一种三维编织复合材料拉扭条结构

技术领域

本发明属于直升机结构部件技术领域，涉及一种拉扭条设计技术，具体涉及一种三维编织复合材料拉扭条结构。

背景技术

拉扭条是直升机旋翼系统中承受离心载荷和扭转变形的部件，它连接桨叶和桨毂，承载桨叶上绝大部分离心力，通过自身的变形取代旋翼的变距铰来实现桨叶的变距运动。目前国外的贝尔、Lord以及Airwolf公司对于拉扭条的研制有几十年的经验，另外，空直公司对于涵道尾桨拉扭条的研制也有非常成熟的经验。

过去的50多年中，空直公司在涵道尾桨的改进中对拉扭条进行了设计改进。2014年的EC145 T2最新的涵道尾桨技术，采用了碳纤维增强桨叶和集成拉扭条，并通过认证，EC145上采用的拉扭条存在二维编织结构，拉扭条端部尺寸由大到小缓慢过渡，有助于缓解拉扭条根部受力情况。

国内通过买进生产线，在某型号涵道尾桨复合材料拉扭条上有较为成熟的制造经验，并且在某型机上有金属尾桨拉扭条的研制经验。目前国内也已经出现了单向纤维缠绕的旋翼复合材料拉扭条，但是编织形式的拉扭条尚无研制先例。

高速旋转的桨叶产生的巨大离心力要求拉扭条具有较强的抗拉能力，对于需要进行高速飞行的直升机，其操纵行程的幅度范围大也增加了拉扭条的研制难度，还有高周的动态扭转变形要求，因此拉扭条还需要具备高周的耐疲劳性能。随着复合材料缠绕拉扭条技术在国内直升机上的推广，暴露出大吨位旋翼拉扭条进一步提高强度性能的要求，大吨位旋翼拉扭条需要承受的拉力远大于先有的拉扭条。

在离心载荷和扭转载荷作用下，拉扭条截面的剪切中心与扭转轴之间的偏移，使得拉扭条的每条带都受拉、扭、弯的共同作用，单向纤维(大梁)缠绕的复材拉扭条会在端部存在较大的翘曲正应力，并且垂直于纤维方向的剪应力在拉扭条侧面中央会达到最大值，翘曲正应力的存在对拉扭条纤维方向的承载能力有不利的影响，剪应力会促使其发生分层损伤。由于拉扭条上承受复杂多轴复杂应力，常规的单向加强和双向加强的机织材料无法满足更高强度需求的拉扭条设计需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种三维编织复合材料拉扭条结构，解决了传统复合材料拉扭条可能发生的分层损伤的问题，可以承受更加复杂的多轴应力。

本发明的技术方案如下：

一种三维编织复合材料拉扭条结构，包括至少两层三维编织的拉扭条、垫布和衬套，拉扭条之间隔着垫布重叠固定，拉扭条的两端设有连接孔，连接孔内设有衬套；其中，拉扭条使用三维编织工艺制成的复合材料制成，在不同于拉扭条的环绕方向上存在纤维纱线分布。

进一步的，拉扭条包括连接段、过渡段和扭转典型段，拉扭条设有连接孔的部分是连接段，拉扭条的两个连接段的中间是扭转典型段，连接段到扭转典型段的过渡区域是过渡段；其中，连接段的竖直方向尺寸最大，扭转典型段的竖直方向尺寸最小，连接段到扭转典型段方向的过渡段竖直方向尺寸由大平缓减小。

进一步的，拉扭条在过渡段处，通过穿刺方式加入在不同于拉扭条的环绕方向上纤维纱线实现沿连接段到扭转典型段方向尺寸由大平缓减小。

进一步的，拉扭条的连接段采用具有各个方向的纤维编织而成的一个更宽更厚的结构。

进一步的，拉扭条的材料是三维编织体，三维编织体是由纤维编织预制体通过RTM注塑成型工艺固化得到得。

进一步的，先制出作为三维编织体的拉扭条，然后再将拉扭条、衬套和垫布组合起来，最后通过二次固化形成拉扭条结构。

进一步的，包括三个拉扭条、两个垫布和两个衬套，三个拉扭条分别间隔两个垫布叠放，两个衬套分别设在三个叠放的拉扭条两端的两个重合孔中。

进一步的，拉扭条的三维编织结构具体包括：在使用纤维纱线环绕编织的基础上，增加周期分布的倾斜于水平面及垂直面的纤维纱线穿插和环绕在原来的环绕方向的纤维纱线上，增加的纤维纱线的倾斜方向也周期对称变化。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的三维编织复合材料拉扭条结构，三维编织的结构能够有效提升抗拉能力，增强扭转变形下抗分层能力，因此提高拉扭条使用寿命。

2、拉扭条的典型段和连接段通过由大到小的尺寸缓慢过渡区来过渡，可以降低拉扭条连接段翘曲正应力，单位扭转角度下，其翘曲正应力下降了20％～30％。

3、和专利CN204937499相比，区别在于本发明的三维编织不仅是纵向缠绕和横向缝纫，还包括了各个不平行于拉力方向的编织纤维；多向纤维的分布能更好地承载由扭转带来的翘曲应力和分层应力，相比于两个方向的纤维，其整体力学性能更强。

4、和专利200680022700相比，区别在于本发明的三维编织拉扭条为整体三维编织结构，不存在芯部与皮层区别，其具备更高的一体化程度；并且由于本发明的三维编织体用在拉扭条上，承载的是高转速情况下的离心力、扭转力，以及桨叶的挥舞摆动力等，为此本发明还设计了不同的分段设计，且分段设计的构型和三维编织构型配合，都可以解决拉扭条承受复杂多轴复杂应力的困难。

附图说明

图1为编织拉扭条组件结构布局图；

图2为图1的前视图；

图3为拉扭条分段示意图

图4为衬套示意图；

图5为过渡段尺寸示意图；

图6为拉扭条编织环绕方向示意图；

图7为拉扭条三维编织纤维示意图；

其中，1—拉扭条，2—垫布，3—衬套，11—连接段，12—过渡段，13—扭转典型段。

具体实施方式

本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以互相组合。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系为给予附图说是的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或与案件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含包括更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或以上。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体化连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种三维编织复合材料拉扭条结构，包括至少两层三维编织的拉扭条1、垫布2和衬套3，拉扭条1之间隔着垫布2重叠固定，拉扭条1的两端设有连接孔，连接孔内设有衬套3；其中，拉扭条1使用三维编织工艺制成的复合材料制成，在不同于拉扭条1的环绕方向上存在纤维纱线分布。

拉扭条1包括连接段11、过渡段12和扭转典型段13，拉扭条1设有连接孔的部分是连接段11，拉扭条1的两个连接段11的中间是扭转典型段13，连接段11到扭转典型段13的过渡区域是过渡段12；其中，连接段11的竖直方向尺寸最大，扭转典型段13的竖直方向尺寸最小，连接段11到扭转典型段13方向的过渡段12竖直方向尺寸由大平缓减小。

拉扭条1在过渡段12处，通过穿刺方式加入在不同于拉扭条1的环绕方向上纤维纱线实现沿连接段11到扭转典型段13方向尺寸由大平缓减小。

拉扭条1的连接段11采用具有各个方向的纤维编织而成的一个更宽更厚的结构。

拉扭条1的材料是三维编织体，三维编织体是由纤维编织预制体通过RTM注塑成型工艺固化得到得。

先制出作为三维编织体的拉扭条1，然后再将拉扭条1、衬套3和垫布2组合起来，最后通过二次固化形成拉扭条结构。

包括三个拉扭条1、两个垫布2和两个衬套3，三个拉扭条1分别间隔两个垫布2叠放，两个衬套3分别设在三个叠放的拉扭条1两端的两个重合孔中。

拉扭条1的三维编织结构具体包括：在使用纤维纱线环绕编织的基础上，增加周期分布的倾斜于水平面及垂直面的纤维纱线穿插和环绕在原来的环绕方向的纤维纱线上，增加的纤维纱线的倾斜方向也周期对称变化。

下面是本发明另一个实施例。

一种三维编织复合材料拉扭条组件，包括一层及以上层数的三维编织拉扭条、衬套、垫布，拉扭条在两端设置与衬套相配合的孔，拉扭条与衬套、垫布共同固化形成拉扭条组件结构。结构布局图如附图1所示。拉扭条分为三维编织连接段、三维编织过渡段和三维编织扭转典型段，分段图如附图2所示。

具体技术细节：拉扭条的材料为三维编织复合材料，三维编织体是由纤维编织预制体通过RTM注塑成型工艺固化得到，然后三维编织拉扭条与衬套、垫布进行二次固化形成拉扭条组件结构，其中衬套图如附图3所示。拉扭条在三维编织过渡段处，通过穿刺方式加入纤维纱线实现沿连接段到扭转典型段方向尺寸由大平缓减小，示意图如附图4所示。拉扭条编织的环绕方向示意图如附图5所示，三维编织工艺可以保证拉扭条在不同于环绕绕方向上存在纤维纱线分布，三维编织纤维纱线示意图如图6所示。

1.拉扭条组件使用了三维编织工艺，不再采用单向纤维缠绕的形式；

2.如上述专利要求所述的拉扭条组件，其特征在于拉扭条扭转典型段采用三维编织方式；

3.如上述专利要求所述的拉扭条组件，其特征在于拉扭条沿典型段至连接段方向，三维编织过渡段是通过穿刺方式增加不同于环绕方向的纤维来缓慢抬高过渡段尺寸；

4.如上述专利要求所述的拉扭条，其特征在于拉扭条的连接段采用具有各个方向的纤维编织而成的一个更宽更厚的结构；

5.如上述专利要求所述的拉扭条，其特征在于所述的三维编织是存在各个不同于拉扭条环绕方向的纱线(纤维束)分布；

6.拉扭条组件上下、左右、中心对称；

7.编织拉扭条示意图见图5，存在尺寸缓慢过渡区；

8.拉扭条编织纤维纱线示意图见图6，在空间各方向上存在纤维纱线分布。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。