[发明专利]一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法

说明书

本发明涉及设计轴流叶片主梁技术领域，具体涉及一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法，包括以下步骤：S1：确定轴流叶片的载荷工况、外形尺寸、结构要求参数；S2：构建所述轴流叶片的结构模型，并选择所述轴流叶片的主梁、蒙皮、叶根的复合材料，确定复合材料的性能参数；S3：计算主梁主结构尺寸；S4：计算主梁蒙皮前缘、主梁蒙皮后缘的结构尺寸；S5：计算得到主梁铺层数和铺层顺序；S6：输出设计方案。本发明采用蒙皮主梁结构取代传统的“工”结构主梁，避免了腹板的使用，大幅度降低了制造难度和生产成本，同时通过考虑叶片的弯扭耦合效应，发挥出了复合材料可设计性的优势，提高了轴流叶片的结构效率，减低了轴流叶片的制造成本。

技术领域

本发明涉及设计轴流叶片主梁设计技术领域，具体涉及一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法。

背景技术

轴流风机，用途非常广泛，轴流式风机固定位置并使空气移动，就是与轴流叶片的轴同方向的气流，可应用于大型通风换热设备中，如冷却塔、风冷塔等。其中，轴流叶片为一种宽度、扭角变化平缓的宽弦叶片，大多包括叶根、梁、腹板和蒙皮等，其中叶根尺寸大多不足蒙皮宽度的1/3。轴流叶片为不规则的扭曲非对称壳体构件，是轴流风机的核心部件，其设计直接决定着整机的性能和制造成本。随着轴流机组单机通风换热容量的不断增加，轴流叶片越来越长，对其设计技术的要求也不断提高，在这一过程中，复合材料轴流叶片因具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳、轻质高强度等特性而得到广泛的应用。

轴流叶片设计可分为两个阶段，即气动设计阶段和结构设计阶段，在前一阶段通过选择轴流叶片几何最佳外形实现最大的通风目标，结构设计阶段包括轴流叶片复合材料选择和确定轴流叶片结构形式等，从而实现轴流叶片强度、刚度、稳定性等目标。结构设计过程包括初步结构设计、详细结构设计和优化、校核分析等。其中，初步结构设计包含了初始载荷的确定、轴流叶片形式设计、轴流叶片材料的选择、复合材料铺层厚度计算等内容。初步结构设计即要求快速合理确定轴流叶片结构，解决轴流叶片结构从无到有的问题，为后续的详细设计和优化提供原始参数和优化对象。

中国专利文献CN205559359A中公开了一种冷却风机叶片，由叶片吸力面和叶片压力面组成；所述叶片吸力面和叶片压力面上并于叶片轴线位置处分别为吸力面承力主梁及压力面承力主梁；所述叶片吸力面上并于吸力面承力主梁的两侧是吸力面轻质蒙皮；所述叶片压力面上并于压力面承力主梁的两侧是压力面轻质蒙皮；所述叶片吸力面和叶片压力面的前端用粘结剂相互面粘结，粘结处形成粘结面，两个前端粘结成为叶片前缘；所述叶片吸力面和叶片压力面的后端用粘结剂相互面粘结，粘结处形成粘结面，两个后端粘结成为叶片后缘。但上述结构还具有以下问题：1)为了支撑主梁设置了剪切肋，虽然剪切肋可以大幅提高复合材料轴流叶片结构的刚度，但同时也大幅度增加了制造难度和生产成本；2)上述结构未公开主梁的设计方法，而常规的主梁设计方法大多采用均衡铺层以确保复合材料面内各方向的性能一致，因而未能发挥复合材料可设计性的优势，材料利用率较低。

因此，针对以上不足，本发明急需提供一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法，以解决现有技术中结构复杂且为充分发挥复合材料优势导致材料利用率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提复合材料轴流叶片主梁的设计方法，以解决现有技术中结构复杂且为充分发挥复合材料优势导致材料利用率低的问题。

本发明提供的复合材料轴流叶片主梁的设计方法，包括以下步骤：

S1：确定轴流叶片的载荷工况、外形尺寸、结构要求参数；

S2：根据步骤S1中确定的外形尺寸、结构要求，构建所述轴流叶片的结构模型，并选择所述轴流叶片主梁的主结构、蒙皮、叶根的复合材料，确定复合材料的性能参数；

S3：根据步骤S1中的参数、步骤S2中所述复合材料的性能参数，计算主结构尺寸；

S4：根据步骤S1中的参数、步骤S2中所述复合材料的性能参数，计算蒙皮的结构尺寸；