[发明专利]一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法

权利要求书

1.一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，螺旋桨包括桨毂以及设在桨毂外周面的若干叶片，叶片由连续纤维预浸料堆叠铺设而成，桨毂由金属嵌件以及多层缠绕在金属嵌件外部的连续纤维预浸料组成，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、叶片的几何处理与叶片形状设计

（1）叶片的几何处理：

提取螺旋桨的几何中面，作为螺旋桨设计的基准曲面；将叶片位于几何中面以上的部分定义为叶片上半部，将叶片位于几何中面以下的部分定义为叶片下半部；将桨毂位于两个相邻叶片之间、基准曲面外侧的部分定义为连续区域；通过三维软件将每相邻两片的叶片中的前一个叶片下半部、后一个叶片上半部与两个叶片之间的连续区域整合为一个整体结构，并将该整体结构定义为预型叶片；

（2）叶片铺层设计：

建立全局坐标系：以桨毂的中心轴线为Z轴，以螺旋桨的底面为XOY平面，用于铺层设计，利用铺层设计软件，以步骤（1）定义的预型叶片的下表面为模具面，以预型叶片的上表面为限制面，进行铺层设计；

建立局部坐标系：以叶片的母线为x’轴，以预型叶片的外轮廓线几何中心为坐标原点，以限制面指向预型叶片内部的法线方向为z’轴，用于铺层角度设计，在预型叶片的上半部或下半部分别建立平面内局部坐标系，叶面上纤维铺层采用对称或反对称角铺层结构形式；

连续纤维预浸料制成的预浸料片的厚度为d_p，从叶片底面完整的预浸料片依次向上，预浸料片的厚度递增，在叶片的预定位置设置开剪操作，输出预浸料片的平面展开图，对预浸料片进行排序，从靠近预型叶片底面起始，向靠近预型叶片顶面的部位依次采用顺序标记，编号顺序从1开始，依次为2、3、4……，叶片的总料片数用n表示，若螺旋桨叶片的根部的总厚度为d_r，则，向上取整；其中，N为压缩附加裕量层数，d_r与d_p的单位均为mm；

（3）连续区域铺层设计，此部分包涵两部分内容：

Ⅰ、在步骤（2）的叶片铺层设计中，若叶片的总厚度小于桨毂厚度的1/2，将此厚度差记为Δd，连续区域需要添加的预浸料片的层数为Δd/d_p，向上取整，标记为；以桨毂的中心轴线为x轴方向，以连续区域外轮廓线的几何中心点为坐标原点建立直角坐标系，用铺层设计软件对连续区域进行铺层设计，得到其平面展开图形后，对料片进行排序，从靠近预型叶片底面起始，向靠近预型叶片顶面的部位依次采用顺序的英文字母标记，编号顺序从a开始，依次为b、c、d……，连续区域的总料片数用m表示，，其中，M为压缩附加层数；

Ⅱ、在步骤（2）的叶片铺层设计中，若叶片的总厚度大于桨毂厚度的1/2，将此厚度差记为Δd’，对预型叶片在连续区域部分进行裁剪，连续区域需要减去的层数为Δd’/d_p，向下取整，标记为；以桨毂的中心轴线为x轴方向，以连续区域外轮廓线中心点为坐标原点建立直角坐标系进行铺层设计，连续区域需要减去的总预浸料片数，负号代表需从叶面中进行连续区域预浸料片的布尔减法运算，预浸料片在第n-m层出现断开，断开为两个分离的料片层；其中，M为压缩附加层数；

步骤二、预成型体几何结构的制备

（1）叶片的制备：

根据步骤一的叶片的几何处理与叶片形状展开图，预先用自动下料机裁剪好预浸料片，并予以编号；然后加工叶片的预型模具，依据步骤一（3），在预型模具上对预浸料片进行铺放后开剪，保证叶片上半部和叶片下半部的连续性；铺放完成后压实，制备完成后将叶片取下，重复该步骤i次，i为螺旋桨叶片数，直至所有叶片制备完成；

（2）桨毂的制备：

首先将胶膜紧密缠绕在金属嵌件外表面，然后通过预浸料片对金属嵌件进行缠绕，缠绕层数为1-10层；其次，通过预浸料片对金属嵌件凹槽位置进行填补、压实，最后在外层缠绕预浸料片，压实，制得桨毂；

步骤三、模压成型与制品处理

（1）将步骤二（1）与步骤二（2）制得的叶片与桨毂对接，在叶片与桨毂互相接触的内部有空隙位置通过连续纤维预浸料卷制长条后进行填补，两两叶片拼装组合，每两相邻叶片之间上叶面对应与下叶面相互合拢拼接；

（2）将制备完成的螺旋桨放入模压模具中，压制固化后进行打磨，制得连续纤维增强复合材料螺旋桨。