弹性杆端性能计算方法及验证

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1、总第180期2014年第3期直升机技术HEUCOP7rER7IECHNlQUETbtalNo．180No．32014文章编号：1673—1220(2014)03—D07旬6弹性杆端性能计算方法及验证董锦山，彭利乐，吴明忠，李满福(中国直升机设计研究所，江西景德镇333001)摘要弹性杆端技术是旋翼系统杆端关节轴承技术的一大进步。基于传统弹性元件工程计算方法，结合橡胶计算力学理论，创建了一套弹性杆端关节轴承性能计算方法，并且通过试验结果验证了其可行性。关键词弹性杆端；橡胶；压缩；拉伸；验证中图分类号：v215．2文献标识码：APem珊anceComputatiOnMeth

2、odofElastomericRodEndandItsVermcationDONGJinshan，PENGLile，WUMingzhong，LIManf．u(chi船HelicopterRese眦h舳dDevelop眦ntInstitute，Jingdezhen333001，china)Abstr舵tTheelastomericmdendtechnolog)risadevel叩mentoftIlejointballbeaIingtechnology．Inthispaper，acalculatingmethod0ftlleelastomericmdperfb珊ancewa

3、screated，whichw鹊basedontraditionalelastomericcomponentperfb珊ancecalculatingmetllodandmbbercomputationalme-ch粕icstheory．Andtllen，themetllodwascertifiedbytlletest．Keywordselastomericrodend；mbber；compression；stretching；VerificationO引言杆端关节轴承是直升机旋翼系统中不可或缺的零部件，传统的自润滑金属球铰关节轴承极易受到砂尘等异物侵入而被磨损，使用寿

4、命低等不足直接影响到直升机的出勤率和使用维护成本。弹性杆端技术作为一种全新的杆端关节轴承技术，由于其结构是采用金属／橡胶叠层结构，通过橡胶剪切变形来提供绕三轴旋转自由度，故其环境适应性好，尤其在防砂尘方面具有先天的优势，使用寿命也相对较高，而且可视情维护。另外，由于弹性体具有自回正功能，因而不会出现传统自润滑杆端外圈与其附近叉耳碰撞磨蚀的情况。弹性杆端技术是杆端轴承技术的一大进步，也是未来关节轴承的发展方向，在直升机旋翼系统的广泛应用将极大地提高直升机的环境适应性和使用寿命⋯。目前，国外对弹性杆端技术的掌握已基本成熟，在多个型号直升机上已有应用。但在国内，弹性杆端技术的

5、应用尚属空白，其研制技术基本处于起步阶段。本文提出一套计算弹性杆端主要性能的力学计算方法，并且通过试验验证其可行性。收稿日期：2014一04一15作者简介：董锦山(1988一)，男，江西婺源人，硕士，助理工程师，研究方向为旋翼系统设计。·8·直升机技术总第180期1弹性杆端性能特点2性能计算方法探究弹性杆端由三部分组成，内、外金属接头和内部弹性体结构。弹性杆端的关键部分同典型球柔性弹性轴承一样，是金属隔片和橡胶复合而成的弹性体叠层结构(如图1)。内金属接头弹性体(金属橡胶叠层结构)外金属接头图1弹性杆端结构示意图旋翼系统一般在阻尼器两端和变距拉杆两端采用杆端关节轴承，不

6、同应用部位对于弹性杆端的性能要求不是完全一样。比如应用于变距拉杆的话，为提高操纵线系刚度，需要弹性杆端有很高的径向刚度。总的来讲，弹性杆端在设计时应考虑径向刚度墨、扭转刚度K和弯曲刚度磁、％三方面性能(如图2)：足够大的径向刚度，非常小的扭转刚度和弯曲刚度。图2弹性杆端各方向力学性能示意图总的来说，相比于典型的球柔性弹性轴承，弹性杆端力学性能特点为径向承载时，橡胶层变形为压缩和拉伸变形的综合；弹性杆端的鼓形结构使得单向承载时，需要考虑压缩、剪切变形的复合应力计算状态。因此力学性能计算的难点之一为拉伸性能计算，这是典型弹性元件设计时未有考虑的领域；另外就是新的计算模型的创

7、建，能够简单合理地处理复合应力计算。2．1橡胶力学性能概述弹性杆端的力学性能集中在金属橡胶叠层结构的压缩、拉伸和剪切变形性能，但从根本上又集中在橡胶的力学性能上。天然橡胶材料是高度非线性的弹性材料，也即超弹性材料，本构关系大致如图3所示。R氇应变图3橡胶的典型应力一应变曲线由图中橡胶材料的仃一8曲线可以看出，应力应变关系呈非线性变化。根据Cauchy材料理论，由于橡胶材料的可逆性，可假设橡胶材料的应力应变一一对应的关系，即：盯=F(占)，占=八盯)(1)这样，橡胶的应力应变关系连续，而常规的表达材料本构关系的材料参数杨氏模量E和泊松比肛不