專利名稱：提高了裂紋容限的整體式結(jié)構(gòu)的制作方法
領(lǐng)域本發(fā)明是針對(duì)能有效用來(lái)反抗振動(dòng)彎曲載荷的構(gòu)件，尤其是針對(duì)改進(jìn)了結(jié)構(gòu)性質(zhì)而能提高裂紋容限的整體式結(jié)構(gòu)。
背景在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，正不斷地在研究有關(guān)結(jié)構(gòu)與材料的工藝，使這種結(jié)構(gòu)與材料能顯示出極長(zhǎng)壽命的性質(zhì)和/或在結(jié)構(gòu)上能超靜定地用于要求失效保護(hù)操作的條件下。例如在航天工業(yè)中，對(duì)某些飛行安全臨界機(jī)械系統(tǒng)如旋翼飛機(jī)的主旋翼漿轂，最重要的是它即使于存在有結(jié)構(gòu)裂紋或故障的情形下，也要能連續(xù)地運(yùn)行。因此，對(duì)這類機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，通常的作法是采用這樣的構(gòu)件，它們具有為在廣范圍的反抗施加載荷而所需的質(zhì)量和/或材料成分，或是采用多部件的構(gòu)造，以在某個(gè)部件失效時(shí)來(lái)提供冗余的荷載路徑。
金屬成分的構(gòu)件易由機(jī)加工、鑄造或鍛造來(lái)制造，但這類金屬構(gòu)件的裂紋容限通常很差。這里提到的裂紋容限是指結(jié)構(gòu)能抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力，特別是指能抵抗這種裂紋擴(kuò)展到極限失效點(diǎn)的能力。為了對(duì)這種材料特性作出補(bǔ)償，設(shè)計(jì)者必須確保能在合適的結(jié)構(gòu)即材料質(zhì)量，來(lái)把法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力保持到可防止相應(yīng)構(gòu)件中有裂紋形式或快速生長(zhǎng)的程度。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，用提高結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)失效保護(hù)作業(yè)時(shí)從結(jié)構(gòu)上說(shuō)不是有效的。更有甚者，在用于重量至關(guān)重要的飛機(jī)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)上的無(wú)效性還會(huì)危及飛機(jī)的燃料與飛行性能。
在材料成分中，例如在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基體材料領(lǐng)域中所做的改進(jìn)，已對(duì)失效保護(hù)提高了較為可行的一些解決方法。首先，增強(qiáng)纖維在此固有地形成了許多荷載路徑，由于這種結(jié)構(gòu)纖維可以視作為一個(gè)個(gè)的部件，它們?nèi)Q于纖維的荷載或含量，能夠充分地反抗所加的荷載。其次，這種復(fù)合材料的失效方式表征為分層或基體的失效而不是在整個(gè)纖維上的失效。這就是說(shuō)，在這種復(fù)合材料的粘合基體間，裂紋的擴(kuò)展不會(huì)顯著地改變此復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)整體性。新近，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)相對(duì)于重量特性來(lái)說(shuō)能提供優(yōu)越的強(qiáng)度，因而特別有利于對(duì)飛機(jī)的應(yīng)用。Hibyan等的美國(guó)專利US 4585393公開(kāi)了一種輕量的、能容忍損傷的用于直升飛機(jī)旋翼漿轂的軛組件，其中單向的復(fù)合纖維例如石墨纖維與玻璃纖維的組合提供了所需的失效保護(hù)性。
盡管復(fù)合材料能提供上述的和其它的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，許多構(gòu)件如工字梁、丁字梁和X字梁的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，常常在經(jīng)濟(jì)上對(duì)復(fù)合件的制造，特別是自動(dòng)的復(fù)合件制造工藝是不合適的。YaO等人的美國(guó)專利US 4650401中描述了一種復(fù)合的具有大致X形橫剖面的十字形構(gòu)件，這種十字形構(gòu)件從結(jié)構(gòu)上起到使直升飛機(jī)的旋翼漿葉組件與中央轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)漿轂件互連的作用。應(yīng)知這時(shí)的制造困難在于企圖將纖維按合適的取向排列成能適合通過(guò)上述十字形構(gòu)件的種種荷載路徑。為此得依賴于煩雜的手工排整復(fù)合材料纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的纖維定向?；蚴遣捎萌鏗ibyan等人所用的呈簡(jiǎn)單矩形橫剖面的結(jié)構(gòu)，以在保持所需纖維取向的同時(shí)簡(jiǎn)化制造工藝。
多部件的結(jié)構(gòu)雖可通過(guò)采用將一些簡(jiǎn)單的橫剖面形狀相組合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的所需的超靜定性，但這種結(jié)構(gòu)常需占用更多的空間并使組件復(fù)雜化。Mc Cafferty的美國(guó)專利US 4264277描述了一種裝置形式用來(lái)將直升飛機(jī)的旋翼葉片組件超靜定地安裝到輪轂件上，其中將副軸或轉(zhuǎn)向拉桿設(shè)置于主臂內(nèi)部，用來(lái)在此主臂失效時(shí)反抗旋翼葉片的荷載。上述專利所公開(kāi)的安裝形式雖然提供了若干獨(dú)立的荷載路徑，但應(yīng)知道這種裝置形式需使外殼設(shè)計(jì)得很大同時(shí)涉及到復(fù)雜的組件。
于是，需要提供這樣的構(gòu)件，它具有有效的不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，便于制造，同時(shí)具有失效保護(hù)作業(yè)所需的裂紋容限。
概述本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供具有不復(fù)雜的，結(jié)構(gòu)上有效的，能阻止疲勞裂紋擴(kuò)展的橫剖面形狀的整體構(gòu)件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供這樣的整體構(gòu)件，它能由單一材料制成而能簡(jiǎn)化其制造過(guò)程。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供用于直升飛機(jī)旋翼漿轂組件的這樣的整體式構(gòu)件，其中它的關(guān)鍵部件能顯著出極長(zhǎng)壽命的性質(zhì)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供用于直升飛機(jī)旋翼漿轂組件這樣的整體式構(gòu)件，其中此整體式構(gòu)件的幾何形狀能在相鄰的旋翼漿轂組件的部件之間改進(jìn)其間隙。
上述的和其它的目的可以通過(guò)能有效地用來(lái)反抗圍繞所加荷載軸線的穩(wěn)定和振動(dòng)的彎曲荷載的構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中此構(gòu)件的特征是，它是一種具有特殊橫剖面構(gòu)造的整體式結(jié)構(gòu)。這種橫剖面構(gòu)造包括一中央連接件和與此中央連接件整體成形并從它向外突出的至少一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材。此外，這些結(jié)構(gòu)肋材是設(shè)置在彎曲荷載的穩(wěn)定部分所產(chǎn)生的張力場(chǎng)中并與此橫剖面構(gòu)造的重心鄰近。由上述結(jié)構(gòu)肋材與連接件所限定的橫剖面構(gòu)件產(chǎn)生的慣性比Ix/Iy≥1.0，這樣的慣性比有利于阻止或抑制裂紋在構(gòu)件中的擴(kuò)展。
這種橫剖面構(gòu)造適用于直升飛機(jī)的旋翼槳轂組件，能在此組件的各部件間提高裂紋容限和改進(jìn)其間隙。更具體地說(shuō)，這種橫剖面構(gòu)造具有雙T字的橫剖面形狀，用在與各旋翼組件軛的中間剖面部和旋翼槳轂止動(dòng)件的受剪切段相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中。這種雙T字的橫剖面形狀。更確切地說(shuō)是這種密集的結(jié)構(gòu)肋材在上述軛件與漿轂之間有助于在翼片方向和邊緣方向能有較高的角度偏移，從而提供了較大的設(shè)計(jì)靈活性和/或減小了旋翼漿轂組件的尺寸和重量。
附圖為了更全面地理解本發(fā)明及其所具有的特征與優(yōu)點(diǎn)，可以結(jié)合后面的附圖參考本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明，附圖中

圖1a是本發(fā)明的整體式構(gòu)件的透視圖，同時(shí)示明了施加到此整體式構(gòu)件上的有代表性的荷載；圖1b是沿圖1a中1b-1b線截取的特性橫剖圖；圖2是通過(guò)常規(guī)的C字形構(gòu)件的特征橫剖圖，用于說(shuō)明其中裂紋或裂縫的擴(kuò)展以及這種C字形構(gòu)件會(huì)加連裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展的趨向；圖3是通過(guò)整體式構(gòu)件的特性橫剖面，用于說(shuō)明其中裂紋或裂紋的擴(kuò)展以及這種整體式構(gòu)件阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展的趨向；圖4是應(yīng)用了本發(fā)明原理的疲勞試驗(yàn)樣品的特性橫剖圖；圖5a示明具有大致Y字形的底橫剖面件；圖5b示明依據(jù)本發(fā)明原理最優(yōu)化了的改進(jìn)的Y字形橫剖面件；圖5c示明依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)件，用于說(shuō)明它的各種可替換的實(shí)施形式；圖6a與6b分別示明了鉸接的螺旋漿轂組件(圖6c)以及旋翼組件軛與受剪切段相組合的弧立圖；其中此旋翼組件軛與受剪切段采用了依據(jù)本發(fā)明原理的整體式構(gòu)件；
圖6c與6d分別示明了沿圖6b中的6c-6c與6d-6d線截取的橫剖圖，其中旋翼組件軛的中間剖面與受剪切段各具有大致雙T字形的橫剖面構(gòu)造；圖7a與7b分別是旋翼組件軛與各受剪切段的示意性側(cè)視圖與頂視圖，其中的這種雙T字形橫剖面構(gòu)造，在旋翼槳漿轂組件與旋翼組件軛之間(圖7a)以及在旋翼組件軛與各受剪切段之間(圖7b)，改進(jìn)了間隙。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)來(lái)參考附圖，圖中以相同的標(biāo)號(hào)指相當(dāng)或相似的部件，圖1a與1b示明了本發(fā)明的整體式構(gòu)件10的典型實(shí)施形式。這里用到的“整體式”一詞是描述一種能由單一的荷載路徑來(lái)反抗/轉(zhuǎn)移所加荷載的結(jié)構(gòu)。整體式構(gòu)件10的橫剖面構(gòu)造特別適用來(lái)提供能阻止或抑制裂紋或裂縫擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)特性。具體地說(shuō)，此整體式構(gòu)件的橫剖面形式取這樣的構(gòu)造，使得它的主彎曲軸線能有利地相對(duì)于裂紋或裂縫定位成，促致此裂紋或疲勞裂縫向減少應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展。用來(lái)實(shí)現(xiàn)這類結(jié)構(gòu)特性的普通設(shè)計(jì)工藝將于以后段落中討論，但為了能了解下述種種原理，這里，本發(fā)明將以特別適合的，具有嚴(yán)格間距的結(jié)構(gòu)肋材的雙T字形橫剖面構(gòu)造的形式給出。
下面將利用所加的荷載、上述橫剖面構(gòu)造的慣性矩以及此有關(guān)的主軸取向來(lái)描述此整體式構(gòu)件10。為了提供一參考系，示明了一種二維的X-Y坐標(biāo)系，它的原點(diǎn)與此橫剖面構(gòu)造的重心相合。此外，就本發(fā)明的原理是針對(duì)構(gòu)件10的特性橫剖面構(gòu)造而論，在談及此整體式構(gòu)件10及其橫剖面構(gòu)造時(shí)，二者是具有可換性的。
如圖所示，整體式構(gòu)件10是在穩(wěn)定的和振動(dòng)的剪切荷載V的作用下，此剪切荷載V產(chǎn)生繞上述參考坐標(biāo)系的X軸的穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲荷載M，這里的X軸以后稱作“施加荷載軸線”。構(gòu)件10具有至少一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材14a、14b。它們的基座部分16a、16b是與一中央連接件18整體成形。雖然圖示的連接件18是與橫向突出的邊部件18a、18b相結(jié)合，但連接件18是限定為在肋材14a、14b之間并將它們互連的部分。也即是設(shè)置成與基座部分16a、16b相結(jié)合的部分。結(jié)構(gòu)肋件14a、14b從連接件18向外突出，例如與施加荷載軸線X垂直，并設(shè)置于由穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲短荷載M所產(chǎn)生的張力場(chǎng)T中(參看圖1b)。這就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)肋材14a、14b是設(shè)于施加荷載軸線X這一側(cè)，而由于彎曲矩荷載M的穩(wěn)定部分，使結(jié)構(gòu)肋材置于張力的作用下。這樣的相對(duì)布置是有意義的，因?yàn)槠诹鸭y常起源于峰值張應(yīng)力區(qū)，同時(shí)在張應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展，這與張應(yīng)力區(qū)中的情形相似。
結(jié)構(gòu)肋材14a、14b基本上相平行，相對(duì)于橫剖面10的重心CT等距離并接近。這里所謂的“鄰近橫剖面的重心CT”是相對(duì)于從Y軸到結(jié)構(gòu)肋材14a或14b內(nèi)表面的垂直距離DN而言。這一距離最好小到制造準(zhǔn)則和/或制造技術(shù)所允許的程度。例如，Sikorsky飛機(jī)公司所采用的制造準(zhǔn)則規(guī)定機(jī)加工出的狹縫寬度至少是其總深度的1/4。這一標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)所用切割輪的撓曲性及其可在所需制造公差內(nèi)重復(fù)機(jī)加工上述狹縫的能力而采納的。因此，在所舉的例子中，對(duì)于長(zhǎng)度L約2.0英寸(5.1cm)的結(jié)構(gòu)肋材14a或14b，它們之間所需的最小間距至少為0.5英寸(1.27cm)，從而此長(zhǎng)度L約1/8的垂直距離DN即約為0.25英寸(0.64cm)。
本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)肋材14a、14b的間距與位置的細(xì)微變化，從而是此橫剖面慣性矩Ix、Iy的變化，能夠用來(lái)顯著地改進(jìn)阻止或抑制裂紋在構(gòu)件10中擴(kuò)展的能力。更具體地說(shuō)，業(yè)已測(cè)定出，當(dāng)裂紋在結(jié)構(gòu)肋材14a、14b中之一擴(kuò)展時(shí)，當(dāng)慣性矩(以后稱作慣性比)Ix/Iy保持為≥1.0時(shí)，可抑制此裂紋的擴(kuò)展。這就是說(shuō)，當(dāng)裂紋在結(jié)構(gòu)肋材14a、14b中之一擴(kuò)展時(shí)，另一結(jié)構(gòu)肋材就必須產(chǎn)生這樣的慣性比，即使是裂紋本身有可能改變這一比值。就本發(fā)明的最廣意義而言，計(jì)算出的Ix與Iy值只根據(jù)結(jié)構(gòu)肋材14a、14b的貢獻(xiàn)再結(jié)合以中央連接件18的貢獻(xiàn)(后面稱此為“部分慣性比”)。為使所述構(gòu)件的裂紋容限性質(zhì)全面是最佳化，此慣性比最好在整個(gè)橫剖面上，即包括附設(shè)結(jié)構(gòu)例如橫向突出的邊部件18a、18b在內(nèi)時(shí)能力≥1.0(后面稱此為“完全慣性比”)。上述部分與整體慣性比Ix/Iy的重要性將于以后各節(jié)中論述。
此部分/整體慣性比Ix/Iy可以視作為前述橫剖面構(gòu)造的一種幾何描述，它直接涉及到橫剖面10的空間位置和/或彎曲軸線的取向。此主彎曲軸線Xp、Yp乃是此橫剖面構(gòu)造繞其的慣性積Pxy為零的軸線。此外，慣性積Pxy與主軸線Xp、Yp的角度取向Q是由下式(1.0)與(2.0)確定
Pxy=∫xydA (1.0)式中的x與y是面積A的各個(gè)微分元相對(duì)于二維X-Y坐標(biāo)系的坐標(biāo)，而dA是面積微分；θ=1/2tan-1[2Pxy/(1x-1y)](2.0)式(2.0)確定出對(duì)應(yīng)于主慣性矩IMAX、IMIN的兩個(gè)角度，相對(duì)于圍繞主軸Xp、Yp而言，其中所確定出的一個(gè)角度使得慣性矩IMAX最大，而另一個(gè)使得慣性矩IMAX最小。
為了更好地評(píng)價(jià)肋材間距/位置、立軸空間位置與裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系，可以參看圖2與圖3，其中對(duì)常規(guī)的C字形橫剖面構(gòu)造20與本發(fā)明的橫剖面構(gòu)造10作了比較。圖2中，示明有裂紋或裂縫22起源于C字形剖面的肋材24中之一的點(diǎn)A處，在多個(gè)循環(huán)荷載即圍繞施加荷載軸線X的振動(dòng)彎曲荷載M的影響下，擴(kuò)展到點(diǎn)B與點(diǎn)C。裂紋22可以視作為C字形剖面的一條直線分割線，其中在點(diǎn)C處，剩余的結(jié)構(gòu)20R大致呈L形。初始時(shí)，主軸線Xp、Yp由于此橫剖面的對(duì)稱性而為水平的與垂直的。隨著裂紋擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)d0的主軸Xp、Yp轉(zhuǎn)過(guò)一角度θ，并隨著重心Cc由于損失了結(jié)構(gòu)肋材24因此損失了此橫剖面的對(duì)稱性而移動(dòng)而在空間上重新定位。盡管施加荷載軸線X保持成固定地轉(zhuǎn)動(dòng)，但對(duì)稱性的喪失由于結(jié)構(gòu)固有地需要產(chǎn)生應(yīng)力平衡而感生出圍繞主軸Xp、Yp的矩Mxp、Myp。
主軸Xp、Yp的轉(zhuǎn)動(dòng)與空間重新定位由于在各個(gè)點(diǎn)A、B或C的應(yīng)力強(qiáng)度仍然很高而加速了裂紋22的擴(kuò)展。這里用到的應(yīng)力強(qiáng)度，它確定了裂紋在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)展趨向并且是MxpCy/Ix+MxpCx/Iy的函數(shù)，其中Cx、Cy是從主軸Xp、Yp起至裂紋22的距離，而Ix與Iy分別是此結(jié)構(gòu)(或剩余結(jié)構(gòu))繞主軸Xp與Yp的慣性矩。應(yīng)該看到，通過(guò)考察主軸位置的變化，由于點(diǎn)A、B與C同主軸Xp、Yp分開(kāi)得很遠(yuǎn)，在此各個(gè)裂紋擴(kuò)展點(diǎn)A、B或C處的應(yīng)力強(qiáng)度保持得很高。
圖3中，對(duì)于本發(fā)明的示范性的雙T字形橫剖面構(gòu)造10示出了與以前所述類似的裂紋擴(kuò)展情形。結(jié)構(gòu)肋材14a、14b相對(duì)于重心CT等距但鄰近地設(shè)置，當(dāng)結(jié)合連接件18考察時(shí)，產(chǎn)生出≥1.0的部分慣性比Ix/Iy。如圖所示，有裂紋或裂縫30在一個(gè)結(jié)構(gòu)肋材14a中的擴(kuò)展即從點(diǎn)A至點(diǎn)C的擴(kuò)展，其中點(diǎn)C則對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)肋材14a的基座部16a。由結(jié)構(gòu)肋材14a、14b與連接件18所確定的部分慣性比導(dǎo)致主軸Xp、Yp在裂紋30擴(kuò)展時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)一小角度θ。此θ最好小于約35°而尤為最好是小于約25°。應(yīng)知從裂紋30到主軸Xp、Yp的距離Cx、Cy隨著裂紋在結(jié)構(gòu)肋材14a中的擴(kuò)展而減小。因此，或許能認(rèn)為，當(dāng)裂紋擴(kuò)展入應(yīng)力強(qiáng)度減小區(qū)域中時(shí)，裂紋的生長(zhǎng)率將減小或受到抑制。
為了證實(shí)這種整體式構(gòu)件10中裂紋抑制性質(zhì)，將幾個(gè)在一結(jié)構(gòu)肋材中具有初始形成裂紋的試樣疲勞地荷載于四個(gè)點(diǎn)上彎曲。參看圖4中所示明的這樣一個(gè)試樣，其中將它的結(jié)構(gòu)肋材14a、14b鄰近此橫剖面重心設(shè)置，而這時(shí)通過(guò)肋材14a、14b與中央連接件18相結(jié)合而產(chǎn)生的部分慣性比Ix/Iy則約為1.6。此試樣是由均質(zhì)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成，長(zhǎng)12英寸、高2.486英寸而寬2.5英寸。另外，結(jié)構(gòu)肋材14a、14b則各長(zhǎng)約1.35英寸(3.54cm)，厚約0.44英寸(1.12cm)且分開(kāi)的距離約0.5英寸(1.27cm)。此試樣暴露于最大剪切力V為740lbs下，產(chǎn)生的最大矩M為2960lbs-in。在荷載下，經(jīng)59973次循環(huán)后，在點(diǎn)A′處的初始角隅裂紋或裂縫30′擴(kuò)展到點(diǎn)B′。此裂紋30′在另加的31上循環(huán)后快速地?cái)U(kuò)展到點(diǎn)C′，然后顯著地減慢擴(kuò)展速度。更確切地說(shuō)，此裂紋在105882次循環(huán)后擴(kuò)展到點(diǎn)D′，而在308664次循環(huán)后阻止于點(diǎn)E′。對(duì)另外四個(gè)試樣進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，都顯示出類似的裂紋擴(kuò)展性質(zhì)。試樣測(cè)試的這些結(jié)果表明，所述的橫剖面構(gòu)造。10對(duì)于源于一個(gè)結(jié)構(gòu)肋材的裂紋的生長(zhǎng)提供了有效的抑止結(jié)構(gòu)。雖然抑制裂紋擴(kuò)展的條件將隨施加到此構(gòu)件上的實(shí)際荷載而變化，但上述疲勞試驗(yàn)結(jié)果清楚地表明了它具有有利的阻止疲勞裂紋生長(zhǎng)的性質(zhì)。
已描述了許多設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)則，下面將把用來(lái)生產(chǎn)能經(jīng)受裂紋的結(jié)構(gòu)的這些準(zhǔn)則和其它準(zhǔn)則總結(jié)于下。這里著重指出，各個(gè)準(zhǔn)則是獨(dú)立討論的，但應(yīng)知，為了最優(yōu)化，這些準(zhǔn)則是互相關(guān)聯(lián)的且必須反復(fù)考察。首先，結(jié)構(gòu)肋材14a、14b應(yīng)設(shè)置在由繞施加荷載軸線X的彎曲矩M所產(chǎn)生的張力場(chǎng)T中。如前所述，由于裂紋的擴(kuò)展與張力荷載有關(guān)是最為普通的情形，因而上述布置是有意義的。最好是使結(jié)構(gòu)肋材14a、14b能反抗整個(gè)所加的張力荷載。為此，最好是使所述橫剖面的重心CT落到中央連接件18所限定的范圍之外，使得這種張力荷載主要是由結(jié)構(gòu)肋材14a、14b所反抗。這可以通過(guò)延長(zhǎng)肋材14a、14b即加大Ix、Iy來(lái)實(shí)現(xiàn)，也即使得重心CT位移到結(jié)構(gòu)肋材14a、14b之間且位于中央連接件18之外。重心CT的這種布置抑制了裂紋伸入中央連接件18限定的區(qū)域，從而制止了構(gòu)件10最后的破壞。其次，結(jié)構(gòu)肋材14a、14b最好沿此橫剖面的整個(gè)肋材增強(qiáng)部Rs分開(kāi)(參看圖1b)。這里所謂的“肋材增強(qiáng)部”是指構(gòu)件10的這樣一個(gè)部分，它能顯著地提高此構(gòu)件的圍繞施加荷載軸線X的彎曲強(qiáng)度，即最好能提高至少約20％這樣的彎曲強(qiáng)度。于是，于肋材14a或14b中擴(kuò)展的裂紋將擴(kuò)展到其各個(gè)基座部16a或16b而不影響另一肋材14a或14b對(duì)彎曲強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。第三，此肋材14a、14b要盡可能鄰近橫剖面的重心CT，使得對(duì)Y軸慣性矩Iy所起的作用小到與對(duì)X軸慣性矩Ix的作用相當(dāng)。此肋件與連接件相結(jié)合的部分慣性比Ix/Iy應(yīng)保持成≥1.0，以使主彎曲軸的移動(dòng)和/或空間位置的變化最小。最好是使此橫剖面構(gòu)造的完全慣性比Ix/Iy＞1.0。
上面說(shuō)明了為生產(chǎn)能經(jīng)受住裂紋的構(gòu)件應(yīng)遵循的準(zhǔn)則或規(guī)則，以下說(shuō)明用來(lái)設(shè)計(jì)構(gòu)件的步驟，這種設(shè)計(jì)(ⅰ)要滿足所需結(jié)構(gòu)要求，(ⅱ)要生產(chǎn)出能經(jīng)受裂紋的結(jié)構(gòu)。這樣構(gòu)件的設(shè)計(jì)通常取決于對(duì)強(qiáng)度與重量的要求、外殼的約束條件以及為此把構(gòu)件裝附到相配部件上的界面要求。例如圖5a示明了一種常規(guī)的Y字形構(gòu)件40，在它的設(shè)計(jì)中已考慮到強(qiáng)度、圍繞施加荷載軸線X所要求的剛度以及與相鄰部件42的匹配接合。增強(qiáng)件44以及中央腹板46的一部分配置在施加荷載軸線X的張力場(chǎng)中，但如圖所示，此Y字形結(jié)構(gòu)40設(shè)計(jì)時(shí)未考慮裂紋容限。源于增強(qiáng)件44的裂紋48將擴(kuò)展入中央腹板46內(nèi)，進(jìn)而促使重心Cy與主軸Px沿豎向位移。結(jié)果有較大部分的中央腹板46暴露于張力荷載之下，導(dǎo)致裂紋48會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展而有可能斷開(kāi)Y字形剖面。
圖5b中，增強(qiáng)件已據(jù)上述準(zhǔn)則重新構(gòu)件來(lái)提供改進(jìn)了的裂紋容限。更具體地說(shuō)，這一增強(qiáng)件經(jīng)重新構(gòu)件而形成至少兩個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)肋材14a、14b，它們與中央連接件18相結(jié)合后使得部分慣性比Ix/Iy≥1.0。對(duì)于此重新構(gòu)件的橫剖面10，前述完全慣性比可以小于1.0，但當(dāng)重新構(gòu)件此基礎(chǔ)橫剖面結(jié)構(gòu)40時(shí)，則必須確保此完全慣性比Ix/Iy保持至少為常規(guī)且最好是加大的。為此可以沿Y軸方向延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)肋件14a、14b增加Ix，以補(bǔ)償由于結(jié)構(gòu)肋件14a、14b沿Y軸方向分開(kāi)所增加的對(duì)Iy的影響(盡管此影響很小)。通過(guò)保持或提高此完全慣性比Ix/Iy，即使是此完全慣性比Ix/Iy可能低于或高于最優(yōu)比1.0也可改進(jìn)裂紋容限。
總之，設(shè)計(jì)這種能經(jīng)受裂紋的結(jié)構(gòu)涉及到要確定一基礎(chǔ)橫剖面結(jié)構(gòu)40，后者可滿足預(yù)定的結(jié)構(gòu)與功能要求，例如所允許的應(yīng)力、連接要求等，同時(shí)重新構(gòu)件基礎(chǔ)橫剖面構(gòu)造40以形成一種改進(jìn)的橫剖面結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有至少一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材可以(Ⅰ)產(chǎn)生至少為1.0的部分慣性比Ix/Iy，(ⅱ)相對(duì)于基礎(chǔ)橫剖面構(gòu)型所確定的完全慣性比Ix/Iy來(lái)保持或提高對(duì)應(yīng)于整個(gè)橫剖面的完全慣性比，或者最好是(ⅲ)產(chǎn)生1.0或更高的完全慣性比。
正如本說(shuō)明書中背景一節(jié)所述，為使構(gòu)件能經(jīng)受住裂紋的現(xiàn)有方法涉及到對(duì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，即使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或多部件結(jié)構(gòu)。這樣做的缺點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)的低效率、重量增加、生產(chǎn)工藝的成本高以及組裝復(fù)雜。本發(fā)明的原理給出一種整體式構(gòu)件10，它能經(jīng)受住裂紋而不因結(jié)構(gòu)增強(qiáng)重量。此外，整體式構(gòu)件10可用單一材料即金屬或塑料和傳統(tǒng)的方法如機(jī)加工、銑或鑄制成。應(yīng)知這種制造方法涉及單一工序的成形作業(yè)，例如機(jī)加工，它可以自動(dòng)化，因而要比復(fù)合結(jié)構(gòu)通常所要求的多階段、手工或的成形作業(yè)廉價(jià)。最后，構(gòu)件10產(chǎn)生出的單元或結(jié)構(gòu)不要求輔助的或超靜定的結(jié)構(gòu)元件來(lái)發(fā)揮超靜定的荷載本領(lǐng)。這就是說(shuō)，構(gòu)件10提供了必要的裂紋容限而不會(huì)有與多部件結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的增加重量和復(fù)雜化的問(wèn)題。
上面雖然是用一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材圖示和描述了構(gòu)件10，但應(yīng)知是可以采用更多的肋材的。圖5c所示的10具有三個(gè)結(jié)構(gòu)肋件14a、14b與14c，它們都設(shè)此構(gòu)件10的重心CT的鄰近。此外，兩個(gè)肋件14a與14b是與重心CT等距，但中央的肋材14c則是與Y軸重合，因而這三個(gè)肋件并不如先前實(shí)施形式所述是等距分開(kāi)的。再者，前面所述實(shí)施形式示明的結(jié)構(gòu)肋件14a、14b是基本上平行的，即具有平行的側(cè)面，但應(yīng)知表面14as、14bs可以相互相對(duì)傾斜或改向的。
對(duì)直升飛機(jī)旋翼漿轂組件的應(yīng)用以上所述的整體式構(gòu)件可以用于任何需要有裂紋容限的情形。下面描述的這類應(yīng)用之一涉及到鉸接的旋翼漿轂組件，其中它的某些結(jié)構(gòu)部件或部分采用了依據(jù)下述原理的整體式構(gòu)件，即橫剖面構(gòu)件。這些得益于此橫剖面構(gòu)造的結(jié)構(gòu)部件或部分是暴露于穩(wěn)定和振動(dòng)的高彎曲矩荷載下。在描述這類結(jié)構(gòu)部件或其某些部分的橫剖面構(gòu)型時(shí)，為簡(jiǎn)化討論，采用了與先前描述本發(fā)明更一般橫剖面構(gòu)造時(shí)相一致的參考標(biāo)號(hào)。
圖6a中所示的旋翼漿轂組件50包括能有效地用來(lái)驅(qū)動(dòng)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線56的許多旋翼葉片組件54的漿轂保持件52，后者具有一批徑向輻條60和在結(jié)構(gòu)上分別用成對(duì)的徑向輻條即上、下徑向輻條60a、60b互連的受剪切部段62。各個(gè)受剪切部段62與其相關(guān)的徑向輻條60相結(jié)合，形成了一個(gè)用來(lái)接受旋翼組件64的結(jié)構(gòu)環(huán)。此旋翼組件軛64大致呈C字形，以環(huán)狀形式包圍各受剪切部段62。更具體地說(shuō)，參看圖6a與6b，此旋翼組件軛64包括通過(guò)各結(jié)構(gòu)環(huán)的中間剖面64M，以及從此中間剖面64m朝外突出并到達(dá)受剪切部段62某一側(cè)的一對(duì)徑向臂64a、64b。此徑向臂64a、64b配置成借助一中間套箍組件66與旋翼葉片組件54的根端結(jié)合(圖6a)。
在軛64的中間剖面64的和各受剪切部段62之間插裝一軸對(duì)稱的彈性支承組件70(圖6b中未示明)，它適應(yīng)于各旋翼葉片組件64作許多向位移。此外，軸對(duì)稱的彈性支承組件70反抗旋翼葉片組件54的荷載，形成合成的穩(wěn)定和振動(dòng)荷載向量V，在軛64的中間剖面64m和各受剪切部段62上產(chǎn)生穩(wěn)定和振動(dòng)的彎曲矩荷載M。這種彈性支承組件70在共同所有、審查中的專利申請(qǐng)摘要No.S-4901，題名為“直升飛機(jī)旋翼用軸對(duì)稱彈性支承組件”中作了較完整的描述。
在圖6c和6d中，旋翼組件64的中間剖面64m與各受剪切部段62的橫剖面構(gòu)造10的構(gòu)型，形成了雙T字形的橫剖面形狀。此雙T字形橫剖面形的特征是有結(jié)構(gòu)肋材14a、14b從中央連接件18向外突出，而此連接件18包括橫向突出的邊部件18a、18b。根據(jù)前述的原理，結(jié)構(gòu)肋材14a、14b配置于穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲矩荷載M產(chǎn)生的張力場(chǎng)中。此外，肋材14a、14b是與此雙T字形橫剖面10的重心CT等距并鄰近。再有，此雙T橫剖面10還具有這樣的特征具有的部分慣性比≥1.0，而在所述的實(shí)施形式中約為8.0。
如上所述，這種雙T字形橫剖面的特殊構(gòu)造通過(guò)抑制疲勞裂紋擴(kuò)展而改進(jìn)了裂紋容限，由于旋翼組件軛64和受剪切部段62是在振動(dòng)彎曲的高荷載作用下而易受疲勞裂紋擴(kuò)展的影響，這樣的橫剖面構(gòu)造便特別適合于此種。用途此外，疲勞試驗(yàn)表明，在采用雙T字形橫剖面10時(shí)，軛64與漿轂保持件52可以有很長(zhǎng)的壽命。
此旋翼組件軛64與受剪切部段62最好由金屬材料例如鋁或鈦制成，其中所需的雙T字形橫剖面構(gòu)造10可以通過(guò)常規(guī)的機(jī)加工、銑或鑄造技術(shù)形成。這種結(jié)構(gòu)與制造方法相比于先有技術(shù)的復(fù)合形成的軛和/或漿轂保持件成本是較低的。
除了上述的能經(jīng)受裂紋和制造上的優(yōu)點(diǎn)外，這種橫剖面構(gòu)造10改進(jìn)了旋翼組件軛64與漿轂保持件之間的和/或受剪切部段62與旋翼組件軛的徑向臂64a、64b之間的間隙。這種加大了的間隙使得在設(shè)計(jì)上有很大的靈活性和/或可以使此旋翼漿轂組件具有很小的尺寸，因而可以較輕和在空氣動(dòng)力學(xué)上更為有效。這種特點(diǎn)示意地表明于圖7a與7b中，其中的軛64示明是處于高度移動(dòng)的條件下，而得以與相鄰的旋翼漿轂組件的部件極其接近。在圖7a中示明了軛64與受剪切部段62的側(cè)視圖，其中應(yīng)知此雙T字形橫剖面構(gòu)造10，更特別是結(jié)構(gòu)肋材的緊密排列，使得與虛線所示的傳統(tǒng)的矩形橫剖面構(gòu)造相比，有助于旋翼組件軛有更高的角度偏移(襟翼方向)。區(qū)域I表明了通常將限制旋翼組件軛64作角位移的干擾區(qū)，而它現(xiàn)在已由本發(fā)明的雙T字形橫剖面構(gòu)造10予以避免。類似地，圖7b中示明了通過(guò)受剪切部段的頂視圖，其中的雙T字形橫剖面構(gòu)造同以虛線所示的傳統(tǒng)的C字形橫剖面構(gòu)造80相比，允許有沿邊緣方向更大的角位移。
盡管本發(fā)明業(yè)已相對(duì)其典型的實(shí)施形式作了圖示與說(shuō)明，但應(yīng)知內(nèi)行的人在不脫離本發(fā)明的精神與范圍的前提下是可以從多方面作出其它的增刪與變改的。
權(quán)利要求
1．構(gòu)件(10)，此構(gòu)件具有改進(jìn)了的經(jīng)受裂紋的性質(zhì)，并能有效地反抗圍繞施加荷載軸線X的穩(wěn)定與振動(dòng)彎曲矩荷載M，其特征在于其包括整體式結(jié)構(gòu)，它具有限定出剖面重心CT的特性橫剖面構(gòu)造(10)，而此構(gòu)造(10)還包括中央連接件(18)，以及至少一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材(14a、14b)，它們與所述中央連接件(18)整體成形并由此向外突出，且配置于上述彎曲矩荷載M的穩(wěn)定部分所產(chǎn)生的張力場(chǎng)中并與前述剖面重心CT鄰近；所述中央連接件(18)與結(jié)構(gòu)肋材(14a、14b)產(chǎn)生出一部分慣性比Ix/Iy而此部分慣性比Ix/Iy則大于或等于(≥)1.0。
2．如權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述中央連接件(18)包括沿橫向突出的邊部件(18a,18b)且此連接件(18)與結(jié)構(gòu)肋材(14a、14b)形成雙T字形橫剖面構(gòu)造。
3．如權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)與所述剖面重心CT等距。
4．如權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)是平行的。
5．如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述雙T字形橫剖面構(gòu)造確定一完全慣性比Ix/Iy而此完全慣性的Ix/Iy≥1.0。
6．如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述橫剖面構(gòu)件(10)確定出一肋材增強(qiáng)部Rs，且所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)沿整個(gè)此肋材增強(qiáng)部Rs分開(kāi)。
7．如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)確定出長(zhǎng)度L且各結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)限定出至所述重心CT的垂直距離DN，而此垂直距離DN則約為1/8L。
8．如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述整體式結(jié)構(gòu)是由單一材料形成。
9．旋翼組件軛(64)，它用來(lái)與鉸接的旋翼漿組件(50)的漿轂保持件(52)結(jié)合且包括中間剖面(64m)和一對(duì)由此突出的徑向延伸臂(64a,64b)，此中間剖面(64m)能有效地反抗繞施加荷載軸線X的穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲矩荷載M且構(gòu)造成，能改進(jìn)裂紋容限并能改進(jìn)旋翼組件軛(64)與漿轂保持件(52)的徑向輻條(60a,60b)間的間隙，而所述旋翼組件軛(64)的前述中間剖面(64m)的特征在于它包括一整體式結(jié)構(gòu)，其具有一確定剖面重心CT的雙T形橫剖面構(gòu)型(10)，并包括-中央連接件(18)；從此中央連接件(18)沿橫向突出的邊部件(18a,18b)；與此中央連接件(18)整體成形且由此向外突出的至少一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)，此結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)配置于所述彎曲矩荷載M的穩(wěn)定部分產(chǎn)生的張力場(chǎng)中并與前述橫剖面重心CT鄰近；上述中央連接件(18)與結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)產(chǎn)生一部分慣性比Ix/Iy，而此部分慣性比Ix/Iy≥1.0。
10．如權(quán)利要求9所述的旋翼組件軛(64)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)與所述剖面重心CT等距。
11．如權(quán)利要求9所述的旋翼組件軛(64)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)是平行的。
12．如權(quán)利要求9所述的旋翼組件軛(64)，其特征在于，所述橫剖面構(gòu)件(10)確定出肋材增強(qiáng)部Rs，且所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)沿整個(gè)此肋材增強(qiáng)部Rs分開(kāi)。
13．如權(quán)利要求9所述的旋翼組件軛(64)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)確定出長(zhǎng)度L且各結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)限定出至所述重心CT的垂直距離DN，而此垂直距離DN則約為1/8L。
14．如權(quán)利要求9所述的旋翼組件軛(64)，其特征在于，所述整體式結(jié)構(gòu)是由單一材料形成。
15．如權(quán)利要求9所述的旋翼組件軛(64)，其特征在于，所述部分慣性比約為8.0。
16．漿轂保持件(52)，它用來(lái)與旋翼漿轂組件(50)的旋翼組件軛(64)結(jié)合，且包括能有效地反抗繞施加荷載軸線X的穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲矩荷載M的受剪切部段(62)，此受剪切部段(62)構(gòu)造成能改進(jìn)裂紋容限和改進(jìn)此漿轂保持件(52)與旋翼組件軛(64)之間的間隙，其特征在于，它包括具有雙T字形橫剖面構(gòu)造(10)的整體式結(jié)構(gòu)(10)，此雙T字形橫剖面構(gòu)造(10)限定出橫剖面重心CT，還包括具有橫向突出的邊部件(18a,18b)的中央連接件(18)，以及與此中央連接件(18)整體成形并由此向外突出的至少一對(duì)結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)，此結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)配置在前述彎曲矩荷載M的穩(wěn)定部分產(chǎn)生的張力場(chǎng)中并與前述橫剖面重心CT鄰近；上述中央連接件(18)與結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)產(chǎn)生一部分慣性比Ix/Iy，而此部分慣性比Ix/Iy≥1.0。
17．如權(quán)利要求16所述的漿轂保持件(52)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)與所述橫剖面重心CT等距。
18．如權(quán)利要求16所述的漿轂保持件(52)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)是平行的。
19．如權(quán)利要求16所述的漿轂保持件(52)，其特征在于，所述橫剖面構(gòu)造(10)確定出肋材增強(qiáng)部Rs，且所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)沿整個(gè)此肋材增強(qiáng)部Rs分開(kāi)。
20．如權(quán)利要求16所述的漿轂保持件(52)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)確定出長(zhǎng)度L且各結(jié)構(gòu)肋材限定出至所述重心CT的垂直距離DN，而此垂直距離DN則約為1/8L。
21．如權(quán)利要求16所述的漿轂保持件(52)，其特征在于，所述整體式結(jié)構(gòu)是由單一材料形成。
22．如權(quán)利要求21所述的漿轂保持件(52)，其特征在于，所述部分慣性比約為8.0。
23．形成能經(jīng)受裂紋的構(gòu)件(10)的方法，此構(gòu)件能有效地用來(lái)反抗圍繞施加荷載軸線X的穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲矩荷載，其特征在于，包括下述步驟確定出具有能滿足預(yù)定結(jié)構(gòu)與功能要求的基礎(chǔ)橫剖面構(gòu)造(40)的整體式構(gòu)件，此整體式構(gòu)件限定出一完全慣性比Ix/Iy，同時(shí)重新構(gòu)制此基礎(chǔ)橫剖面構(gòu)造(40)來(lái)形成改進(jìn)的橫剖面構(gòu)造(10)，后者具有至少一對(duì)從前述基礎(chǔ)橫剖面構(gòu)造(40)的中心連接件(18)向外突出的結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)，所述結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)則配置在所述彎曲矩荷載M的穩(wěn)定部分產(chǎn)生的張力場(chǎng)中，此結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b)還與前述橫剖面重心CT鄰近；上述改進(jìn)的橫剖面構(gòu)造(10)確定出一完全慣性比Ix/Iy，而此完全慣性比Ix/Iy則等于或大于前述基礎(chǔ)橫剖面構(gòu)造(40)的所述完全慣性比Ix/Iy。
全文摘要
能有效地反抗繞施加荷載軸線X的穩(wěn)定和振動(dòng)彎曲矩荷載M且具有能改進(jìn)裂紋容限的特殊橫剖面構(gòu)造的整體式構(gòu)件(10)。此橫剖面構(gòu)造(10)包括中央連接件(18)和至少一對(duì)與此連接件(18)整體成形且由其外突的結(jié)構(gòu)肋材(14a,14b),后者設(shè)在彎曲矩荷載M的穩(wěn)定部分產(chǎn)生的張力場(chǎng)中并與橫剖面構(gòu)造(10)的重心CT鄰近。由前述肋材與連接件確定的此橫剖面構(gòu)件(10)產(chǎn)生一部分慣性比Ix/Iy≥1.0,它能有效地抑制裂紋在構(gòu)件(10)中擴(kuò)展。此橫剖面構(gòu)造(10)在用于直升飛機(jī)旋翼槳轂組件(50)時(shí)能改進(jìn)裂紋容限和此槳轂組件中部件間的間隙。特別是,橫剖面構(gòu)造(10)具有雙T字形的橫剖面,可用于與各旋翼組件軛(64)的中間剖面(64m)和槳轂保持件(52)受剪切部段(62)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。此雙T字形橫剖面構(gòu)造(10)有助于在軛(64)與保持件(52)之間獲得較高的襟翼方向與邊緣方向的角度偏移,從而能使設(shè)計(jì)有較大的靈活性和/或減少旋翼槳轂組件(50)的尺寸與重量。
文檔編號(hào)B64C27/32GK1220639SQ97195094
公開(kāi)日1999年6月23日 申請(qǐng)日期1997年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月31日
發(fā)明者D·H·亨特, D·E·特里特施 申請(qǐng)人:西科爾斯基飛機(jī)公司