一种直升机粘弹性阻尼器疲劳定寿的新方法

吕明月，李建伟，朱 勇，许名瑞

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.陆航驻景德镇地区军事代表室，江西 景德镇 333002)

0 引言

阻尼器是直升机旋翼系统的关键部件，其主要功用是为桨叶的摆振运动提供阻尼，从而防止因桨叶的摆振后退型模态与起落架耦合而引发地面共振以及与机体的耦合而引发空中共振[1]。阻尼器有摩擦阻尼器、液压阻尼器、粘弹性阻尼器、液弹性阻尼器等多种形式。磨擦阻尼器使用维护不方便，可靠性差，因而很快就被后来发展起来的液压阻尼器替代。液压阻尼器虽然解决了许多磨擦阻尼器所无法克服的问题，但这种阻尼器也存在着结构复杂、重量重、使用维护不方便等缺点，使用受到很大的限制。随着橡胶工业的发展，出现了高阻尼硅橡胶和金属混合夹层结构的粘弹性阻尼器。这种阻尼器不仅结构简单，重量轻，可靠性高，同时能够满足现代直升机对可靠性和维护性的高要求。此外，粘弹性阻尼器为桨叶摆振运动提供阻尼的同时还为摆振运动附加了摆振刚度，提高了旋翼的一阶摆振固有频率，从而有效地避开了可能的地面共振频率。因此，粘弹性阻尼器在现代直升机领域得到了广泛应用。

板式阻尼器是粘弹性阻尼器常见的形式之一，安装在桨叶支臂的上下表面，当桨叶作摆振运动时，金属上下盖板之间发生相对运动，上下盖板之间的高阻尼硅橡胶层产生剪切变形，从而为旋翼提供摆振方向的阻尼。本文以板式粘弹性阻尼器为例，提出了一种疲劳定寿新方法，通过理论推导及试验论证该方法真实可靠，可操作性强，大大提高了试验效率，为以后直升机粘弹性阻尼器的疲劳定寿积累了经验。

1 载荷谱

在直升机阻尼器定寿的工作中，载荷谱的确定是首要工作。通过旋翼操纵载荷计算可以得到阻尼器各个状态下对应的各级静载和动载，结合飞行谱的时间比例，即可得到阻尼器的计算载荷谱。单个状态内通常会有不同重量的各级载荷，如表1所示。

表1 粘弹性阻尼器疲劳载荷谱

按照表1的载荷谱进行加载会比较繁琐。为简化加载形式，需要将载荷谱单个状态内的各级载荷等效合成状态内的等效载荷，同时按重量谱的要求给出不同重量下的等效载荷谱，各个重量下等效载荷谱之间的比例要满足重量谱的时间比例。

2 合谱方法

合谱方法是根据损伤等效原理将单个状态内对应的各级载荷等效成一个等效载荷，该等效载荷造成的损伤与等效前的各级载荷造成的损伤相等。

2.1 静载等效

静载损伤等效采用“频数均值处理”获得，即某状态的各级静载荷乘以对应的作用频数，然后再取频数均值。具体公式如下：

(1)

其中：Si，ni:第i状态等效后的静载及作用频数；Sij，nij:第i状态第j级静载及作用频数；K:载荷级数。

2.2 动载等效

动载的损伤等效公式需要进行理论推导，借鉴复合材料S-N曲线方程为[2]：

(2)

其中：A，α：粘弹性材料S-N形状参数；Sai：状态内第i级交变载荷；S∞：疲劳极限；Ni：结构破坏时第i级交变载荷对应的循环次数。

根据损伤累计理论，粘弹性阻尼器总的疲劳损伤D用相应的“循环比”来表示：

(3)

根据式(2)和式(3)可推导出：

(4)

将载荷谱的各级载荷等效成Saeq，结合式(1)、式(2)可得等效载荷造成的损伤如式(5)所示：

(5)

由D=D′可知：

(6)

其中：m：状态内交变载荷总级数。

2.3 算例

某直升机旋翼粘弹性阻尼器的载荷谱，结合旋翼转速得到对应5h寿命的阻尼器载荷谱，如表2所示。

表2 阻尼器载荷谱(5h寿命)

大重量(2000kg)与小重量(1400kg)在重量谱中的时间比例为4：1，为了方便加载，可以将大重量的作用次数除以4，这样两个重量的作用次数一致。这样表2的载荷谱等效合谱成为1个小重量A谱和4个大重量B谱。即A+4B加载程序与阻尼器5h寿命载荷谱等效(表3、表4)。

表3 载荷A谱(小重量1400 kg)

表4 载荷B谱(大重量2000 kg)

3 寿命试验

将2.3节算例中的阻尼器安装在MTS材料试验机上进行疲劳寿命试验，模拟真实装机状态设计一套专用试验夹具，把两件阻尼器同时固定在材料试验机上。根据旋翼转速确定加载频率为7Hz，试验加载示意图如图1所示。

橡胶材料疲劳试验时，会出现温度升高的现象。温度过高会严重影响阻尼材料的性能指标。试验环境温度应保持室温，并且对试件使用风扇加速空气流动。

试验开始前和试验过程中每完成10个耐久性疲劳试验程序块，进行一次阻尼器基本性能测试，包括静刚度K0，动态弹性刚度K′，阻尼刚度K″，损耗角α。

图1 疲劳试验加载装置示意图

根据阻尼器出厂时的性能指标(7Hz±1mm，弹性刚度K′=380±20%N/mm，损耗角α≥26°)，试验结束的判据定为动态弹性刚度K′变化下降超过20%或者阻尼器外观出现明显损伤[3]。

4 结果与分析

在完成500h(100个加载谱块)疲劳寿命试验后，对阻尼器进行刚度测试，若动态弹性刚度变化超过20%，终止试验。试验结果如表5所示。

橡胶材料出厂后隔一段时间就会出现硬化现象，硬化的材料不能达到阻尼器性能指标要求。本文选取做完2个加载谱块后的阻尼器动态刚度值作为对比的初始值。

由于损耗角等于阻尼刚度与弹性刚度之比的反正切，对于小位移时弹性刚度上升，阻尼刚度下降会导致损耗角降低。

表5 阻尼器疲劳试验结果

5 结语

通过损伤等效原理将载荷级数较为繁琐的载荷谱进行简化合谱，在理论及工程试验中均可以实现，该方法对试验过程中的载荷加载级数进行了简化，既能够完整保留原始的损伤累积，获得真实有效的疲劳寿命，又极大地节省了试验时间，提高了效率。

参考文献：

[1] 武坤杨,卫 东,等. 旋翼液弹阻尼器模型试验与非线性动力学特性分析[J].南京航空航天大学学报,2011,43(3)：318-323.

[2] 穆志涛,曾本银,洪 蛟,等.直升机结构疲劳[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3] 徐 新，彭江水.直升机旋翼粘弹性阻尼器性能试验的实现[J].直升机技术,2007(3):92-95.