一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体及其制备方法

摘要

本发明涉及一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体及其制备方法，该复合材料螺旋桨预成型体相比于金属螺旋桨，复合材料螺旋桨叶片具有重量轻、耐腐蚀性好，水动力性能优越，其可以推迟空泡的发生，减少空泡的腐蚀，其声学特性优良，减小螺旋桨噪声，有利于提高舰艇的隐身性能。本发明中纤维套为主要承载机构，纤维套等厚度设计并覆盖整个叶片，利用本发明有效实现了复杂三维编织的准二维化，本发明有效避免了原有叶片导边和随边处的脱层剥离问题，其不仅减小了编织的难度、降低了成本，还能大幅度减轻螺旋桨叶片的自重，提高了螺旋桨叶片的外形精度。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶设备设计领域，尤其涉及一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体及其制备方法。

背景技术

目前，现有的复合材料螺旋桨的制备工艺常采用模压成型和RTM注塑工艺。但模压成型工艺制备的复合材料螺旋桨存在层间强度的问题，长久服役下易引发叶片导边和随边处的脱层剥离，降低工作效率，甚至失效。RTM注塑工艺常采用纤维布铺层或者编织方法进行预成型体的制作，若采用铺层的方式同样会产生导、随边处的脱层问题，而且由于注塑过程会使得铺层发生细微移动变化，也很难保证同一模具制备的所有桨叶内部结构完全一致从而引起振动噪声问题；另外对于船用螺旋桨这种外形复杂且精度要求较高的制品，三维编织预成型体的难度较大，成本较高。

发明内容

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体及其制备方法，不仅避免了导边、随边的脱层剥离问题，还大大减小了编制的难度，降低了成本，大幅度减轻螺旋桨叶片自重。

本发明所采用的技术方案如下：

一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体及其制备方法，包括以下步骤：

第一步：根据螺旋桨叶片的工作受载情况设计等厚度纤维套，所述等厚度纤维套为复合材料螺旋桨叶片预成型体的主承载部件；

第二步：根据第一步所得等厚度纤维套的厚度设计并制作芯模；

第三步：使用编织机以芯模为基础编织等厚度纤维套；

第四步：裁剪预浸料层片并粘贴于等厚度纤维套的外表面并进行修整，使所述预浸料修正至与螺旋桨叶片外形相同。

其进一步技术方案在于：

所述等厚度纤维套厚度分布一致；所述等厚度纤维套的设计包括厚度设计及纤维角度设计，所述等厚度纤维套的设计需要满足螺旋桨叶片的强度及变形要求；

所述芯模设计方法将螺旋桨叶片的叶面和叶背分别沿其表面负法线方向偏移；

所述偏移距离与纤维套厚度相同；

所述纤维套的编织需要达到纤维套的设计要求，所述纤维套的设计要求包括纤维套的厚度要求和纤维角度要求；

在第四步中，根据螺旋桨叶片外形型值计算出螺旋桨的厚度分布，利用三维造型软件绘制叶片等厚度分布曲线，将预浸料布剪裁成等厚度分布曲线的区域形状，各等厚度区域预浸料层片数量根据等厚度分布曲线的区域厚度及预浸料布厚度计算获得，预浸料层片的铺向角应与纤维套的铺向角一致；

复合材料螺旋桨叶片预成型体包括内部用于支撑编制的复合材料芯膜及包裹于所述复合材料芯膜的等厚度纤维套，于所述等厚度纤维套的外周还粘接预浸料层；

所述纤维套材料采用高强度碳纤维材料制成，所述预浸料布为高强度碳纤维预浸料布；

所述芯模由数控切削泡沫芯材、以及敷设于所述泡沫芯材外表面的一层玻璃铺层组成；

本发明的有益效果如下：

相比于金属螺旋桨，复合材料螺旋桨叶片具有重量轻、耐腐蚀性好，水动力性能优越，其可以推迟空泡的发生，减少空泡的腐蚀，其声学特性优良，减小螺旋桨噪声，有利于提高舰艇的隐身性能。本发明中纤维套为主要承载机构，纤维套等厚度设计并覆盖整个叶片，利用本发明有效实现了复杂三维编织的准二维化，本发明有效避免了原有叶片导边和随边处的脱层剥离问题，其不仅减小了编织的难度、降低了成本，还能大幅度减轻螺旋桨叶片的自重，提高了螺旋桨叶片的外形精度。

附图说明

图1为本发明中预成型体的结构示意图。

图2为本发明中预成型体横剖面的结构示意图。

其中：1、等厚度纤维套；2、芯模；3、预浸料层。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体包括内部用于支撑编织的复合材料芯模2及包裹于复合材料芯模的等厚度纤维套1，于等厚度纤维套1的外周还粘接预浸料层3。等厚度纤维套1的材料采用高强度模碳纤维材料制成。芯模2由数控切削泡沫芯材、并于泡沫芯材外表面敷设一层玻璃铺层。

实施例1：

如图1、图2所示，一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体制备方法包括以下步骤：

第一步：利用CFD软件计算螺旋桨叶片的在设计工况下的水动力载荷，进而设计等厚度纤维套1，上述等厚度纤维套1的厚度为5mm，纤维角度为[0/30/0/30]s。经有限元软件校核，该等厚度纤维套1的设计满足螺旋桨叶片的强度及变形要求。

第二步：根据第一步所得等厚纤维套1的厚度设计并制作芯模，芯模设计方法为利用三维造型软件将螺旋桨叶片叶面和叶背分别沿负法线方向偏移5mm(该偏移距离与上述纤维套1的厚度相同)，获得芯模2的外形(如图1中芯模2的外形示意图)，并采用泡沫夹芯外敷玻璃钢蒙皮的方法制作该芯模2，该芯模泡沫夹芯材料为PVC泡沫，外敷的玻璃钢蒙皮厚度0.5mm。

第三步：在芯模2的基础上使用编织机编织等厚度纤维套，材料为碳纤维T700。等厚度纤维套的编织需要达到纤维套的设计要求，即等厚度纤维套厚度5mm，纤维角度为[0/30/0/30]s。

第四步：该步骤中首先根据螺旋桨叶片外形型值，利用三维造型软件绘制叶片三维模型，获得0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm的等厚度分布曲线，将碳纤维预浸料布剪裁成所述等厚度分布曲线的区域形状，各等厚度区域预浸料层片数量根据该区域厚度结合预浸料布的厚度0.5mm计算获得，分别为1～10层。层片的铺向角应与纤维套的铺向角一致，也即[0/30/0/30]s。将各层片按照顺序粘贴在纤维套的外表面，利用该预浸料层片修正预成型体外形至与螺旋桨叶片外形相同，完成预成型的制作。

完成的预成型体经RTM工艺固化成型后，进行了外形检测和强度试验。经检测，叶片外形满足船用螺旋桨几何尺寸2级公差，其强度和变形也满足要求。且相比于铝合金螺旋桨单叶片4.8kg的自重，该复合材料螺旋桨单叶片自重2.8kg，减重42％，且工艺简单，生产效率较高。

实施例2(针对直径500mm的螺旋桨设计)：

如图1、图2所示，一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体制备方法包括以下步骤：

第一步：利用CFD软件计算螺旋桨叶片的在设计工况下的水动力载荷，进而设计等厚度纤维套1，上述等厚度纤维套1的厚度为3mm，纤维角度为[-30/0/45/-30/0/45]s。经有限元软件校核，该等厚度纤维套1的设计满足螺旋桨叶片的强度及变形要求。

第二步：根据第一步所得等厚纤维套1的厚度设计并制作芯模，芯模设计方法为利用三维造型软件将螺旋桨叶片叶面和叶背分别沿负法线方向偏移3mm(该偏移距离与上述纤维套1的厚度相同)，获得芯模2的外形(如图1中芯模2的外形示意图)，并采用泡沫夹芯外敷玻璃钢蒙皮的方法制作该芯模2，该芯模泡沫夹芯材料为PVC泡沫，外敷的玻璃钢蒙皮厚度0.1mm。

第三步：在芯模2的基础上使用编织机编织等厚度纤维套，材料为碳纤维T300。等厚度纤维套的编织需要达到纤维套的设计要求，即等厚度纤维套厚度3mm，纤维角度为[-30/0/45/-30/0/45]s。

第四步：该步骤中首先根据螺旋桨叶片外形型值，利用三维造型软件绘制叶片三维模型，获得0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm的等厚度分布曲线，将预浸料布剪裁成所述等厚度分布曲线的区域形状，各等厚度区域层片数量根据该区域厚度结合预浸料布的厚度0.5mm计算获得，分别为1～6层。层片的铺向角应与纤维套的铺向角一致，也即[-30/0/45/-30/0/45]s。将各层片按照顺序粘贴在纤维套的外表面，利用该预浸料层片修正预成型体外形至与螺旋桨叶片外形相同，完成预成型的制作。

完成的预成型体经RTM工艺固化成型后，进行了外形检测和强度试验。经检测，叶片外形满足船用螺旋桨几何尺寸2级公差，其强度和变形也满足要求。且相比于铝合金螺旋桨单叶片3.2kg的自重，该复合材料螺旋桨单叶片自重1.7kg，减重47％，且工艺简单，生产效率较高。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。