一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，該復合材料螺旋槳預成型體相比于金屬螺旋槳，復合材料螺旋槳葉片具有重量輕、耐腐蝕性好，水動力性能優(yōu)越，其可以推遲空泡的發(fā)生，減少空泡的腐蝕，其聲學特性優(yōu)良，減小螺旋槳噪聲，有利于提高艦艇的隱身性能。本發(fā)明中纖維套為主要承載機構，纖維套等厚度設計并覆蓋整個葉片，利用本發(fā)明有效實現(xiàn)了復雜三維編織的準二維化，本發(fā)明有效避免了原有葉片導邊和隨邊處的脫層剝離問題，其不僅減小了編織的難度、降低了成本，還能大幅度減輕螺旋槳葉片的自重，提高了螺旋槳葉片的外形精度。
【專利說明】
一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及船舶設備設計領域，尤其涉及一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前，現(xiàn)有的復合材料螺旋槳的制備工藝常采用模壓成型和RTM注塑工藝。但模壓成型工藝制備的復合材料螺旋槳存在層間強度的問題，長久服役下易引發(fā)葉片導邊和隨邊處的脫層剝離，降低工作效率，甚至失效。RTM注塑工藝常采用纖維布鋪層或者編織方法進行預成型體的制作，若采用鋪層的方式同樣會產(chǎn)生導、隨邊處的脫層問題，而且由于注塑過程會使得鋪層發(fā)生細微移動變化，也很難保證同一模具制備的所有槳葉內(nèi)部結(jié)構完全一致從而引起振動噪聲問題；另外對于船用螺旋槳這種外形復雜且精度要求較高的制品，三維編織預成型體的難度較大，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本
【申請人】針對上述現(xiàn)有問題，進行了研究改進，提供一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，不僅避免了導邊、隨邊的脫層剝離問題，還大大減小了編制的難度，降低了成本，大幅度減輕螺旋槳葉片自重。
[0004]本發(fā)明所采用的技術方案如下:
[0005]—種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，包括以下步驟:
[0006]第一步:根據(jù)螺旋槳葉片的工作受載情況設計等厚度纖維套，所述等厚度纖維套為復合材料螺旋槳葉片預成型體的主承載部件；
[0007]第二步:根據(jù)第一步所得等厚度纖維套的厚度設計并制作芯模；
[0008]第三步:使用編織機以芯模為基礎編織等厚度纖維套；
[0009]第四步:裁剪預浸料層片并粘貼于等厚度纖維套的外表面并進行修整，使所述預浸料修正至與螺旋槳葉片外形相同。
[0010]其進一步技術方案在于:
[0011]所述等厚度纖維套厚度分布一致;所述等厚度纖維套的設計包括厚度設計及纖維角度設計，所述等厚度纖維套的設計需要滿足螺旋槳葉片的強度及變形要求；
[0012]所述芯模設計方法將螺旋槳葉片的葉面和葉背分別沿其表面負法線方向偏移；
[0013]所述偏移距離與纖維套厚度相同；
[0014]所述纖維套的編織需要達到纖維套的設計要求，所述纖維套的設計要求包括纖維套的厚度要求和纖維角度要求；
[0015]在第四步中，根據(jù)螺旋槳葉片外形型值計算出螺旋槳的厚度分布，利用三維造型軟件繪制葉片等厚度分布曲線，將預浸料布剪裁成等厚度分布曲線的區(qū)域形狀，各等厚度區(qū)域預浸料層片數(shù)量根據(jù)等厚度分布曲線的區(qū)域厚度及預浸料布厚度計算獲得，預浸料層片的鋪向角應與纖維套的鋪向角一致；
[0016]復合材料螺旋槳葉片預成型體包括內(nèi)部用于支撐編制的復合材料芯膜及包裹于所述復合材料芯膜的等厚度纖維套，于所述等厚度纖維套的外周還粘接預浸料層；
[0017]所述纖維套材料采用高強度碳纖維材料制成，所述預浸料布為高強度碳纖維預浸料布；
[0018]所述芯模由數(shù)控切削泡沫芯材、以及敷設于所述泡沫芯材外表面的一層玻璃鋪層組成；
[0019]本發(fā)明的有益效果如下:
[0020]相比于金屬螺旋槳，復合材料螺旋槳葉片具有重量輕、耐腐蝕性好，水動力性能優(yōu)越，其可以推遲空泡的發(fā)生，減少空泡的腐蝕，其聲學特性優(yōu)良，減小螺旋槳噪聲，有利于提高艦艇的隱身性能。本發(fā)明中纖維套為主要承載機構，纖維套等厚度設計并覆蓋整個葉片，利用本發(fā)明有效實現(xiàn)了復雜三維編織的準二維化，本發(fā)明有效避免了原有葉片導邊和隨邊處的脫層剝離問題，其不僅減小了編織的難度、降低了成本，還能大幅度減輕螺旋槳葉片的自重，提高了螺旋槳葉片的外形精度。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明中預成型體的結(jié)構示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明中預成型體橫剖面的結(jié)構示意圖。
[0023]其中:1、等厚度纖維套;2、芯模;3、預浸料層。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0025]如圖1、圖2所示，一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體包括內(nèi)部用于支撐編織的復合材料芯模2及包裹于復合材料芯模的等厚度纖維套I，于等厚度纖維套I的外周還粘接預浸料層3。等厚度纖維套I的材料采用高強度模碳纖維材料制成。芯模2由數(shù)控切削泡沫芯材、并于泡沫芯材外表面敷設一層玻璃鋪層。
[0026]實施例1:
[0027]如圖1、圖2所示，一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體制備方法包括以下步驟:
[0028]第一步:利用CR)軟件計算螺旋槳葉片的在設計工況下的水動力載荷，進而設計等厚度纖維套1，上述等厚度纖維套I的厚度為5mm，纖維角度為[0/30/0/30]s。經(jīng)有限元軟件校核，該等厚度纖維套I的設計滿足螺旋槳葉片的強度及變形要求。
[0029]第二步:根據(jù)第一步所得等厚纖維套I的厚度設計并制作芯模，芯模設計方法為利用三維造型軟件將螺旋槳葉片葉面和葉背分別沿負法線方向偏移5mm(該偏移距離與上述纖維套I的厚度相同)，獲得芯模2的外形(如圖1中芯模2的外形示意圖)，并采用泡沫夾芯外敷玻璃鋼蒙皮的方法制作該芯模2，該芯模泡沫夾芯材料為PVC泡沫，外敷的玻璃鋼蒙皮厚度0.5mmο
[0030]第三步:在芯模2的基礎上使用編織機編織等厚度纖維套，材料為碳纖維T700。等厚度纖維套的編織需要達到纖維套的設計要求，即等厚度纖維套厚度5mm，纖維角度為[0/30/0/30]So
[0031]第四步:該步驟中首先根據(jù)螺旋槳葉片外形型值，利用三維造型軟件繪制葉片三維模型，獲得0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm的等厚度分布曲線，
將碳纖維預浸料布剪裁成所述等厚度分布曲線的區(qū)域形狀，各等厚度區(qū)域預浸料層片數(shù)量根據(jù)該區(qū)域厚度結(jié)合預浸料布的厚度0.5mm計算獲得，分別為I?10層。層片的鋪向角應與纖維套的鋪向角一致，也即[0/30/0/30]s。將各層片按照順序粘貼在纖維套的外表面，利用該預浸料層片修正預成型體外形至與螺旋槳葉片外形相同，完成預成型的制作。
[0032]完成的預成型體經(jīng)RTM工藝固化成型后，進行了外形檢測和強度試驗。經(jīng)檢測，葉片外形滿足船用螺旋槳幾何尺寸2級公差，其強度和變形也滿足要求。且相比于鋁合金螺旋槳單葉片4.8kg的自重，該復合材料螺旋槳單葉片自重2.8kg，減重42 %，且工藝簡單，生產(chǎn)效率較高。
[0033]實施例2(針對直徑500mm的螺旋槳設計):
[0034]如圖1、圖2所示，一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體制備方法包括以下步驟:
[0035]第一步:利用CR)軟件計算螺旋槳葉片的在設計工況下的水動力載荷，進而設計等厚度纖維套1，上述等厚度纖維套I的厚度為3mm，纖維角度為[-30/0/45/-30/0/45]S。經(jīng)有限元軟件校核，該等厚度纖維套I的設計滿足螺旋槳葉片的強度及變形要求。
[0036]第二步:根據(jù)第一步所得等厚纖維套I的厚度設計并制作芯模，芯模設計方法為利用三維造型軟件將螺旋槳葉片葉面和葉背分別沿負法線方向偏移3mm(該偏移距離與上述纖維套I的厚度相同)，獲得芯模2的外形(如圖1中芯模2的外形示意圖)，并采用泡沫夾芯外敷玻璃鋼蒙皮的方法制作該芯模2，該芯模泡沫夾芯材料為PVC泡沫，外敷的玻璃鋼蒙皮厚度 0.Imnin
[0037]第三步:在芯模2的基礎上使用編織機編織等厚度纖維套，材料為碳纖維T300。等厚度纖維套的編織需要達到纖維套的設計要求，即等厚度纖維套厚度3mm，纖維角度為[-30/0/45/-30/0/45]So
[0038]第四步:該步驟中首先根據(jù)螺旋槳葉片外形型值，利用三維造型軟件繪制葉片三維模型，獲得0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm的等厚度分布曲線，將預浸料布剪裁成所述等厚度分布曲線的區(qū)域形狀，各等厚度區(qū)域?qū)悠瑪?shù)量根據(jù)該區(qū)域厚度結(jié)合預浸料布的厚度
0.5_計算獲得，分別為I?6層。層片的鋪向角應與纖維套的鋪向角一致，也即[-30/0/45/-30/0/45]s。將各層片按照順序粘貼在纖維套的外表面，利用該預浸料層片修正預成型體外形至與螺旋槳葉片外形相同，完成預成型的制作。
[0039]完成的預成型體經(jīng)RTM工藝固化成型后，進行了外形檢測和強度試驗。經(jīng)檢測，葉片外形滿足船用螺旋槳幾何尺寸2級公差，其強度和變形也滿足要求。且相比于鋁合金螺旋槳單葉片3.2kg的自重，該復合材料螺旋槳單葉片自重1.7kg，減重47%，且工藝簡單，生產(chǎn)效率較高。
[0040]以上描述是對本發(fā)明的解釋，不是對發(fā)明的限定，本發(fā)明所限定的范圍參見權利要求，在不違背本發(fā)明的基本結(jié)構的情況下，本發(fā)明可以作任何形式的修改。
【主權項】
1.一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步:根據(jù)螺旋槳葉片的工作受載情況設計等厚度纖維套，所述等厚度纖維套為復合材料螺旋槳葉片預成型體的主承載部件； 第二步:根據(jù)第一步所得等厚度纖維套的厚度設計并制作芯模； 第三步:使用編織機以芯模為基礎編織等厚度纖維套。2.第四步:裁剪預浸料層片并粘貼于等厚度纖維套的外表面并進行修整，使所述預浸料修正至與螺旋槳葉片外形相同。3.如權利要求1所述的一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，其特征在于:所述等厚度纖維套厚度分布一致;所述等厚度纖維套的設計包括厚度設計及纖維角度設計，所述等厚度纖維套的設計需要滿足螺旋槳葉片的強度及變形要求。4.如權利要求1所述的一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，其特征在于:所述芯模設計方法將螺旋槳葉片的葉面和葉背分別沿其表面負法線方向偏移。5.如權利要求4所述的一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，其特征在于:所述偏移距離與纖維套厚度相同。6.如權利要求1所述的一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，其特征在于:所述纖維套的編織需要達到纖維套的設計要求，所述纖維套的設計要求包括纖維套的厚度要求和纖維角度要求。7.如權利要求1所述的一種艦船復合材料螺旋槳葉片預成型體及其制備方法，其特征在于:在第四步中，根據(jù)螺旋槳葉片外形型值計算出螺旋槳的厚度分布，利用三維造型軟件繪制葉片等厚度分布曲線，將預浸料布剪裁成等厚度分布曲線的區(qū)域形狀，各等厚度區(qū)域預浸料層片數(shù)量根據(jù)等厚度分布曲線的區(qū)域厚度及預浸料布厚度計算獲得，預浸料層片的鋪向角應與纖維套的鋪向角一致。8.如權利要求1所述方法制備的復合材料螺旋槳葉片預成型體，其特征在于:包括內(nèi)部用于支撐編制的復合材料芯膜(2)及包裹于所述復合材料芯膜的等厚度纖維套(I)，于所述等厚度纖維套(I)的外周還粘接預浸料層(3)。9.如權利要求6所述方法制備的復合材料螺旋槳葉片預成型體，其特征在于:所述纖維套材料采用高強度碳纖維材料制成，所述預浸料布為高強度碳纖維預浸料布。10.如權利要求6所述方法制備的復合材料螺旋槳葉片預成型體，其特征在于:所述芯模由數(shù)控切削泡沫芯材、以及敷設于所述泡沫芯材外表面的一層玻璃鋪層組成。
【文檔編號】B29L31/08GK106079474SQ201610408962
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】李泓運, 王緯波
【申請人】中國船舶重工集團公司第七○二研究所