（本科）无人机复合材料结构设计与制造教学课件汇总完整版电子教案.ppt

无铰式和无轴承式旋翼动力学特性 无铰式旋翼和无轴承式旋翼在动力学方面的特点是相似的，由于没有垂直铰，在旋转平面内会有较大的一阶谐波哥氏力存在，使桨根产生较大的交变弯矩，在设计中必须使摆振一阶固有频率与激振力谐波1Ω保持足够的距离。通常常采用“等效铰”模型处理。用一个等效的带弹性约束的铰接式旋翼代替所分析的旋翼结构，“等效铰”的位置可以由桨叶模态直线段的延长线来确定，也可以取根部柔性组件（如球面弹性轴承）的中点。 旋翼桨叶结构设计特点 结构动力学设计一般是通过改变结构的刚度、质量及其分布来调整结构的振动固有特征（固有频率、振型等）；改变结构各个振动自由度相互之间的耦合关系；改变结构的阻尼特性等技术途径来解决动力学问题。 旋翼桨叶结构设计就是要通过结构元件布置和主要尺寸参数的确定，使旋翼桨叶具有合适的结构动力学特性（固有频率、振型等）。旋翼系统采用复合材料，为设计和制造非常规桨叶外形提供了条件，使桨叶外形设计可以做到精细化，实现优化设计。通过改变桨叶扭转规律、翼型配置、采用特型桨尖等，使桨叶性能大幅度提高，振动和噪声水平大大降低，使用寿命增长。 旋翼桨叶选用复合材料的优势 （1）复合材料高比强度、优异疲劳性能和损伤缓慢扩展特性，使复 合材料桨叶处于比较低的应力水平，疲劳寿命超过6000小时 （2）复合材料的高比模量及刚度可剪裁设计，有利干调整桨叶质量 和刚度分布。 （3）复合材料高阻尼特性，可以用来改善桨叶结构动态特性，以降 低由于飞行载荷在旋翼上产生的载荷的量值和振动水平。 （4）复合材料桨叶压模压制的固化成型方法能提高桨叶精度，包括 斜削度、翼型改变，非线性扭转以及非均匀的质量分布。 （5）复合材料桨叶可获得最佳的气动效率、最低的振动响应。 （6）以连续纤维缠绕接头衬套形成桨叶根部接头，使桨叶根部连接 处的重量和应力集中降至最小。 （7）复合材料固有的多路传载特点，使复合材料旋翼桨叶本身就具 有一定的抗弹击损伤能力、高的可靠性和生存力。 旋翼桨叶主要结构参数 1）桨叶质量 2）桨叶重心：（1）展向重心（2）弦向重心（3）有效重心 4）静矩：（1）绕旋转轴静矩（2）绕水平铰静矩 5）惯性矩：（1）绕旋转轴惯性矩（2）绕水平饺惯性矩 （3）绕变距轴惯性矩 6）剖面刚度：（1）剖面挥舞刚度（2）剖面摆振刚度 （3）剖面扭转刚度 7）剖面线质量 8）静挠度：（1）挥舞方向静挠度（2）摆振方向挠度 复合材料桨叶构型设计 桨叶构型设计受气动外形、强度、动力学、重量、对旋翼中心惯心矩、复合材料制造工艺等诸多因素的限制，这些限制往往相互矛盾、相互制约，决定了桨叶构型设计是一项十分复杂的过程。桨叶结构沿展向可以分为3个部分： （1）桨尖段。桨尖段主要安装有桨尖罩，用来改善旋翼的气动 性能与气动噪声，所受的载荷较小，不是主要结构部分 （2）根部段。根部段是桨叶与桨毂连接的部位，结构复杂，零 组件较多。桨叶所有动载荷和静载荷都要通过它传递到桨毂 上，是桨叶结纳构受力状态最复杂的部位。 （3）翼型段。翼型段是桨叶结构最主要的部分，一般由蒙皮、 大梁、内腔填块、后缘条、前缘包片、平衡配重、调整片等 元件构成。大梁是桨叶的主承力部件，设计时可以充分利用 复合材料的设计剪裁特性，按需要调整大梁刚度和质量分布 复合材料桨叶主要载荷传力路线 旋翼桨叶的主要受力结构由大梁、蒙皮、后段件和接头等部件组成。 （1）大梁是旋翼桨叶的主要承力构件，承受和传 递包括离心力、惯性力、气动力和各种复 杂的交变载荷。 （2）桨叶挥舞弯曲载荷主要由大梁和蒙皮承受 （3）桨叶摆振弯曲载荷主要由大梁、后缘条、蒙 皮承受和传递。 （4）扭转载荷主要由蒙皮和大梁与蒙皮等形成的 抗扭盒形件承受和传递。 复合材料桨叶大梁结构设计 桨叶剖面构型分析选择直接关系到桨叶的结构承载能力、动力学特性以及成型工艺性、损伤容限特性等诸多性能，是桨叶结构设计的重要一环。复合材料旋翼桨叶的典型剖面构造形式： 1）按照大梁的构造划分： （1）C形梁桨叶 （2）D形梁桨叶