带负扭转的复合材料桨叶蒙皮分层裂纹尖端场分析

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1、第42卷第2期2010年4月南京航空航天大学JournalofNanjingUniversityofAeronautics&学报AstronauticsV01．42No．2Apr．2010带负扭转的复合材料桨叶蒙皮分层裂纹马存旺刘勇张呈林尖端(南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016)场分析摘要：蒙皮分层是复合材料菜叶疲劳破坏的主要形式。本文采用非线性菜叶结构模型，推导广义二雏下带负扭转的直升机菜叶蒙皮的位移方程及应力一应变关系；在此基础上，基于Stroh理论，采用各向异

2、性界面断裂力学分析了蒙皮存在分层裂纹时裂尖应力场和位移场的渐近解。通过数值算例分析了离心力作用下带不同负扭转桨叶蒙皮分层裂尖的振荡系数、应力场及应力强度因子，所得结果合理，表明本文方法可以为复舍材料莱叶蒙皮分层破坏提供分析依据。关键词：复合材料菜叶蒙皮；分层裂纹；界面断裂#应力强度因子中图分类号：0343．1文献标识码：A文章编号：1005—2615(2010)02—0244—06AnalysisofDelaminationCrackTipFieldsforCompositeBladeSkinswi

3、thUntwistMaCunwang，LiuYong，ZhangChenglin(NationalKeyLaboratoryofRotorcraftAeromeehanies，NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics，Nanjing，210016，China)Abstract：ThedelaminationOfskinsisthemainfatiguefailuretypeforcompositeblades．Thegeneral—izedtwo-dim

4、ensionaldisplacementequationsandstress—strainrelationshipsofbladeskinsoftheheli—copterwithuntwistarederivedbythenonlinearstructuralmodelforblades．BasedontheStrohformal—ism，theasymptoticsolutionsofstressfieldsandthedisplacementatthedelaminationcracktipa

5、reob—tainedbyapplyingtheinterfacialfracturemechanicsforanisotropicbimaterials．Theoscillatoryindexes，stressfieldsandstressintensityfactorsarenumericallyresearchedforthedelaminationcracktipofbladeskinswithinitialtwistonthecentrifugalforces．Thereasonabler

6、esultsindicatethatthemethodcanbeusedasthebasisforanalyzingthedelaminationfailureofcompositebladeskins．Keywords：compositebladeskins；delamiantioncracks；interiacialfracture；stressintensityfactors旋翼桨叶是直升机最重要的部件之一，由于其工作环境恶劣，疲劳寿命一直是人们关注的热点。复合材料的应用使旋翼桨叶寿命大幅提高

7、，但在实际使用中经常出现蒙皮分层等破坏形式。近几年一些研究者主要从动力学出发，考虑基体开裂、分层、纤维断裂致使桨叶刚度下降，进而导致各阶模态频率变化来研究桨叶的疲劳问题，文献[1—2]对这方面内容进行了分析。分层问题的实质是材料的层间裂纹问题，由于桨叶的载荷状态异常复杂，具体分析可参阅文献[3—5]，因此如何确定蒙皮层间裂纹尖端应力及应力强度因子，成为研究桨叶蒙皮分层的关键。本文采用各向异性界面断裂力学理论来研究这一问题。近20年来，国内外开展了多种方法研究界面裂纹问题。Qu等[6]用解析法得出了各

8、向异性双材料界面裂纹尖端的应力强度因子(SIF)的表达式。‘__。-。_。-__。。。。。。--__-____●___●_-●●_-___●___一收稿日期：2009—05一II；修订日期：2009—11．16作者简介：马存旺，男，博士研究生，1977年3月生}张呈林(联系人)，男，教授．博士生导师，E—mail：zeltae@nuaa．edu．en。第2期马存旺，等：带负扭转的复合材料桨叶蒙皮分层裂纹尖端场分析245Munz等[7]采用有限元计算了切口端应力场，该方