[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

说明书

一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，本发明采用连续纤维预浸料片包覆金属嵌件，通过模压工艺实现复合材料螺旋桨的一次成型。制备预型模具进行复合材料叶片的预型过程，保证叶片与桨毂连接的连续性，降低复合材料螺旋桨的制造周期与成本，提高产品质量，达到了螺旋桨叶片材料轻质化和减声降噪的实际使用要求。通过本发明实现的螺旋桨，叶片为连续纤维整体叶片，叶片、桨毂部分整体相连，避免了二次界面的出现，能够有效提高其机械稳定可靠性。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法。

背景技术

现有的复合材料螺旋桨一般为组合式结构，即分别制备桨叶和桨毂，然后通过榫结或插接等连接方式进行拼装，在根部区域二次处理，得到复合材料螺旋桨。通过组装后成型的螺旋桨叶片在叶根处纤维不连续，叶根是螺旋桨叶片承力的关键部位；组合式螺旋桨在装配过程中存在二次界面，运动过程中容易产生振动疲劳。专利CN101704302涉及一种适用于RTM注射成型工艺成型的螺旋桨叶片模具制造方法，通过模具设计与纤维预成型体铺放，在50-60MPa压力下进行树脂的注射。一体成型的连续纤维螺旋桨需要进行预成型体的三维编制，通过RTM工艺实现，价格昂贵，生产效率较低。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提供了一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，保证叶片与桨毂连接的连续性。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：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，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：

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；