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基于VCCT复合材料柔性梁疲劳寿命研究———鲁国富刘勇张呈林

基于VCCT复合材料柔性梁疲劳寿命研究

鲁国富刘勇张呈林
南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室,南京,210016

摘要:建立了直升机复合材料柔性梁的二维有限元模型,计算了在离心力和挥舞弯矩载荷作用下柔
性梁的应力-应变场;应变计算值与试验值基本一致,说明该模型是合理的。针对柔性梁内部断层引起
的分层,引入了虚拟裂纹闭合技术;考虑分层尖端前后单元长度不等和大转动的影响,修正了应变能释
放率的计算公式。结合有限元模型和虚拟裂纹闭合技术,计算了分层扩展时的应变能释放率。利用应
变能释放率的最大值预测了柔性梁的分层疲劳寿命,预测结果与试验值相一致。
关键词:虚拟裂纹闭合技术;复合材料;柔性梁;疲劳;应变能释放率
中图分类号:TB332;V258.3;TB330.1文章编号:1004—132X(2010)02—0229—05

FatigueLifeResearchofCompositeFlexbeamBasedonVCCT
LuGuofuLiuYongZhangChenglin
NationalKeyLaboratoryofRotorcraftAeromechanics,
NanjingUniversityofAeronauticandAstronautic,Nanjing,210016
Abstract:Thepaperbuilta2Dfiniteelementmodelofhelicoptercompositeflexbeam,and
calculatedtheflexbeamstrain-stressfieldundercombinationloadofcentrifugalforceandflapping
moment.Thecalculatedstrainsareidenticalwithexperimentalvalues,whichprovesthefiniteelement
modelisright.Atthesametime,forthedelaminationofflexbeambecauseofinnerply-drop,the
paperintroducedVCCT;fortheeffectofvariedelementlengthinthedelaminationtipandlarge
rotation,thestrainenergyreleaseratecalculationformulaeweremodified.BasedonVCCT,thestrain
energyreleaseratewascalculatedduringthesimulationofthedelamination.Themaximumofthe
strainenergyreleaseratewasusedtocalculatefatiguelifeofflexbeam,andagoodagreementisfound
betweenthepredictionsandtheexperimentalvalues.
Keywords:VCCT(virtualcrackclosuretechnique);composite;flexbeam;fatigue;strainenergy
releaserate

0引言
1复合材料柔性梁变截面研究
无轴承旋翼系统是第四代直升机一个关键的
技术指标,它具有结构紧凑、质量轻和阻力小等优直升机复合材料柔性梁是利用变截面实现弹
点。复合材料柔性梁是无轴承旋翼、尾桨的核心性剪裁的,而变截面是依靠内部断层实现的,因
元件,依靠其弹性变形实现桨叶的挥舞、摆振、变此,承受交变载荷的柔性梁内部断层处往往是分
矩运动,同时,柔性梁承受桨叶及桨毂附件产生的层起始的主要源头[1]。分层使柔性梁的刚度和强
所有载荷,包括复杂的离心力、弯矩、扭矩等载荷,度大大降低,并丧失承载能力,因此分层研究在柔
因此,其疲劳寿命的计算是柔性梁设计中的一个性梁疲劳寿命计算中是十分重要的。应变能释放
重要组成部分。率是分层扩展的动力,故可用于复合材料铺层结
本文建立了变截面柔性梁的二维有限元模构的分层起裂和扩展的研究。根据能量平衡原
型,模拟了在挥舞弯矩和离心力载荷作用下柔性理,总应变能释放率G的表达式[2]为
梁内部的分层扩展采用虚拟裂纹闭合技术计算d
,G=(W-U)(1)
dA
应变能释放率;借助分层扩展中应变能释放率最
式中,W为外力做的功;U为体内弹性能;A为分层面积。
大值和DCB试验结果建立疲劳寿命关系,并预测
总应变能释放率G包括Ⅰ型应变能释放率
了直升机复合材料柔性梁的疲劳寿命。
GⅠ、Ⅱ型应变能释放率GⅡ和Ⅲ型应变能释放率

GⅢ,三种应