基于3D打印技术的桨叶结构与动力学设计方法研究

发布时间：2020-07-02 18:31

【摘要】：桨叶是直升机旋翼系统的重要组成部分,目前最常用的直升机桨叶是由复合材料制成的。研究表明,晶格结构具有轻质与高强度的力学性能,在桨叶内部填充晶格结构,与蒙皮共同构成3D打印晶格结构桨叶,并利用增材制造技术成型,这为直升机桨叶的设计与制造提供一种全新的思路。本文重点研究了3D打印晶格桨叶的结构设计与动力学设计方法,具体工作包括:(1)3D打印晶格结构桨叶的参数化建模方法详细比较了几种不同构型的晶格结构的力学性能,研究发现三棱柱晶格具有较好的综合性能;提出了一种有效的3D打印晶格结构桨叶的参数化描述与建模方法,基于ANSYS APDL语言编写了3D打印桨叶的参数化结构建模与有限元建模程序;并通过CATIA的二次开发编程,完成了3D打印桨叶的三维实体模型设计。(2)3D打印桨叶力学特性分析与调频优化基于参数化模型建立了有限元分析流程,对采用晶格结构的3D打印桨叶进行了强度与稳定性校核和模态分析;基于多岛遗传算法实现了Beam程序、ANSYS与Isight的集成与联合优化;以桨叶填充晶格的结构特性与蒙皮厚度等为设计参数,以桨叶质量、强度安全系数、稳定载荷系数为约束,对3D打印晶格结构桨叶进行了调频优化设计,获得了优化设计参数。(3)桨叶成型与实验研究利用铝合金3D打印技术成型模型桨叶,并开展3D打印桨叶实验研究,包括静变形测量、固有频率测量以及旋翼台旋转实验和气动性能测量。通过实验,证明了本文所设计的铝合金3D打印桨叶的性能满足要求,实验测量与分析结果吻合良好,验证了本文设计方法的有效性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V275.1
【图文】：

示意图,桨叶结构,全金属,示意图

图 1.2 全金属桨叶结构示意图[1]梁桨叶的主要特点是 C 形梁承受旋转离心力、挥舞弯矩和摆振弯矩。C 形大梁一维单向带制造，充分发挥了复合材料优异的纵向拉伸强度和疲劳强度，以满足桨和挥舞载荷的承载要求。桨叶的抗扭盒形件或内抗扭层承担扭矩，但扭转刚度较 3t 以下的小型直升机。为了提高桨叶抗扭刚度，出现了 C 形梁双闭室或三闭室剖点是在 C 形梁的单闭腔内增加 1~2 个加强梁与蒙皮构成 D 形闭腔抗扭盒，既保力和成型工艺简单的特点，又具有足够的扭转刚度和摆振刚度，多用于中型直升梁双闭室桨叶具有与金属 D 形梁桨叶相似的结构布置，D 形梁既可以承受旋转离心和摆振弯矩，又可以承受扭矩，相比 C 形梁桨叶，扭转刚度大大提高，但 D 型梁为二次胶接共固化成型，填芯块采用泡沫芯或者蜂窝芯，并且生产费用要比 C 形前 D 型梁桨叶多用于中型或者重型直升机，如 CH-47，波音 360 直升机等[2]。有形大梁则采用钛合金制备，成为复合材料/金属桨叶，这种 D 形梁桨叶多用于武 UH-60A、AH64 等直升机主桨叶。梁桨叶采用多个管梁单元构成大梁，即保留 D 型梁优点，适合先进的薄翼型。管缘盒形件可分别预成型后再在模具内固化成型[2]。多腔梁桨叶的构造特点是多路传

示意图,桨叶剖面,形梁,结构示意图

图 1.3C 形梁桨叶剖面结构示意图[2]图 1.4D 形梁桨叶剖面结构示意图[2]图 1.5 多腔梁桨叶剖面示意图[2].2 复合材料桨叶参数化建模研究发展

【参考文献】