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1、702第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机尾减连接管坠地碰撞失效仿真分析于仁业 1 姜大成 2 李良操 1（1. 中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨，150066； 2. 陆航驻哈尔滨地区军事代表室，哈尔滨，150066）摘 要：本文针对一次某型直升机尾桨连接管疲劳试验时断裂现象，运用 Dytran 软件对复合材料尾减连接管进行了碰撞断裂仿真模拟分析。分析较好的模拟了复合材料尾减连接管落地碰撞后导致局部断裂失效的过程，仿真分析结果（破坏部位、破坏模式、冲击能量）同试验结果基本一致，为查找尾桨连接管意外断裂的原因提供了有力的技术支持。关键词：Dytran; 复合材料; 碰撞
2、仿真分析; 断裂失效; 破坏模式 1 概述尾 减 连 接 管 是 某 型 机 的 关 键 部 件 ， 由 两 个 螺 栓 与 涵 道 尾 桨 组 件 相 连 ， 用 来 支 撑 尾 桨 组 件 ， 主 要 承受 涵 道 尾 桨 推 力 ； 尾 减 速 器 连 接 管 除 螺 栓 连 接 处 套 筒 材 料 是 铝 合 金 外 ， 其 余 材 料 均 为 碳 纤 维 布 和 玻 璃布 ； 其 主 承 力 材 料 为 单 向 碳 纤 维 预 浸 料 ， 在 两 端 及 中 部 连 接 部 位 装 有 8 个 玻 璃 纤 维 布 预 浸 料 制 造 的 半 衬瓦 。 因 在 某 次 疲 劳 试 验
3、中 ， 尾 减 连 接 管 发 生 意 外 断 裂 ， 断 裂 位 置 （ 见 图 1） 且 断 口 异 常 平 齐 。 为 了 查 找到 连 接 管 意 外 断 裂 的 真 正 原 因 ， 有 必 要 首 先 从 技 术 角 度 进 行 仿 真 分 析 推 断 断 裂 原 因 ， 最 后 采 用 试 验 手段 进 行 故 障 复 现 。飞 机 结 构 所 用 的 复 合 材 料 ， 以 碳 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料 为 主 。 在 结 构 部 件 装 配 、 运 输 、 储 存和 服 役 工 作 阶 段 不 可 避 免 的 受 到 外 来 物 冲 击 所 形 成 的 损 伤
4、 ， 往 往 表 现 为 目 视 不 可 检 的 “内 伤 ”， 例 如 面板 局 部 纤 维 断 裂 。 实 验 表 明 ， 即 使 目 视 不 可 检 的 “内 伤 ”也 可 能 使 材 料 或 结 构 的 承 载 能 力 和 寿 命 显 著 降低 。因此推断尾减连接管在运输过程中意外坠地受到冲击，从而造成尾减连接管目视不可检的“内伤”，但这种坠地碰撞对尾减连接管什么部位造成最严重的损伤呢？损伤程度如何？下面就通过尾减连接管垂直坠地碰撞仿真分析来解答这些疑问。图 1 断裂部位示意图2 坠地碰撞仿真分析2.1 尾减连接管仿真模型本文采用 MSC.Dytran 软件进行尾减连接管坠地碰撞仿真分
5、析。在前处理软件 PATRAN 中建立尾减速器连接管板单元有限元模型，管壁用壳元 CQUAD4，套筒用梁元 CBAR。尾减速器连接管与地面之间定义接触关系，地面用刚性墙模拟，以描述相互作用。尾减速器连接管触地瞬间的速度由落地高度计算得出，此速度以初始速度的形式赋给尾减速器连接703管模型所有节点。为了使尾减连接管坠地碰撞后受到的损伤可见，直接计算到尾桨管发生断裂。对于描述复合材料失效破坏的强度理论比较多，工程上常用的是 Tsai-Wu 理论。工程上使用的复合材料单层板可以看成处于平面应力状态下的正交各向异性板，沿单层板弹性主轴方向的应力称为正轴应力。Tsai-Wu 理论认为不论什么应力状态，当
6、铺层正轴向的应力分量满足失效准则时，材料就失效。Tsai-Wu 失效准则理论公式如下： 1221262211 FFF式中， ctX1ctY2ctY2ctXF1126S126Dytran 中用 MAT8 用来模拟正交各向异性多层复合材料，这种材料模型描述脆性复合材料的弹性行为以及各种失效模式破坏应力准则。材料失效的预测及破坏模式采用 Tsai-Wu 理论，可以提供纤维压缩（失稳） 、以及面内剪切等失效模式。数据卡片采用 Mat8A。当破坏判据被满足后，进行材料性能退化，定义失效发生后在各个方向上应力增量与应变增量的关系。尾减速器连接管有限元模型长度单位为 m，输出应力单位为 Pa。2.2 仿真计
7、算结果2.2.1 不考虑材料损伤分析表明尾减速器连接管在离地 7 米高度自由坠落后，尾减速器连接管将发生断裂，尾减连接管撞击过程中材料失效指数变化如图 2 所示。图中初始时刻，尾桨管全部为红色，失效指数为 1，即未失效。最后时刻，右端距底部 0.105m 处一周均为白色，失效指数最小，即在此处尾桨管断裂。704图 2 尾减速器连接管材料失效过程2.2.2 考虑材料损伤考虑尾减速器连接管可能存在制造中的缺陷或存在运输过程存在意外的冲击，造成材料设计许用值降低。因此，假定碳纤维强度设计许用值降低 50%，进行坠地碰撞仿真计算。计算后尾减速器连接管在离地 2.5 米高度自由坠落后，尾减速器连接管将发
8、生断裂，尾减连接管撞击过程中材料失效指数变化如图 3 所示。图 3 尾减速器连接管材料失效过程2.3 仿真分析结论仿真计算结果统计见表 1，通过仿真分析可见，尾减连接管在垂直落地碰撞地面后，材料损伤最严重的部位是撞击端管壁厚度突变的部位，也就是应力集中较严重部位；材料无损伤，落地高度等于或大于 7 米时，尾减连接管将在撞击端管壁厚度突变的部位处齐根脆断，撞击能量达到99.11J；材料有损伤时，落地高度等于或大于 2.5 米时，尾减连接管将在撞击端管壁厚度突变的部位处齐根脆断，撞击能量达到 35.36J。705表 1 尾减连接管仿真结果统计材料性能 破坏部位 破坏模式 坠地高度( 米) 撞击能量
9、(焦耳)材料无损伤 管端部 齐根脆断 7 99.11材料存在 50性能降低 管端部 齐根脆断 2.5 35.362.5 米高度坠落，这在尾桨连接管的生产运输过程中是有可能偶然发生的事，由此可以确定意外断裂的尾桨连接管应该是个特例。3 仿真分析结果与试验结果对比为了验证仿真分析结果和试验件“故障复现”，预制一个带有材料损伤（将单向碳纤维预浸带进行了局部打弯处理）的尾减连接管进行了坠地碰撞试验；坠地碰撞试验高度为 2 米，试验后尾减连接管在端部壁厚突变的部位存在目视可见损伤。然后用此实验件进行疲劳试验，当首次加载至疲劳试验最大载荷时，尾减连接管就发生破坏，破坏部位为管端部管壁厚度突变的部位，破坏模
10、式为齐根脆断，断口图片见图 4。试验结果与仿真结果一致。图 4 试验件断口破坏照片4 结论本 文 对 直 升 机 复 合 材 料 尾 减 连 接 管 进 行 了 碰 撞 仿 真 分 析 ， 仿 真 分 析 的 破 坏 部 位 、 破 坏 模 式 、 冲 击能 量 同 试 验 室 验 证 试 验 结 果 基 本 一 致 ， 验 证 了 仿 真 分 析 结 果 是 准 确 的 ， 较 好 的 模 拟 了 复 合 材 料 尾 减 连接 管 碰 撞 后 导 致 失 效 的 过 程 。 为 查 找 尾 减 连 接 管 出 现 不 合 理 试 验 结 果 提 供 了 有 力 的 支 持 ， 实 现 了“故
11、 障 复现 ”。运 用 Dytran 软 件 、 采 用 MAT8 模 拟 正 交 各 向 异 性 多 层 复 合 材 料 、 采 用 修 正 的 Tsai-Wu 理 论 预 测 破坏 模 式 ， 能 够 取 得 同 试 验 室 试 验 较 好 的 吻 合 结 果 ， 可 以 为 复 合 材 料 构 件 的 设 计 及 分 析 提 供 重 要 技 术 支持 。参 考 文 献1 宫少波， 温永海.直升机抗坠毁仿真技术现状、发展与工程实例浅析，2007 国防科技工业虚拟制造技术高层论坛论文集2 张景新，邱光荣.环氧树脂基直升机复合材料抗坠毁性能试验研究，（2006）全国直升机年会论文3 唐义号.飞
12、机典型复合材料结构损伤力学性能研究，哈尔滨工程大学硕士学位论文4 张子龙.复合材料冲击损伤5 瞬态动力学 CAE 解决方案 MSC.Dytran 基础教程：北京大学出版社706The helicopter tail rotor connection tube fell to the ground impact failure simulation analysisYU Ren-ye1 Jiang Da-cheng2 LI Liang-cao1（1.AVIC HARBIN AIRCRAFT INDUSTRY GROUP CO., LTD.，Haerbin，150066，China ；2.Mili
13、tary Representative Office of the Army Aviation Department for the Headquarters of the PLA General Staff in Harbin Region, Haerbin，150066）Abstract：I n this paper, Composite tail rotor connecting tube simulation of the impact fracture using dytran software,The analysis based on a helicopter tail roto
14、r connection tube fatigue test breakage.Better simulation analysis to simulate a partial failure of the composite tail rotor connecting tube fell to the ground impact,Simulation results (destruction of parts, failure mode, impact energy) is consistent with the experimental results,Connection tube accidental fracture of the reason for determining the tail rotor to provide strong technical support.Key words： composite materialsc; rash simulation analysis; fracture failure; failure mode
