专利名称：用于直升机尾桨的最佳复合柔性梁的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于直升机的无轴承旋翼。具体地说，是涉及一种用于直升机尾桨部件的最佳复合柔性梁。
直升机的旋翼设计愈来愈多地使用了通常称为“柔性梁”或“柔性梁连接件”的可挠曲的结构件，用来把直升机的旋翼桨叶固定在扭矩驱动桨毂件上。旋翼飞行器飞行的基本操作约束会将相当大的功能复杂性放在由于需要精确地控制旋翼桨叶的多方向的位移，即襟翼和边缘弯曲，以及扭转或俯仰变化运动所需要的旋翼柔性梁上。因此，这种结构被称为“无轴承旋翼”，因为它们取代了旧式的通过旋翼桨叶根部处的铰链或滑动轴承来适应运动的轴承件旋翼。通常由纤维加强的树脂基体材料构成的柔性梁减少了旋翼组件的重量、复杂性和日常维护，同时还改进了它的可靠性和损伤容限。
在直升机应用的范围内，柔性梁被放置并且固定结合在中央扭矩驱动桨毂件与尾桨桨叶组件之间。柔性梁通常由一个扭矩管组件所包围，该扭矩管组件安装结合在柔性梁的外侧端并且可用来把俯仰运动传递给柔性梁/尾桨桨叶组件。该俯仰运动是通过一个星形俯仰梁施加到扭矩管上的，该俯仰梁以这样的方式配置结合在扭矩管的内侧端，使得俯仰梁的直线位移能产生扭矩管的转动位移。
柔性梁的设计通常涉及根据所选择的复合基体材料、该材料纤维的取向、设计范围以及制造的约束条件对多个相互有关的设计准则进行反复的研究。这些相互相关的设计准则除了别的以外包括对柔性梁的下列要求1.适应载荷和运动的预定范围，例如30000-35000磅的离心力，4000磅推力，俯仰运动±14度，襟翼运动±5度等；2.保持稳定的和振动的应力/应变，即轴向、弯曲、翘曲和扭转应力都在所选定材料的最大的静止和疲劳的应力/应变许可值以下；3.将输入的操纵载荷，即作用在俯仰操纵杆上或通过俯仰操纵杆的载荷保持在允许水平内；4.产生所要求的刚度特性以避免谐振不稳定性；5.采用最小的设计范围；以及6.便于进行低成本制造。不言而喻，上述设计准则中的许多是互相矛盾的即不谐调的，因此，必须进行反复的比较研究以使柔性梁最优化。
为了适应各种载荷和运动，柔性梁通常被分隔成各种区，其中每个区用来完成一项主要功能。一般地说，柔性梁将由至少5个这样的区组成，包括一个桨毂连接区，一个内侧过渡区，一个俯仰区，一个外侧过渡区以及一个桨叶连接区。如下面将要说明的那样，柔性梁的某些区，即内侧过渡区和俯仰区，与其他区相比，受载荷更大并且操纵更费力，因此柔性梁的设计也更关键。
桨毂连接区通常的特征在于它具有加厚的矩形截面，该截面设置并且固定在中央桨毂固定件的上和下U形板之间。在功能上，桨毂连接区主要设计来反抗/传递作用在柔性梁上的离心载荷和弯曲力矩载荷，例如襟翼和边缘弯曲载荷。由于桨毂连接区牢固地固定在桨毂固定件上，弯曲运动就不是一个设计要求。
内侧过渡区，也称做襟翼弯曲区，主要设计来反抗襟翼和边缘的弯曲力矩载荷和实现在桨毂连接区与俯仰区之间的宽度和厚度的过渡。关于后者，通常希望这种宽度和厚度过渡在一个比较短的翼展长度上实现，以便使柔性梁的总长度减至最小并且使俯仰区的有效长度最大。此外，在尾桨应用场合，通常希望使有效的铰偏移量尽可能小，该铰偏移量即从尾桨部件的转动轴线到由该柔性梁的弯曲/刚度特性所限定的“有效”襟翼铰链的距离。该铰偏移量的减小可使作用在桨毂连接区/桨毂固定件上的桨毂力矩减小。这通常可以通过使内侧过渡区的宽度和厚度减至最小，以便软化柔性梁并由此将铰偏移量移到最内侧位置的方法来实现。对这些目标的限制涉及沿着柔性梁的自由边缘上的较大的应力集中，例如，层间剪应力，该应力集中能导致柔性梁的分层或裂开。
俯仰区主要设计来适应旋翼桨叶组件的必需的俯仰运动，使实现俯仰操纵所需要的操纵载荷减至最小，提供必需的边缘弯曲稳定性以及限定柔性梁/旋翼桨叶系统的弦向频率。一般来说，对于尾桨应用场合，俯仰区必须能适应通过扭矩管组件所施加的约14度至18度的俯仰运动。相伴随地，俯仰区受扭转时必须是柔软的以便使操纵载荷减至最小。可以理解到，产生扭转柔性梁所需要的力的需用功率是柔性梁俯仰区的扭转刚度的函数。此外，俯仰区必须具有必需的边缘刚度，以便承受住由气动阻力和/或科里奥利力所造成的平面内的稳定的和振动的弯曲力矩。
除载荷和运动要求外，俯仰区支配着柔性梁的第一弦向频率特性。也就是说，柔性梁的俯仰区必须具有能产生所要求的弦向频率响应的特有的边缘刚度。例如，在尾桨应用中，最好使实现约1.7周/转的第一弦向频率以便(i)消除了对超前摆振铰减摆器的要求和(ii)避免在旋翼桨叶/柔性梁组件的谐振频率下载荷增大。关于前者，一般最好是将柔性梁俯仰区加强以便实现约1.0周/转的频率响应，从而减小边缘桨叶运动，并且因此消除了对超前摆振铰减摆设备的要求。关于后者，一般需要实现介于对应于1.0，2.0，或3.0周/转等的谐振频率之间的第一弦向频率，以便避免因增大载荷导致的共振不稳定性。虽然介于2.0和3.0周/转之间的第一弦向频率满足了上面的准则，但是，动态特性还需要较高的刚度值，并且因此会产生较高的操纵载荷。
外侧过渡区和桨叶连接区主要用来承受拉力，即由于离心载荷引起的拉力，与内侧柔性梁区比较，它们承受的载荷较小。因此，在内侧过渡区和俯仰区主要负责适应柔性梁/旋翼桨叶组件的襟翼、边缘和俯仰移动，弯曲运动将不是一个设计要求。外侧过渡区也用来实现在俯仰区与桨叶连接区之间的宽度和厚度的过渡，但是由于所受的应力较小，即约为内侧过渡区应力水平的1/3，这种宽度和厚度过渡可以较快地进行而不会引起较大的层间的剪切应力。
现有技术的柔性梁提出了与通过结合入一个复合材料的外包封(见Beno等人的美国专利4898515)或设置在自由边缘上的边缘帽盖(见Schmaling等人的美国专利5431538)以便加强复合柔性梁的方式而在内侧区发生分层或裂开有关的问题。而且，在这些说明书中所公开的内侧过渡区使用了线性的宽度过渡，其中宽度过渡角，即由俯仰区与内侧过渡区的侧边所限定的角度很小，例如在约1.5度至约3度之间。这种小宽度过渡角与该外包封或边缘帽盖相结合实现了所需要的层间应力的减少，从而排除了复合柔性梁的裂开或分层。虽然该文件中提供了必需的结构方案，但可以理解到，这种柔性梁的重量和制造的复杂性是具有不利影响的。而且还可以理解到，为了实现具有小过渡角的线性过渡，该内侧过渡区的翼展长度也必须增加。这样增加的长度具有使柔性梁的总的翼展长度增加的不利影响，或者，相反地，具有减少俯仰区的有效长度的不利影响。这种减小的有效长度会使得建立必需的第一弦向频率响应的能力复杂化并且增加了在俯仰区的扭转率的要求。关于后者，该增加了的扭转率将引起更大的应力/应变，由此使俯仰区的设计更复杂。
俯仰区的结构设计和功能设计的复杂性一直是借助象在Noehern等人的美国专利US 4746272和在Schmaling的美国专利US 5431538中所描述的构形那样的多叶状十字形横截面构形来对付的。一般地说，这些柔性梁设计会产生约0.7周/转的第一弦向频率响应并且因此而不能应用于尾桨应用场合，如上面所描述的那样，尾桨应用可从约1.7周/转的较高弦向频率获得好处。假设这种俯仰段的尺寸可以加以适当地设计来增加弦向频率响应，又会因构形和所采用的加工技术而导致其他的结构和制造困难。
更具体地说，Noehren等人的美国专利US 4746272公开了一种具有由多条切削槽形成的多叶片的俯仰区。多叶片提供了翘曲稳定性，同时切削槽可减小柔性梁的扭转刚度。不言而喻，切削槽会导致较高的应力集中，而应力集中会导致柔性梁过早疲劳。此外，切削操作必须高度地加以控制来获得要求的横截面构形并且因此对加工成本造成不利的影响。
Schmaling的美国专利US 5431538公开了一种由一个玻璃纤维基底结构和设置在其任一侧的辅助石墨肋条构成的，该石墨肋条实际上要比基底玻璃纤维结构窄些，以便形成一种十字形状横截面构形。这些材料和横截面构形的组合可以提供较小的扭转刚度，较低的第一弦向频率，和改善的边缘翘曲稳定性。虽然此处所描述的俯仰段提供了解决这些和其他设计困难的方法，然而，这种横截面构形加工困难和昂贵。更具体地说，要采用高精度的压模来制造该柔性梁，该压模必须在柔性梁的厚度和宽度两个方向上提供压实压力以便产生一种高质量的复合层压板。这种压模设备一般要求精确地布置复合材料和厚度受控的叠层以便确保在复合叠层上施加均匀的压力。
这种模塑方法的成功取决于象复合层相互之间体积不同的程度那样的各种各样的独立变量，压模的精度，即能够施加受控的压实压力和温度的能力，并且当然还有操作者的熟练程度。此外，还可以理解到，这种压模设备一般包括刚性匹配的金属模具，因而它不能在侧向和横向两个方向，即复合柔性梁的宽度和厚度方向都提供压实压力。如果上面变量中的任何一个出现了偏差，则该复合层压板的质量也可能会受到影响，因此，柔性梁可能需要返工或可能要根据偏差或失常的程度加以刮削。
因此，需要有一种特别适合于直升机的尾桨组件的复合柔性梁，其设计要加以优化以便减小层间剪应力，提供要求的翘曲稳定性，满足第一弦向频率的要求，并且使复合柔性梁的扭转刚度减至最小而且同时要便于制造。
本发明的一个目的是提供一种具有独特的构型和材料组合的最佳复合柔性梁，以用来在满足各种相互有关的柔性梁设计准则的同时减小层间的剪切应力。
本发明的另一个目的是提供一种便于采用能够生产高质量复合层压板的制造方法的最佳复合柔性梁。
本发明的上述和其他目的可以通过一种具有多个邻接区的最佳复合柔性梁来达到，该邻接区包括一个桨毂连接区、一个桨叶连接区、一个与该桨毂连接区邻接的内侧过渡区、一个与该桨叶连接区邻接的外侧过渡区，以及一个设置并邻接在该内和外侧过渡区之间的俯仰区。
俯仰区包括一个单向玻璃纤维材料层压芯板，和粘接到由该层压芯板限定的配合面上的单向石墨材料层压面板。层压芯板形成侧向表面，该侧向表面则进一步限定了俯仰区宽度尺寸，而层压面板形成面板表面，该面板表面则进一步限定了俯仰区厚度尺寸。宽度和厚度尺寸形成一个大于或等于10的长宽比。此外，层压芯板和层压面板形成了一个具有倒角边缘表面的倒角边缘构形，其中每个倒角边缘表面相对于俯仰区的襟翼向弯曲中性轴线形成一个临界锐角，并且形成一个设置成与襟翼向弯曲中性轴线有一定垂直距离的侧向边缘。临界锐角最好介于约14度至约22度之间，并且垂直距离最好是俯仰区厚度尺寸的约12.5％至约37.5％。
该内侧过渡区包括一个由厚度过渡段限定的第一过渡子区和一个由宽度和厚度过渡段限定的第二过渡子区。第二过渡子区限定了一条宽度二次曲线和一个临界宽度过渡子区。该临界宽度过渡子区与由该宽度二次曲线限定的介于0度至约10度之间二次曲线斜角相对应。而且，该第一和第二过渡子区由单向和离轴复合材料的组合所构成，其中该离轴复合材料限定了一个离轴复合材料的百分比并且在临界过渡子区中该百分比由一条最佳曲线所限定。
通过下面的详细说明并连同参考下列附图，可以对本发明及其特征和优点取得更完整的了解，附图中
图1是包括本发明的最佳复合柔性梁的直升机尾桨部件的局部分解的透视图；图2a和2b是用于示出最佳复合柔性梁的各种邻接区的顶视图和侧视图，这些邻接区包括一个桨毂连接区、一个内侧过渡区、一个俯仰连接区、一个外侧过渡区和一个桨叶连接区；图3是大体上沿图2a的线3-3截取的剖视图，用来示出该俯仰区的内部结构和截面构形；图4和5是分别是最佳柔性梁的基线俯仰区和俯仰区的代表性局部透视图，用于比较和对照其边缘构形；图6是层间剪应力/面内剪应力的比值与用于最佳复合柔性梁的基线俯仰区和俯仰区的正常边缘距离的曲线图；图7a示出了最佳复合柔性梁的另一种实施例的代表性剖视图，其中所示的俯仰区包括交替布置的单向石墨和玻璃纤维复合层构成的中心区；图7b是图7a的放大视图，其中更加详细地示出了单向石墨和玻璃纤维层；图8是最佳柔性梁的俯仰区、内侧过渡区和桨毂连接区的示意局部截断侧视图，用于特别示出该梁内的复合层叠层和厚度变化；图9a是最佳复合柔性梁的俯仰区、内侧过渡区，和桨毂连接区的局部平面图，用于特别示出由内侧过渡区的侧向表面形成的宽度二次曲线；图9b是宽度二次曲线和由二次曲线斜角范围界定的关键的宽度过渡子区的详细截断图；图10是在临界宽度过渡子区内随着二次曲线斜角而变化的离轴叠层材料的百分比曲线图；图11示出了覆盖住本发明最佳复合柔性梁的现有技术复合柔性梁的局部断开的顶视简图，用来比较和对照其各种特征；图12是该最佳柔性梁的桨毂区、外侧过渡区和桨叶连接区的局部断开的侧视简图，用来示出(除了别的以外)复合层的叠层和其中的厚度的变化；图13是该最佳复合柔性梁的俯仰区、外侧过渡区和桨叶连接区的局部顶视图14是用于制造该最佳复合柔性梁的模具组件的局部断开的顶视图；图15是大体上沿图14的线15-15截取的剖视图。
现在参看附图，在所有的这几个视图中，相同的标号表示相同的或类似的零件。图1示出了无轴承的直升机尾桨部件2的局部分解的透视图。尾桨部件2包括一个用来驱动多个尾桨桨叶6围绕轴线8转动的中央桨毂固定件4。更准确地说，本发明的最佳复合柔性梁10置于桨毂固定件4与各尾桨桨叶6之间并且固定结合在一起。连接螺栓12把最佳柔性梁10的外端10OE固定在相应的尾桨桨叶6上，而连接螺栓16则把柔性梁10的内端10IE相应地固定在桨毂固定件4的上和下U形臂4a和4b上。
每个最佳柔性梁10由一个扭力管20所包住，该管通过用来实现柔性梁/尾桨桨叶连接的同样的连接螺栓12与柔性梁10的外端10OE固定在一起。此外，扭力管20通过一个弹性体支承组件(又称为减震器支承组件)铰接地安装在内端20IE上，该组件可实现使扭力管20围绕最佳柔性梁10对中的功能，以适应在扭力管20与最佳柔性梁10之间相关的俯仰、挥舞和超前滞后运动并且可用来传递俯仰操纵和其间的其它载荷。这种减震器支承装置22在现有技术中是众所周知的，并且在美国专利5092738和5499903中作了介绍。
扭力管20可用来将俯仰运动传递给对应的尾桨桨叶组件6，除其他的桨叶偏移以外，该俯仰运动可由最佳柔性梁10的扭转弹性适应。更准确地说，俯仰运动通过星形俯仰梁24传递给扭力管20，该梁通过俯仰操纵杆26和俯仰角状接头28与各扭力管20的内端20IE组合配置在一起。在运转中，俯仰梁24的线位移可使各扭力管20的产生角位移，该角位移又将俯仰操纵输入传递给相应的尾桨桨叶6。
在详细讨论最佳复合柔性梁10以前，应当指出，所述的实施例是以具有某些预定载荷和运动要求的尾桨部件为基础的。此处所述的各最佳柔性梁10a)反抗由每个尾桨桨叶组件产生的33000磅(146784牛)的离心力，b)反抗稳定的和振动的襟翼弯曲载荷(由桨叶推力产生)，其中稳定载荷约15000英寸-磅(1695牛-米)，振动载荷约±38000英寸-磅(4293牛-米)，c)传递稳定的和振动的边缘弯曲载荷(与旋翼力矩有关)，其中稳定载荷约8000英寸-磅(904牛-米)，振动载荷约±21000英寸-磅(2373牛-米)，d)适应±5度的偏离平面(襟翼方向)运动，e)适应±18度的俯仰运动，同时保持俯仰操纵载荷低于±200磅，f)产生恒定的桨毂力矩1250英尺-磅/度(97106牛-米/弧度)以及g)产生约1.7周期/转的第一弦向频率。应当理解，在本发明的精神和范围内还可以对最佳复合柔性梁10作出各种变更，例如对长度、横截面积、宽度和/或厚度过渡的程度等作出变更。
影响最佳柔性梁10的构形的其他变量包括材料及其机械性能的选定，例如纤维增强材料的弹性模量及其纤维取向，树脂基体的剪切模量，以及复合材料的允许的应力和应变等。对于所述的实施例来说，最佳复合柔性梁10由纤维增强的树脂基体材料构成，其中该纤维加强件包括石墨和玻璃纤维两种，并且其中该树脂基体是一种韧化的环氧树脂基体。更准确地说，最佳柔性梁10包括多个石墨或玻璃纤维复合层，该纤维复合层被层叠和布置成一个具有各向异性/正交各向异性的强度特性的多层复合结构，即一种其预定的刚度特性沿正交轴随着纤维增强取向而变化的结构。这种强度特性可以通过选定单向材料和/或离轴复合材料的组合来实现。在本文中此处所使用的单向材料的特征在于其纤维加强件基本上平行于最佳复合柔性梁10的纵向轴线10L，即相对于该纵向轴为零度，并且离轴复合材料的特征在于其纤维取向相对于纵向轴10L约为+45度或-45度。此外，所涉及的单向和/或离轴的“材料”、“纤维”或“层”将可互换地用来表示该复合的层压板的方向强度。虽然所产生的石墨/玻璃纤维复合的层压板的相对位置和纤维取向是(除了别的以外)本发明的主要特征，但是应当指出，其他的复合的基体材料也可以使用，只要这些材料具有类似的机械性能，例如弹性模量和剪切模量，许可的应力/应变值等。
在图2a和2b中，本发明的最佳复合柔性梁10被分割成几个邻接的区域，以便表示其特定的结构和功能特征。更准确地说，该复合柔性梁10包括一个桨毂连接区HAR，一个桨叶连接区BAR，一个俯仰区PR，以及内侧和外侧过渡区ITR和OTR。下面的讨论将涉及各区域的主要功能、结构特征和复合结构。虽然最佳的柔性梁10及其所有区域的主要功能是对桨叶产生的离心力的反作用，但对每个区域的主要功能将根据该区具有的特定功能来介绍。
桨毂连接区HAR被构形成适合于把复合柔性梁10固定结合在桨毂固定件上，更准确地说，为实现图1中所示的螺栓连接，该区还包括隔开型式的安装孔40，以用来实现图1中所示的螺栓连接。就功能上说，桨毂连接区HAR主要用来传递柔性梁力矩，即襟翼和边缘上的弯曲力矩，以及作用在桨毂固定件上的离心载荷。由于桨毂连接区HAR刚性地固定在桨毂固定件上，大的挠曲运动就不再是一个设计要求。桨毂连接区HAR的特征在于，它具有固定的宽度尺寸WHAR和厚度尺寸THAR，并且主要由50/50的离轴和单向石墨材料的混合物组成，但仍有百分比很小的玻璃纤维材料(单向和离轴材料两种都有)，以便于在俯仰区和内侧过渡区PR，ITR中产生要求的复合叠层。该离轴和单向复合材料将产生一种各向异性的复合层压板，该层压板能提供将柔性梁载荷向连接螺栓的最佳传递。
桨叶连接区BAR的形状可通过安装孔40把最佳的复合柔性梁10固定在各尾桨桨叶组件上并且随之也固定在扭力管20上，以完成图1的外侧螺栓连接。就功能上说，桨叶连接区BAR主要用来反抗离心载荷和把力矩传递给旋翼桨叶组件。由于弯曲力矩较小，桨叶连接区BAR所受到的载荷与最佳的复合柔性梁上的其他区域相比也比较小。关于该区的复合结构，例如宽度WBAR和厚度TBAR，离轴和单向复合材料的混合物等的特征则与桨毂连接区HAR的特征相同。
俯仰区PR位于桨毂和桨叶连接区HAR、BAR之间并且在结构上被成形为(i)能适应尾桨桨叶组件的必要的俯仰运动，即由于俯仰输入而产生的弹性扭转位移，(ii)使产生俯仰操纵所需要的操纵载荷减至最小；(iii)提供必要的抗弯稳定性，以及(iv)限定柔性梁/尾桨桨叶系统的第一弦向频率响应。更准确地说，俯仰区PR包括一个复合材料和独特的横截面形状的选择组合，以满足上述设计要求。
俯仰区PR的特性在于，沿其长度LPR它基本上是一个不变的截面形状。在图3中，该俯仰区包括一个单向玻璃纤维材料的芯部层压板50和粘接在由芯部层压板50限定的上和下配合面50M上的单向石墨材料的表面层压板52。最好，该石墨材料的表面层压板52基本上沿着由芯部层压板50的侧面50L所限定的该俯仰区的整个宽度尺寸WPR上延伸。此外，宽度尺寸WPR与在表面层压板52的上和下表面52F之间测量的俯仰区厚度尺寸TPR共同限定了一个宽度对厚度的比WPR/TPR，下文中称之为俯仰区34的长宽比。该长宽比最好取大于或等于10的数值，最佳是约在10-20的范围内。对于上述实施例，该长宽比约为16.2。这种复合材料和长宽比的重要性将在下面的段落中讨论。
玻璃纤维的单向取向以及芯部和表面层压板50，52的石墨材料产生了一个具有正交各向异性的层压板，其中扭转刚度主要是树脂基体的切变模量(G)的函数，而轴向或弯曲刚度主要是纤维的弹性模量(E)的函数。因此，俯仰区PR的特征在于，它由于该树脂基体的相当低的切变模量(G)而具有围绕该复合柔性梁的纵向轴线10L的较低的扭转刚度以及由于该单向纤维特别是石墨纤维的较高的弹性模量(EG)而具有较高的轴向刚度。关于前者，该较低的扭转刚度造成一个顺从扭转的俯仰区PR，它可使操纵载荷减至最小，即使得围绕纵向轴线10L扭转该最佳的柔性梁所需要的力减小。关于后者，参看圆圈包围区RC，其中的石墨纤维远离襟翼和弯曲中性轴XA、YA，因此在提供襟翼和边缘弯曲刚度两方面都是高度有效的。这种高襟翼和边缘弯曲刚度提供了围绕边缘弯曲中性轴YA在平面内的抗弯稳定性。
在石墨表面层压板52特别是其边缘刚度元件对于最佳的柔性梁10的第一弦向频率响应起主要作用的同时，玻璃纤维芯部层压板50的低弹性模量(E)也对石墨表面层压板52的加劲效果起了改进作用。更准确地说，玻璃纤维材料在俯仰区PR中的百分比最好介于全部材料的约50％-70％范围之间，最佳是介于全部材料的约50％-60％范围之间。对于所述的实施例，玻璃纤维的百分比约为59％。由于层压板50，52的宽度尺寸WPR基本上相等，因而芯部厚度尺寸TC对俯仰区厚度尺寸TPR的比值也就限定了玻璃纤维材料的百分比。这种材料或厚度范围与上述长宽比相结合，可以产生约1.7周/转的第一弦向频率响应。材料或厚度范围在规定范围即50％以下时，将产生约1.9周/转以上的第一弦向频率响应，如同在本发明的背景部分中所讨论的那样，该频率响应如果位于或接近于一个载荷放大值，例如2周/转，将引起谐振不稳定性，或者，如果位于载荷放大值之间，例如在2.0与3.0周/转之间，则将产生较大的操纵载荷。该材料或厚度百分比范围的上限即70％受到玻璃纤维材料的平面内的疲劳剪切应力许可值的限制。
除了上述的材料、材料厚度和长宽比的组合以外，俯仰区PR的特征还在于，通过把边缘面54S倒角来减少沿芯部层压板的侧面50L上的层间的剪应力。这种层间的剪应力是由于俯仰区PR的长宽比和沿石墨表面层压板52的表面52F上发展的平面内的最大剪应力而造成的。
在图4和5中，将具有一个直角边缘构形RAE的基线俯仰区构形PRBL与本发明的最佳的俯仰区PR进行了比较和对照。在图4中，示出了基线俯仰区PRBL的代表性的局部透视图，其中在点A和点B处产生了最大的面内剪应力和层间剪应力。点A沿基线俯仰区PRBL的面板表面52FBL设置并且与边缘向弯曲中性轴线YABL共线对准。点B沿基线俯仰区PRBL的侧向表面50LBL设置并且与襟翼向弯曲中性轴线XABL共线对准。矩形的基线俯仰区PRBL分别结合了相同的材料，材料厚度，和前面为最佳柔性梁10的俯仰区PR界定的长宽比的层压芯板和层压面板50BL和52BL。应用上面所述的相同的俯仰区要求，沿面板表面52FBL上点A处产生的最大面内剪应力τIPA可以由式1.0得出τIPA≈(θ/L)GT (1.0)式中θ是俯仰比例角(pitch prorate)，L是俯仰区PRBL的长度，G是层压板的切变模量(主要由树脂基体确定)和T是总的厚度。虽然L，G和T是显然的，但是俯仰比例角则是材料根据其用途范围能够承受多个周期扭矩载荷而不会降低其结构特性(类似于材料的疲劳强度)的最大的俯仰角度θ。
沿侧表面50LBL产生的点B处的层间剪应力τILB可以利用圣维南扭转理论得到，该理论是用来在具有基本上正交特征，即其中绕扭转轴线的切变模量G是均匀的特征的矩形横截面上确定扭转剪应力。在单项玻璃纤维和石墨材料的扭转切变模量G是基本上相等的情况下，因为树脂基体是共用于这两种材料的，该理论还可应用于基线俯仰区和优化俯仰区PRBL，PR两者。在此处的说明中，基本上相等的切变模量意味着在约±10％的范围内。根据圣维南原理，上面所述类型的矩形横截面沿基于矩形横截面的宽度和厚度相互成正比，即该横截面的长宽比的正交侧会产生最大的扭转剪应力。对于具有介于10至20之间的长宽比的矩形横截面来说，下式定义了最大的平面内剪应力和最大的层内剪应力(平面外侧)之间的关系。
τIL≈0.73τIP(2.0)式中τIP是最大面内剪应力，而τIL是最大层间剪应力。
因此，从式1.0和2.0中可以看出，对于矩形正交结构(长宽比介于10至20)，其中，在点A处的最大面内剪应力τIPA是4000磅/英寸2(27.6×106牛/米2)，在点B处的该最大层间剪应力τIPB将达到2968磅/英寸2(20.5×106牛/米2)。在单向玻璃纤维最大疲劳许可层间剪应力约为2000磅/英寸2(13.8×106牛/米2)的情况下，可以看出，基线俯仰区PRBL不能提供用于所引用例子的层间剪应力方案。
在图5中，最佳俯仰区PR通过将俯仰区PR的边缘倒角的方式提供了一种层间剪应力的方案，使得对于给定的长宽比和最大的面内剪应力来说，每个倒角的边缘表面54S与襟翼方向的弯曲中性轴线XA形成一个临界锐角α并且使得每个倒角边缘表面54S的侧向边缘54E设置成与襟翼向弯曲中性轴XA相距一个垂直距离X。最好是，临界锐角α是处在约14至约22度范围内，最佳的是处在约16至约20度范围内。此外，垂直距离X最好是处在俯仰区厚度尺寸TPR的约1/8至约3/8范围内。
为了精确地形成适用于特定用途的临界角度α，可以采用一种内切圆分析，其中侧向和倒角边缘表面50L，54S设置成相切于形成倒角边缘构形CHE的边界的内切圆INCIR。更准确地说，临界角度α可以通过计算内切圆INCIR的最大直径DMAX的值并且在规定的范围内选定X值的方式加以确定。从下面的分析可以看出，在点B处的最大层间剪应力是内切圆INCIR的最大直径DMAX的函数并且与是俯仰区厚度尺寸TPR的函数的在点A处的最大平面剪应力成正比。因此，内切圆INCIR可以在直径上加以修整以便确保在单向玻璃纤维的层压芯板50内的层间剪应力处在可接受的水平内。
最大直径DMAX可以从上面的公式1.0和2.0得到并且是基于石墨和玻璃纤维的许可的最大疲劳剪应力和基于其俯仰比例角得出的。内切圆INCIR的最大直径DMAX是由下式得出的τ(Gr.F.ALLOW)≈(θPG/L)GTPR(3.0)τ(Fi.F.ALLOW)≈.73(θPF/L)GDMAX(4.0)τ(Gr.F.ALLOW)≈2.65τ(Fi.F.ALLOW)(5.0)θPG≈1.33θPF(6.0)式中τ(Gr.F.ALLOW)是复合石墨材料的最大许可疲劳剪应力；τ(Fi.F.ALLOW)是复合玻璃纤维材料最大许可疲劳剪应力；θPG是石墨复合材料的俯仰比例角；θPF是玻璃纤维复合材料的俯仰比例角；G是复合材料的扭转切变模量，即绕纵向轴线的切变模量(因树脂基体的共用性对于石墨材料和玻璃纤维材料基本是相等的)；和TPR是俯仰区厚度尺寸；以及其中以直径DMAX可以解得公式3.0-6.0以便提供用于该直径的公式如下DMAX≈0.69TPR(7.0)因此，对于一个预定的俯仰区厚度尺寸TPR，可以确定内切圆INCIR的最大直径DMAX。此直径尺寸DMAX与预定的X值一起，通过形成两个点，即侧向边缘54E和切点A′的方式可以确定邻接角度α。
在图6中，曲线60和70以图形的方式示出了分别用于基线俯仰区PRBL和最佳俯仰区PR的最大层间剪应力(点B处)与最大平面剪应力(点A处)的比值。参见图4-6，每条比值曲线是作为标准的边缘距离，即从侧表面50LBL或50L到相应的俯仰区视图形心CBL或C的距离的函数画出的。通过研究曲线60，70，可以看出层间剪应力沿侧表面50LBL，50L对应于点B处是最大的并且快速地降低到标准的边缘距离的约20％的不大的值。而且，通过对比研究，可以看出，当采用最佳俯仰区PR的倒角边缘构形CHE时，最大的层间剪应力会大幅减小，即从最大平面剪应力的约0.73减小到约0.38或从约73％减小到约38％。
图7a和7b示出了俯仰区PR的另一个实施例，其中层压芯板50包括一个单向石墨和玻璃纤维层UG和UF分别交替布置的中心区80以便增大最佳柔性梁的轴向强度，并且因此增加了其承受离心载荷的能力。更准确地说，中心区80设置在靠近襟翼方向和边缘方向的弯曲中性轴XA，YA处以便使减小其对最佳柔性梁的弯曲刚度的贡献，特别是对其弦向刚度的贡献。最好是，各个单向石墨层UG以相互可相对侧向移动交错方式，或以在宽度方向上交错的方式设置，以便使层边缘重合对齐。这种交错布置通过避免了因各个石墨层UG的弦向对准而导致的局部应力集中的方式增加了层压芯板50的强度。
在图8中示出了用来说明该复合层的叠层及其中的厚度变化的该最佳的柔性梁10的局部剖开的侧视简图。为便于说明，图中只示出最佳柔性梁10的上半部，即从其中平面开始，因为下半部基本上是相同的。因此，所涉及的厚度尺寸应看做是所示实际尺寸的2倍(即乘上2)。此外，在实线之间的空隙表示单向复合材料U，而在实线与虚线之间的空隙则表示离轴复合材料O。
单向复合材料U，即表面和芯部层压板50，52的玻璃纤维和石墨层UF和UG，沿俯仰区PR(见图2b)的全部长度L延伸，最好沿着最佳复合柔性梁10的翼展方向全长LF延伸。在所述的实施例中，这些U层在其邻接区分别与另外的单向和离轴材料O和U交替放置，以便实现在内侧与外侧过渡区ITR、OTR内必需的厚度过渡段。
在图8，9a和9b中，内侧过渡区ITR实现了在桨毂连接区HAR和俯仰区PR之间的宽度和厚度过渡。这种宽度和厚度的过渡一般取决于(i)俯仰区PR的低扭转刚度和第一弦向频率的要求和(ii)桨毂连接区HAR的载荷传递要求。关于前者，俯仰区PR的刚度和频率要求大体上需要将俯仰区宽度和厚度尺寸WPR，TPR减至最小，以便减小俯仰区PR的扭转刚度(1/3WPRTPR3×G)和边缘弯曲刚度(1/12WPRTPR3×E)。关于后者，桨毂连接区HAR把所有的柔性梁载荷经横贯连接螺栓上的局部弯曲加以传递的要求需要保持预定的最小边缘距离，即桨毂连接区HAR的安装孔40至其自由边缘的距离。这样，桨毂连接区HAR的厚度THAR，特别是宽度尺寸WHAR一般都大于俯仰区PR的可比尺寸WPR，TPR。在所述的实施例中，从俯仰区PR到桨毂连接区HAR实现了58％的宽度过渡，即从3.8英寸(9.7厘米)过渡到6.0英寸(15.2厘米)，和503％的厚度过渡，即从0.234英寸(0.59厘米)到1.410英寸(3.58厘米)。
为了更精确地限定其形状和功能，将内侧过渡区ITR细分成包括第一和第二过渡子区ITR-1和ITR-2的各种子区。第一过渡子区ITR-1实现了厚度过渡，而第二过渡子区ITR-2实现了宽度和厚度两种过渡。第一过渡子区ITR是多功能子区，因为能适应推力引起的襟翼偏转，反抗襟翼和边缘弯曲载荷并且分担最佳的柔性梁的一部分俯仰偏移(与俯仰区PR相比虽然很小)。该子区的功能是通过具有固定宽度(等于俯仰区PR的宽度尺寸WPR)的单向复合材料U的逐渐增加而实现从而使柔性梁10的厚度增加而其扭转和边缘刚度都没有明显的增加。因此，当增加襟翼弯曲刚度以抵抗作用的弯曲载荷时，该逐渐变化的厚度过渡段可以适应襟翼的偏转。此外，复合材料U的单向取向结合宽度的约束条件，可允许较小的角度的俯仰运动，由此减小了俯仰区PR的扭转率要求。对于所述的实施例，单向复合材料U包括多个单向石墨层UG，这些石墨层与俯仰区PR的单向石墨层和玻璃纤维层UG、UF交替放置。
第二过渡子区ITR-2主要设计来反抗襟翼和边缘弯曲载荷和适应由推力引起的尾桨桨叶的襟翼偏转。除了这些功能要求外，第二过渡子区ITR-2还使沿该最佳复合柔性梁的自由边缘上的层间的剪切应力减小。更准确地说，第二过渡子区ITR-2限定了许多个每个都具有基本上为二次曲线形状的侧向面90L。该二次曲线形状可以采用包括抛物线、双曲线、椭圆或圆曲线等各种形状。对两侧的侧向面90L，该二次曲线形状(以下称为“宽度二次曲线”)都起始于与第一和第二过渡子区ITR-1，ITR-2的交界处相对应的点AL，终止于与第二过渡子区ITR-2和桨毂连接区HAR交界处相对应的点BL。此外，参看图9b，该宽度二次曲线限定了沿该曲线的各个点处的斜角θWC，该斜角可以由一个标准的超越函数给出θWC＝Tan-1(DY/DX)式中的DY/DX是在X-Y坐标系中该宽度二次曲线的一个特定点的斜率。其X轴与最佳柔性梁10的纵向轴线(图9b中未示出)相平行，Y轴与该宽度二次曲线的点AL相交。该宽度二次曲线在点AL处的斜角θWC为零度而在终点BL处增加到约30-50度之间的某个值。
本发明人发现，通过采用离轴复合材料O与单向复合材料U共同作为该二次曲线斜角θWC的函数可以显著减少层间的剪切应力。该关系式与纤维成分即石墨和玻璃纤维无关，但是对于所述的实施例，离轴石墨和玻璃纤维层OG、OF的组合仍可用来减轻热感应应力。这种应力在固化工序期间可能由于在单向玻璃纤维层和石墨层UF，UG与离轴石墨层OG之间的热失配而产生。因此，最好将离轴玻璃纤维层OF引入其间，该离轴玻璃纤维层OF的特征在于，其热膨胀系数能与单向层UF、UG和离轴石墨层OG更好地配合。
在确定该关系式以前，应当理解到离轴材料O的百分比从俯仰过渡区PR至桨毂连接区HAR必须增加至少50％。该百分比的增加是必需的，因为如上面所述，俯仰区PR是单独由单向复合材料U组成的，而该桨毂连接区需要一种离轴和单向材料O，U为50/50的混合物，以便通过螺栓连接最佳地传递载荷。此外，离轴复合材料O在第一过渡子区ITR-1中开始增加并且在第二过渡子区ITR-2中达到最大，即50％，而在与二次曲线斜角的小角度θWC，即在约0度至约10度之间的角度相对应的区域CRwt内，预定的百分比是最关键的。与第二过渡子区ITR-2的外侧部分相对应的区域CRwt下文中称为临界的宽度过渡子区CRwt。
在图10中，具有上和下极限边界100U和100L的最佳曲线100，在一个作为该二次曲线斜角θWC的函数的给定截面上限定了离轴复合材料O的百分比O％，即全部离轴层OG、OF相对于全部材料组成的百分比。该最佳曲线100是为介于0度至10度之间的斜角θWC限定的，其中在该临界过渡子区CRwt内产生的层间剪切应力为最大应力。虽然对在临界宽度过渡子区的外侧和内侧的离轴复合材料O的增加要求不太严格，但这种增加最好是平缓的，以避免由于几何形状而引起的，即由于急剧的外形变化而引起的较大的轴向应变。
该最佳曲线70可以由下式限定%O=C+900-[KθWC-30]2]]>式中常数C介于约14.4至约21.6之间，它限定了该最佳曲线100的Y轴截距数值的范围；斜角θWC以度表示；以及常数K等于1.0/度，以保持该公式中的单位的相容性。从该式可以明显看出，常数C还限定了该最佳曲线100的上和下极限边界100U和100L。
从该公式可知，与零度斜角相对应的离轴复合材料O的百分比％O在约14.4％至约21.6％之间，在二次曲线斜率为10度处的离轴复合材料的百分比在约35.4％至约42.6％之间。为实现在临界过渡子区CRwt，即在该最佳曲线100的Y轴截矩处的该百分比，所必需的离轴复合材料O的增加在第一过渡子区ITR-1中的沿径向外侧的翼展位置IBU(见图9a)上开始。最好，该翼展位置IBU与第一和第二过渡子区ITR-1，ITR-2的交点相距DS尺寸处的位置相对应，尺寸DS约为第一过渡子区ITR-1的翼展长度L1的约15％-25％。该位置IBU可保证扭转率不会受到有害影响并且离轴材料O可以平缓地增加，以便在临界过渡子区CRwt内实现最少的离轴材料O。在临界过渡子区CRwt以外即其内侧区的离轴复合材料O的增加可以更加快速，因为此处的层间的剪切应力影响不大，因而对其中精确的厚度过渡段的要求就不太严格。当最佳曲线100及其极限边界100U和100L都是如图所示的光滑的曲线函数时，应当指出，实际上曲线100由于各离轴层OG、OF的逐渐增加的厚度积累的结果将是一个阶梯形函数。
在图11中，一个以投影示出的现有技术的柔性梁110覆盖在本发明的最佳复合柔性梁10上，用于说明从内侧过渡区ITR的构形与结构所得到的好处。现有技术的柔性梁110的特征在于，它具有线性的宽度和厚度过渡区TR110和离轴复合材料的均匀的增加。对于后者，这种增加通常在翼展位置I110处产生，该位置位于与点A110对应的起始宽度过渡的位置的径向内侧。离轴复合材料的这种初始位置可使俯仰区PR110的有效长度达到最大。通过分析可以看出，在现有技术的柔性梁110的点A110处的层间的剪切应力比最佳柔性梁10在点AL处可比的层间剪切应力高出2至3倍。这样高的应力值是由于该离轴复合材料的大斜角和内侧位置作用的结果而产生的。如在本发明的背景部分所述那样，人们曾采用过边缘帽盖C110或复合外包封(未示出)的方法来将层间的剪切应力减少到可以接受的水平。最佳柔性梁10的内侧过渡区ITR通过该宽度二次曲线和离轴复合材料的最佳增加的综合的结构效应而去掉了这种重量大、价格贵并且复杂的附加结构。该宽度二次曲线在该离轴复合材料提供了必须的剪切强度以减少沿第二过渡子区ITR-2的侧面90L的层间的剪切应力的同时，实现了平缓的宽度过渡。
除了这些结构上的好处以外，内侧过渡区ITR的构形和结构在实现了最佳复合柔性梁10的边缘和扭转刚度下降的同时，还伴随增加了负责适应俯仰运动的区域/子区，即俯仰区PR和第一过渡子区ITR-1的有效长度。通过把现有技术柔性梁110的平均宽度尺寸W110与最佳柔性梁的平均宽度尺寸W10以及每个尺寸的相应位置的比较可以清楚地看出，面积惯性矩和极惯性矩(I和J)都减小了，从而使最佳柔性梁10的整体的边缘刚度和扭转刚度都减至最小。这样，该内侧过渡区ITR可在以下方面具有更大的设计灵活性(i)建立所要求的最佳柔性梁10的第一弦向频率，(ii)减小把俯仰运动传给最佳柔性梁10所需要的操纵载荷，和/或(iii)减小其长度和/或重量。
为了进一步减小最佳柔性梁10的边缘和扭转刚度，最好使该宽度二次曲线位于实际上尽可能靠近桨毂连接区HAR的安装孔40的位置，使得该宽度二次曲线与由厚度过渡段的末端所限定的厚度接合部TT的径向内侧相连续。更准确地说，最好使点CL沿该宽度二次曲线设置在S/DA的数值处于约1.6-1.85的范围内，其中S是从点CL到最接近的安装孔40的几何中心40C的距离，DA是该相应的安装孔40的直径。这样，该宽度二次曲线的空间位置就可以向内移向安装孔40，由此可使该平均宽度尺寸W10位于一个最内侧的径向位置。
在图12中，外侧过渡区OTR可适应在俯仰区PR与桨叶连接区BAR之间的宽度和厚度过渡。该外侧过渡区OTR主要设计来反抗离心载荷并且与内侧过渡区相比可以称为低载荷。也就是说，作用在外侧过渡区OTR上的载荷约为作用在内侧过渡区上的载荷的三分之一。由于载荷不太大，宽度和厚度过渡可以较快速地进行而不会引起较高的层间的剪切应力。在所述的实施例中，离轴石墨层OG交替的结合在俯仰区的单向玻璃纤维和石墨层UF、UG中，从而可实现快速、二次曲线的厚度过渡。此外，将插入足够的离轴石墨层OG，以便在桨叶连接区BAR中实现50/50的单向与离轴复合材料U、O的混合物。
在图13中，该外侧过渡区的特征在于它具有内侧过渡区ITR的许多相同的特点。例如，该外侧过渡区OTR的侧面120L限定了一个二次曲线形状，该曲线配置在很事近桨叶连接区BAR的安装孔42处，即厚度接合部TT的内侧。如前所述，这些特点(除了别的以外)增加了俯仰区PR的有效长度，减小了层间的剪切应力和重量。
本发明的最佳复合柔性梁10可以通过常规的制造方法包括真空成形，加压模塑和树脂传递模塑等方法制造出来。在该最佳实施例中，真空成形方法用来固化该最佳柔性梁的复合材料U，O。更准确地说，参看图14和15，一个复合叠层CL可以通过把浸渍了树脂的单向和离轴复合材料未固化层放在，即用手或一个数字控制的带铺叠头放在一个限定了最佳柔性梁10的工作面142的基底金属模140中。接着，铺设该单向和离轴材料以便形成该最佳复合柔性梁的厚度尺寸。该宽度尺寸WCL最初加工成超过最后净成形柔性梁10的宽度的尺寸，最好宽度尺寸WCL比桨毂连接区的宽度尺寸WHAR超过约30％至约50％。
将一个半刚性覆盖板144(见图15)放置在复合叠层CL的露出的上表面CLS上，再将一个不可渗透的可挠曲膜146，通常称做真空袋，放置在该覆盖板144上并且密封在基底模140上。真空源148把由复合叠层CL充满的该模腔抽成真空，使得真空袋和半刚性覆盖板压紧在该叠层CL上以备高压蒸汽养护。把整个模具组件150放在蒸压器(未示出)中，其中热量和附加的压力作用在该叠层CL上以便将该复合叠层固化。
由于复合层压材料CL基本上是平展的，因此压实压力P可以均匀地施加到其上而不需要双向的压力分量，例如在侧向和横向两个方向上的压力。如本发明背景部分中所论述的那样，现有技术的十字构形需要双向压力以便形成结构肋条的正侧表面和侧向表面。而且，真空成形方法，和更加具体地说是半刚性的均衡压力覆盖板144不受纤维膨松变化的影响，由此可以将压力分布在复合层压材料上并且改善所制成的层压板的质量。
然后使用常规的切削设备例如高速多轴铣床把该固化的复合叠层CL加工成净宽度尺寸。最后加工步骤包括铣削最佳柔性梁的边缘以便制出上述的倒角的边缘面。虽然倒角边缘表面可以限制在俯仰区的长度内，但是倒角边缘表面可以延伸到邻近的区内以便于加工和消除因急剧的轮廓变化导致的应力。
虽然最佳柔性梁10的最佳实施例包括了各种区和子区的组合，但应当理解到，对某个单个区，例如俯仰区PR或内侧过渡区ITR的具体揭示内容可以适用于其他的柔性梁构形。也就是说，与其中一个区相关的揭示内容可以使用在结合有具有例如在现有技术中已经揭示的常规构形或者具有为满足一个特别用途而改进的构形的其他区中。例如，俯仰区PR可以与常规的内侧和外侧过渡区一起使用，过渡区具有线性的宽度过渡段和/或线性的离轴材料叠置段。同样，内侧过渡区ITR可以用来与具有直角边缘构形和/或单一材料的复合层压板，例如全单向石墨配料或全单向玻璃纤维材料的俯仰区结合使用。此外，内侧过渡区和/或外侧过渡区ITR，OTR还可以用来分别与具有非固定宽度和厚度尺寸的桨毂连接区和/或桨叶连接区结合使用，以便与其他桨毂或叶片连接装置相适应。
虽然已经参照典型实施例对本发明进行了图示和说明，但是应当指出，本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出上述的和其他的改变、省略和增加。
权利要求
1.一种用于直升机尾桨组件(2)的最佳复合柔性梁(10)，该最佳复合柔性梁(10)具有多个毗邻的区，这些区包括一个桨毂连接区(HAR)，一个桨叶连接区(BAR)，一个毗邻桨毂连接区(HAR)的内侧过渡区(ITR)，和一个毗邻桨叶连接区(BAR)的外侧过渡区(OTR)，该最佳柔性梁(10)还包括一个毗邻该内侧和外侧过渡区(ITR，OTR)并且形成一条襟翼向弯曲中性轴线(XA)的的俯仰区(PR)，所述俯仰区(PR)包括一个单向玻璃纤维材料(UF)层压芯板(50)，所述层压芯板(50)形成侧表面(50L)和配合表面(50M)，所述侧表面(50L)之间形成一个俯仰区厚度(WPR)尺寸；单向石墨材料(UG)的层压面板(52)，所述层压面板(52)粘接到所述层压芯板(50)的所述配合表面(50M)上，所述层压面板(52)还限定了面板表面(52F)，所述面板表面(52F)之间限定了一个俯仰区厚度尺寸(TPR)；所述俯仰区宽度和厚度尺寸(WPR，TPR)形成一个长宽比，所述长宽比大于或等于10；此外，所述层压芯板和层压面板(50，52)形成一个具有倒角边缘表面(54S)的倒角边缘构形(CHE)，每个所述倒角边缘表面(54S)相对于所述襟翼向弯曲中性轴线(XA)形成一个临界锐角α，并且还形成一个距所述襟翼向弯曲中性轴线(XA)有一个垂直距离X的侧边缘(54E)；所述临界锐角α介于约14度至约22度之间；所述垂直距离X是所述俯仰区厚度尺寸TPR的约12.5％至约37.5％。
2.如权利要求1所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述长宽比介于10至20之间。
3.如权利要求1所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述临界锐角α介于约16度至约20度之间。
4.如权利要求1所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述单向玻璃纤维和石墨材料(UF，UG)都具有一个切变模量，所述单向玻璃纤维和石墨材料(UF，UG)的所述切变模量基本上相等。
5.如权利要求4所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述层压芯板(50)的所述配合表面(50M)形成一个芯部厚度尺寸(TC)，所述芯板厚度尺寸(TC)处在所述俯仰区厚度尺寸(TPR)的约50％至约70％的范围内。
6.如权利要求1所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述俯仰区(PR)还包括一个由交替的单向玻璃纤维和石墨层(UF，UG)构成的中心区(80)。
7.如权利要求6所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述单向石墨层(UG)是交错设置的。
8.如权利要求1所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述倒角边缘表面(54S)延伸到该内侧连接区和外侧连接区(ITR，OTR)内。
9.一种用于直升机尾桨组件(2)的最佳复合柔性梁(10)，该最佳复合柔性梁(10)具有多个毗邻的区，所述区包括一个桨毂连接区(HAR)，一个桨叶连接区(BAR)，和一个毗邻该桨叶连接区(BAR)的外侧过渡区(OTR)，该最佳复合柔性梁(10)还包括一个毗邻该桨毂连接区(HAR)并且具有单向和离轴复合材料(U.O)组合结构的内侧过渡区(ITR)，该组合结构形成了总的材料成份和离轴复合材料(O)相对于其的百分比％O，所述内侧过渡区(ITR)还包括一个由厚度过渡段所限定的第一过渡子区(ITR-1)；以及一个由宽度和厚度过渡段所限定并且限定了一个宽度二次曲线的第二过渡子区(ITR-2)，所述第二过渡子区(ITR-2)限定了一个临界宽度过渡子区(CRwt)；所述宽度二次曲线限定了二次曲线斜角θWC；所述临界宽度过渡子区(CRwt)与介于0至10度之间的二次曲线斜角θWC相对应；所述离轴复合材料(O)的百分比％O由一条最佳曲线(100)所限定，所述最佳曲线(100)在所述临界过渡子区(CRwt)中由下式确定%O=C+900-[kθWC-30]2]]>式中C是在约14.4-21.6之间的常数，K是一个等于1.0/度的常数；一个毗邻该内侧和外侧过渡区(ITR，OTR)并且形成一条襟翼向弯曲中性轴线(XA)的俯仰区(PR)，所述俯仰区(PR)包括一个单向玻璃纤维材料(UF)层压芯板(50)，所述层压芯板(50)形成侧表面(50L)和配合表面(50M)，所述侧表面(50L)之间形成一个俯仰区宽度尺寸(WPR)；单向石墨材料(UG)层压面板(52)，所述层压面板(52)粘接到所述层压芯板(50)的所述配合表面(50M)上，所述层压面板(52)还形成面板表面(52F)，所述面板表面(52F)之间形成一个俯仰区厚度(TPR)尺寸；所述俯仰区宽度和厚度尺寸(WPR，TPR)形成一个长宽比，所述长宽比大于或等于10；所述层压芯板和层压面板(50，52)还形成一个具有倒角边缘表面(54S)的倒角边缘构形，每个所述倒角边缘表面(54S)相对于所述襟翼向弯曲中性轴线(XA)形成一个临界锐角α并且还形成一个距所述襟翼向弯曲中性轴线(XA)一个垂直距离X的侧边缘(54E)；所述临界锐角α介于约14度到约22度之间；所述垂直距离X是所述俯仰区厚度尺寸(TPR)的约12.5％至约37.5％。
10.如权利要求9所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述第一过渡子区(ITR-1)和所述第二过渡子区(ITR-2)之间形成一个接合部，其中所述第一过渡子区(ITR-1)形成一个翼展长度尺寸(L1)和一个翼展位置(IBU)，该翼展位置界定了所述离轴复合材料(O)的初始叠加位置，所述翼展位置(IBU)处在所述接合部的径向外侧。
11.如权利要求10所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述翼展位置(IBU)设置在距所述接合部有一个距离(DS)处，所述距离(DS)是所述翼展长度尺寸(L1)的约15％至约25％之间。
12.如权利要求9所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述第二过渡子区(ITR-2)界定了厚度接合部(TT)，并且所述宽度二次曲线在所述厚度接合部(TT)径向内侧是连续的。
13.如权利要求12所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述桨毂连接区(HAR)形成了一个具有一个直径尺寸(DA)的安装孔(40)和一个几何中心(40C)，所述宽度二次曲线界定了一个沿其上设置的点CL，所述点(CL)界定了距所述几何中心(40C)的一个距离尺寸S，所述距离和直径尺寸S，D形成了一个S/D比值，所述S/D比值介于约1.60至约1.85之间。
14.如权利要求9所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述长宽比介于约10至约20之间。
15.如权利要求9所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述临界锐角α介于约16度至约20度之间。
16.如权利要求9所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述单向玻璃纤维和石墨材料(UF，UG)都具有一个切变模量，所述单向玻璃纤维和石墨材料(UF，UG)的所述切变模量基本上相等。
17.如权利要求16所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述层压芯板(50)的所述配合表面(50M)界定了一个芯部厚度尺寸(TC)，所述芯部厚度尺寸(TC)是在所述俯仰区厚度尺寸(TPR)的约50％至约70％的范围内。
18.如权利要求9所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述俯仰区(PR)还包括一个单向玻璃纤维和石墨层(UF，UG)交替设置的中心区(80)。
19.如权利要求18所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述单向石墨层(UG)是交错设置的。
20.如权利要求1所述的最佳复合柔性梁(10)，其特征在于所述倒角边缘表面(54S)延伸到内侧和外侧连接区(ITR，OTR)内。
全文摘要
一种有俯仰区的复合柔性梁,俯仰区包括单向玻璃纤维材料层压芯板和粘接到由芯板限定的配合面上的单向石墨材料层压面板。芯板和面板形成大于或等于10的长宽比并形成倒角边缘表面。该表面相对俯仰区襟翼弯曲中性轴线形成临界锐角α并限定设在距轴线垂直距离X处的侧边缘。α约14—22度,X是俯仰区厚度尺寸约12.5—37.5%。梁包括有由单向和离轴复合材料组成的第一和第二过渡子区的内侧过渡区。第二子区形成宽度二次曲线和临界宽度过渡子区。离轴复合材料限定了其百分比,临界过渡子区中的百分比是由最佳曲线限定的。
文档编号B64C27/00GK1171356SQ9711474
公开日1998年1月28日 申请日期1997年7月17日 优先权日1996年7月18日
发明者F·E·拜尼斯, F·D·菲德里思, D·N·舒马玲 申请人:西科尔斯基飞机公司