)上增加載荷作動(dòng)器和加載夾具，見(jiàn)圖11，不需要對(duì)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)做任何變動(dòng)。集中力通過(guò)夾板施加在2300剖面和2700剖面，保證剖面載荷達(dá)到表2的要求。根部段剩余強(qiáng)度驗(yàn)證采用疲勞驗(yàn)證一致的方法。

剩余強(qiáng)度驗(yàn)證含兩級(jí)載荷，作用在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，考慮剩余強(qiáng)度的分散性，載荷作用循環(huán)次數(shù)均為100次。

圖11 四點(diǎn)彎曲法剩余強(qiáng)度試驗(yàn)原理

4.3 缺陷參數(shù)的修正

按制定的試驗(yàn)方案，帶缺陷的主槳葉翼型段需要在兩級(jí)載荷下各驗(yàn)證一百萬(wàn)次循環(huán)，但第一件試驗(yàn)件在第一級(jí)疲勞載荷作用次數(shù)到5.7萬(wàn)次循環(huán)時(shí)，監(jiān)控載荷出現(xiàn)異常，試驗(yàn)立刻停止。經(jīng)初步檢查，翼型段試驗(yàn)件3600mm剖面的上表面出現(xiàn)貫穿性裂紋(圖12)，下表面目視雖然正常，經(jīng)敲擊檢查，蒙皮也已出現(xiàn)明顯的分層特征。針對(duì)翼型段的提前破壞，處理、分析了翼型段各關(guān)鍵剖面的載荷監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，載荷加載數(shù)據(jù)一直處于正常的范圍內(nèi)，排除了試驗(yàn)設(shè)備的加載異常情況。

圖12 蒙皮裂紋及其在試驗(yàn)件上所處的位置

裂紋所處的翼型段3600mm剖面預(yù)制有內(nèi)部缺陷，缺陷模擬翼型盒段的中腔內(nèi)襯支撐泡沫因工藝控制原因存在對(duì)接間隙，間隙為5mm，經(jīng)過(guò)對(duì)破壞部位的切割取樣檢查，蒙皮在泡沫對(duì)接處有皺折和表面積膠的痕跡。檢查了預(yù)制同樣缺陷的另一件翼型段試驗(yàn)件，3600mm剖面對(duì)接間隙處的蒙皮表面確實(shí)存在明顯的褶皺痕跡，該痕跡順著泡沫對(duì)接間隙的方向，寬度及長(zhǎng)度與預(yù)制的對(duì)接泡沫間隙尺寸相當(dāng)。

主槳葉前緣為大梁，沿弦向由筋肋分隔為三個(gè)盒段，盒段表面為蒙皮，蒙皮下襯起支撐和維形作用的泡沫，槳葉制造時(shí)，蒙皮采用0、45、90度纖維方向的預(yù)浸帶鋪設(shè)，在模具中高溫、高壓固化成型。由于蒙皮下襯泡沫預(yù)制有對(duì)接間隙，在加壓固化的過(guò)程中，預(yù)浸帶因間隙處缺少支撐出現(xiàn)塌陷，且各鋪層間的粘接不緊密。試驗(yàn)加載時(shí)，該區(qū)域的載荷可能僅由部分纖維層承擔(dān)。沿槳葉展向蒙皮因間隙的存在，一方面其變形不連續(xù)，另一方面在揮舞、擺振彎矩、離心力的聯(lián)合作用下，作為薄殼結(jié)構(gòu)的蒙皮也會(huì)因此出現(xiàn)殼屈，該區(qū)域的應(yīng)變較鄰近下襯有泡沫的區(qū)域存在明顯的突變，兩種情況的疊加效應(yīng)導(dǎo)致了裂紋從該處快速產(chǎn)生并擴(kuò)展到整個(gè)上蒙皮。同一試驗(yàn)件的2100mm剖面前腔也預(yù)制了泡沫對(duì)接縫，但是前腔蒙皮厚度大，且前緣有大梁帶，皺折現(xiàn)象十分輕微，故未發(fā)生裂紋。

根據(jù)對(duì)第一件缺陷試驗(yàn)結(jié)果的分析，預(yù)置的5mm的泡沫對(duì)接縫明顯過(guò)大，通過(guò)對(duì)制造工藝的完善，在主槳葉的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，泡沫對(duì)接間隙小于5mm是可以實(shí)現(xiàn)且可控的。首先嚴(yán)格控制泡沫的加工尺寸，在泡沫鋪放到模具上時(shí)，使用塞尺精確檢測(cè)泡沫的合模間隙，盡量將間隙控制在2mm之內(nèi)；其次，如果因加工超差和泡沫熱脹冷縮等因素導(dǎo)致泡沫間隙大于2mm時(shí)，可以在泡沫對(duì)接縫處插入小塊泡沫進(jìn)行修理，修理后的泡沫同樣能對(duì)槳葉蒙皮起到支撐效果。綜合考慮后，把間隙缺陷尺寸由此前的5mm調(diào)整為2mm(3600mm剖面中腔)和3mm(2100mm剖面前腔)。

經(jīng)過(guò)調(diào)整后的槳葉通過(guò)了損傷容限試驗(yàn)載荷譜和剩余強(qiáng)度的考核，確定了各種缺陷的許用尺寸，其中泡沫間隙缺陷應(yīng)該重點(diǎn)控制并加以杜絕。

4.4 許用缺陷類(lèi)型和參數(shù)

根據(jù)復(fù)合材料主槳葉缺陷容限特性驗(yàn)證結(jié)果確定其許用的缺陷類(lèi)型和尺寸參數(shù)，這些缺陷在生產(chǎn)、使用中難以完全避免，與結(jié)構(gòu)特征、制造工藝和使用環(huán)境等因素密切相關(guān)。缺陷的位置、類(lèi)型和尺寸滿足以下條件時(shí)，可以不用修復(fù)。

1)內(nèi)部缺陷

① 分層

在主槳葉根部段大梁帶的任意剖面尺寸不大于15mm × 15mm的分層缺陷可以接受，但同一剖面處分層不允許多于3層；翼型段的任意剖面的任意區(qū)域均可忽視尺寸不大于?25 mm的分層缺陷。

② 金屬雜物

主槳葉根部段和翼型段中夾雜體積不大于3 × 2 × 2 mm3的長(zhǎng)方體物質(zhì)不會(huì)構(gòu)成危害。

③ 無(wú)緯帶錯(cuò)位

主槳葉根部段無(wú)緯帶的錯(cuò)位面積不允許大于20mm(展向)×15mm(高度)；翼型段“C”型梁不允許大于5mm(弦向)×15mm(展向)。

④ 無(wú)緯帶彎曲

主槳葉根部段無(wú)緯帶彎曲范圍導(dǎo)致的空隙不能超出4 mm × 2 mm × 15 mm；翼型段“C”型梁不允許出現(xiàn)無(wú)緯帶彎曲。

⑤ 蒙皮褶皺

主槳葉根部段無(wú)此類(lèi)缺陷；翼型段空腔中兩段維形泡沫的對(duì)接間隙不能大于2mm，上、下蒙皮與前、后加強(qiáng)肋的結(jié)合處，維形泡沫上直角邊不能出現(xiàn)高20mm、寬3mm的三角形棱柱形缺損，蒙皮凸起褶皺沿弦向的長(zhǎng)度不可大于5mm。

蒙皮褶皺缺陷在主槳葉的制造過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)防控。

2) 外部缺陷

主槳葉根部段和翼型段外表面如果出現(xiàn)不大于勉強(qiáng)可檢尺寸的表面沖擊缺陷，不影響結(jié)構(gòu)的使用安全。

復(fù)合材料主槳葉應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工藝控制和使用維護(hù)要求，如果發(fā)現(xiàn)超出上述許用標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，則采用經(jīng)過(guò)權(quán)威驗(yàn)證的修理程序進(jìn)行修理，保證修復(fù)后能達(dá)到原來(lái)的強(qiáng)度要求。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)復(fù)合材料主槳葉各功能區(qū)的結(jié)構(gòu)特征及制造工藝控制等情況確定易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域；采用應(yīng)力分析的方法確定結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)剖面和區(qū)域。將缺陷預(yù)制在試驗(yàn)件的這兩類(lèi)區(qū)域，驗(yàn)證結(jié)果安全可信。

2)采用應(yīng)力分析、試驗(yàn)載荷最大剖面推算、安全壽命與目標(biāo)壽命對(duì)比、疊代運(yùn)算的方式確定試驗(yàn)載荷譜，實(shí)現(xiàn)了一副主槳葉試驗(yàn)件上同時(shí)驗(yàn)證缺陷容限性能和剩余強(qiáng)度性能的需求。

3)通過(guò)缺陷容限驗(yàn)證暴露復(fù)合材料主槳葉重點(diǎn)防控的缺陷類(lèi)型，制定缺陷許用標(biāo)準(zhǔn)，為處置生產(chǎn)、使用、維護(hù)過(guò)程中各類(lèi)缺陷的處置提供了技術(shù)依據(jù)。

[1] 曾玖海,等. EC175-Z15主槳葉翼型段損傷容限疲勞試驗(yàn)任務(wù)[Z].技術(shù)報(bào)告，2011.

[2] 曾玖海,等. EC175-Z15主槳葉根部段損傷容限疲勞試驗(yàn)任務(wù)[Z].技術(shù)報(bào)告，2011.

The Study on Flaw Tolerance Substantiation of Helicopter Composite Material Main Rotor Blade

PAN Chunjiao，GU Wenbiao，ZEN Jiuhai，ZOU Jing，YU Hanwen

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

Main rotor blades are most important parts of helicopter and always work under multiply loads environment, their enough strength will be critical for the flight safety of helicopter. Today main rotor blades are usually designed by composite material, some type of flaws such as delaminations, misalignments, undulations (waves),metallic inclusions and Impacts etc. are frequently arose during blade manufacturing process and service. Flaw tolerance substantiation of helicopter critical structures is required in FAR/CCAR27/29.571. The flaw tolerance substantiation approach of full-scale blades was shown and the acceptance criteria of flaw type and parameter were given, it would reduce costs of blades production and service beside more safety.

helicopter；main rotor blade；composite material；flaw tolerance；substantiation

2015-01-28

潘春蛟(1972-)，男，黑龍江慶安人，碩士，高工，主要研究方向：直升機(jī)疲勞強(qiáng)度。

1673-1220(2015)02-050-08

V250.2；V214.8

A