CN104802982B - 三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体成型的三维编织复合材料旋翼桨叶及其制作方法，桨叶由根部连接接头，桨叶上下翼面蒙皮和承载大梁这几个主要部件组成。桨叶整体结构采用碳纤维通过三维编织工艺一体成型，再通过RTM工艺进行整体固化，完成桨叶加工制作。同传统层合复合材料桨叶相比，本发明的桨叶方案无需二次胶接和机械加工，保证了桨叶结构内部承载纤维的连续性，提高了结构承载效率，同时充分发挥了三维编织复合材料的优势，避免了层合复合材料的分层和胶接失效的问题，提高了桨叶的疲劳性能和损伤容限。

Description

三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶及其制作方法

技术领域

本发明提供一种采用三维编织工艺整体成型的复合材料旋翼桨叶。

背景技术

目前无人直升机使用的旋翼桨叶需要将上下翼面、承载大梁等主要部件先采用独立模具铺设碳纤维单向布或者编织布预成型后，再通过胶接或者共固化的方式最终成型。采用这种工艺方式制作桨叶工序复杂，且碳纤维布的铺设依赖于人工经验，生产效率低下，无法保证不同桨叶之间的均匀一致性，同时由于桨叶翼面和大梁等部件仅仅通过树脂粘接在一起，整体性较差，层间强度低，在受到较大的载荷或者外部冲击时容易出现分层破坏，无法充分发挥碳纤维材料的性能优势。而三维编织复合材料由于采用了三维整体织物作为承载增强体，可以通过编织工艺设计实现复杂结构件的一体化编织预成型，无需二次胶接和机械加工，克服了传统层合复合材料的分层问题，具有很高的抗疲劳性能和损伤容限，在制造复杂载荷条件下的主承力结构件方面拥有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了有效解决现有复合材料旋翼桨叶在加工工艺和承载性能方面的不足，提高桨叶承载部件的整体性，保证桨叶载荷可以通过承载纤维进行有效传递。桨叶根部连接接头、上下翼面蒙皮以及承载大梁采用三维编织工艺进行一体化编织，通过编织台面形状和编织工艺设计保证桨叶主要部件的外形尺寸轮廓，纤维沙束在编织过程中保持连续，进而形成整体编织预成型件，再在桨尖位置安放配重管、配重铅块等部件，最后通过RTM(树脂传递模塑——Resin Transfer Molding)工艺进行固化成型。

本发明提出了一种使用三维编织工艺的复合材料旋翼桨叶，桨叶结构整体性较现有层合复合材料方案显著提高，根部连接接头、上下翼面蒙皮和承载大梁通过连续承载纤维沙束编织实现了一体化，避免了二次胶接导致结构承载刚度和强度的降低。

本发明提供了一种三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶，三维编织复合材料旋翼桨叶包括根部连接接头、上下翼面蒙皮、承载大梁、根部连接孔金属衬套、桨尖配重铅块和桨尖配重管。其中根部连接接头、上下翼面蒙皮和承载大梁属于复合材料部件，采用三维编织工艺一体化成型，编织过程中复合材料部件之间承载的纤维沙束连续，保证载荷传递的有效性；桨尖配重管、桨尖配重铅块和根部连接孔金属衬套属于金属部件，在完成复合材料部件的预成型件编织后，通过模具固定在预成型件的相应位置，再通过RTM工艺与编织预成型件共固化成型。

根部连接接头采用单孔耳片样式，耳片中心孔采用编织成型，固化定型之后无需二次机械加工，保证内部纤维沿载荷方向连续，根部连接接头完成编织预成型之后在其中心孔嵌入根部连接孔金属衬套，通过调整根部连接孔金属衬套保证耳片中心孔的位置和尺寸公差。

编织过程中上下翼面蒙皮承载纤维与根部连接接头承载纤维保持连续，通过编织台面合理布置实现桨叶上下翼面蒙皮和承载大梁的一体化编织成型，编织过程中保持上下翼面蒙皮外形与理论气动外形的拓扑结构一致，然后在RTM工艺过程中通过外模具对上下翼面蒙皮外形进行精确定型，保证桨叶固化成型之后的上下翼面蒙皮外形与理论气动外形误差控制在可接受范围内。

所述的三维编织复合材料旋翼桨叶的制作方法，具体步骤如下：

步骤1：桨叶编织工艺设计：

根据桨叶的载荷形式和几何结构确定不同部位的编织工艺，对编织过程中的纤维纱束走向以及不同编织工艺步编织机台面形状进行设计，确定桨叶编织工艺方案。

步骤2：准备编织所需的纤维纱束和编织机台面：

根据桨叶的编织工艺方案确定所需纤维纱束的数量并根据纤维纱束的编织路径估算不同纤维纱束所需长度；按照编织部件的拓扑截面形状和编织方式摆放每一编织工艺步所需的编织机台面。

步骤3：进行桨叶根部连接接头的编织成型：

桨叶根部连接接头采用矩形编织机台面进行编织预成型，编织过程中通过局部逐渐加纱的方式保证桨叶根部的几何轮廓尺寸。

步骤4：桨叶上下翼面蒙皮与承载大梁一体化编织成型：

由于桨叶根部连接接头与桨叶上下翼面蒙皮部分几何拓扑结构不同，在完成桨叶根部连接接头编织预成型之后，需改换编织台面，进行二次挂纱操作，然后才能对桨叶上下翼面蒙皮和承载大梁进行编织直至完成整个桨叶的预成型。

步骤5：安放金属部件：

在预成型桨叶的相应位置安放根部连接孔金属衬套、桨尖配重铅块和桨尖配重管等部件，并通过模具进行精确定位，保证部件位置误差不超过0.1毫米，同时在桨叶内部空腔填充泡沫芯；

步骤6：桨叶整体RTM固化成型：

闭合模具并进行密封处理，通过RTM设备向模具内注入固化树脂，然后将模具置于加热烘箱中并根据树脂的固化工艺要求进行加热固化，完成三维编织复合材料旋翼桨叶的制备。

同传统层合复合材料桨叶相比，本发明的桨叶方案无需二次胶接和机械加工，保证了桨叶结构内部承载纤维的连续性，提高了结构承载效率，同时充分发挥了三维编织复合材料的优势，避免了层合复合材料的分层和胶接失效的问题，提高了桨叶的疲劳性能和损伤容限。

附图说明

图1是本发明三维编织复合材料旋翼桨叶内部结构示意图；

图2是本发明三维编织复合材料旋翼桨叶翼型截面示意图；

图3是本发明三维编织复合材料旋翼桨叶根部编织初始成型面及成型方向示意图；

图4是本发明三维编织复合材料旋翼桨叶根部编织预成型件局部加纱区域示意图；

图5是本发明三维编织复合材料旋翼桨叶翼型结构组合编织台面示意图。

图中：

1、根部连接接头； 2、上下翼面蒙皮； 3、承载大梁；

4、根部连接孔金属衬套； 5、桨尖配重铅块； 6、桨尖后缘配重管。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1和图2，本发明提供一种三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶，所述旋翼桨叶的根部连接接头1、上下翼面蒙皮2、承载大梁3和根部连接孔金属衬套4是在编织过程中一体成型结构。如图2所示，编织纱束连续贯穿于承载大梁3和上下翼面蒙皮2，保证了这两个部件在编织过程中一体成型。

本发明还提供一种所述的三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，具体步骤如下：

步骤1：桨叶编织工艺设计：

根据桨叶的载荷形式，采用三维五向或者三维全五向工艺进行编织，碳纤维材料采用T300纤维或者T700纤维。根据桨叶不同部位的几何形状确定编织台面，其中根部连接接头1采用矩形编织台面进行编织，上下翼面蒙皮2和承载大梁3由于形状比较复杂，采用组合编织台面进行编织；根据桨叶不同部位的几何结构尺寸确定不同部位所需编织纱和轴向纱数量，其中编织纱长度为桨叶总长除以编织角余弦值后长度的1.2～1.5倍，轴向纱长度为桨叶总长的1.2～1.5倍。所述编织角一般为20～40度。

所述的组合编织台面是指根据图2所示桨叶截面几何拓扑构型设置，如图5所示，组合编织台面从桨叶前缘到后缘依次为一个半圆形编织台面、一个“工”字型编织台面、两个矩形编织台面以及一个梯形编织台面。所述的半圆形编织台面对应桨叶前缘轮廓，所述的工字型编织台面和两个矩形编织台面对应桨叶上下翼面蒙皮轮廓，所述的梯形编织台面对应桨叶后缘轮廓。所述工字型编织台面是由三个矩形编织台面组成的，所述的梯形编织台面是由尺寸变化的多个矩形编织台面组合而成。

步骤2：准备编织所需的纤维纱束和编织机台面：

根据桨叶编织工艺确定的纤维纱束包括编织纱和轴向纱的数量和长度准备所需纤维纱束；按照编织部件的拓扑截面形状和编织方式摆放每一编织工艺步骤所需的编织机台面。

步骤3：进行桨叶根部连接接头1编织成型：

桨叶根部连接接头1为单孔耳片结构形式，采用矩形编织机台面进行编织预成型，编织成型路径如图3所示，首先根据设计好的编织工艺将纤维纱束挂装到矩形编织台面指定位置的携纱器上，将耳片外缘弧沿桨叶轴线方向的平分面作为初始成型面，并进行耳片外圆弧编织，编织方向为开始时沿着耳片外缘弧方向，然后为桨叶轴线方向。然后再通过对中间区域采用加纱工艺实现耳片中心孔的封闭，中间区域如图4所示，所述的中间区域是指从耳片中心孔轴线开始，沿着桨叶轴线方向延伸的、宽度为中心孔直径的条状区域。耳片中心孔的封闭之后根据桨叶根部连接接头1的几何外形通过逐渐加纱的方式进一步完成整个桨叶根部的预成型。

步骤4：桨叶上下翼面蒙皮与承载大梁一体化编织成型：

桨叶根部连接接头1编织预成型完成之后，将编织纤维纱束从桨根矩形编织台面转移至图5所示组合编织台面上，转移过程中需要进行纤维纱束的二次挂装操作，根据编织工艺方案确定每一根纤维纱束在组合编织台面中的位置，然后对桨叶上下翼面蒙皮2和承载大梁3进行编织直至完成整个桨叶的预成型。

步骤5：安放桨叶根部连接接头1和桨尖位置的金属部件：

在预成型桨叶的相应位置安放根部连接孔金属衬套4、配重铅块5和配重管6等部件，并通过模具进行精确定位，保证部件位置误差不超过0.1毫米，同时在桨叶内部空腔填充泡沫芯；

步骤6：桨叶整体RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递模塑成型)固化成型：

闭合模具并进行密封处理，通过RTM设备向模具内注入环氧固化树脂，然后将模具置于加热烘箱中并根据树脂的固化工艺要求进行加热固化，完成三维编织复合材料旋翼桨叶的制备。

Claims (7)

1.三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶，包括根部连接接头、上下翼面蒙皮、承载大梁、根部连接孔金属衬套、桨尖配重铅块和桨尖配重管；其特征在于：根部连接接头、上下翼面蒙皮和承载大梁属于复合材料部件，采用三维编织工艺一体化成型，编织过程中复合材料部件之间承载的纤维纱束连续。

2.三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，具体步骤如下：

步骤1：桨叶编织工艺设计：

根据桨叶的载荷形式和几何结构确定不同部位的编织工艺，对编织过程中的纤维纱束走向以及不同编织工艺步编织台面形状进行设计，确定桨叶编织工艺方案；

步骤2：准备编织所需的纤维纱束和编织台面：

根据桨叶的编织工艺方案确定所需纤维纱束的数量并根据纤维纱束的编织路径估算不同纤维纱束所需长度；按照编织部件的拓扑截面形状和编织方式摆放每一编织工艺步所需的编织台面；

步骤3：进行桨叶根部连接接头的编织成型：

桨叶根部连接接头采用矩形编织台面进行编织预成型，编织过程中通过局部逐渐加纱的方式保证桨叶根部的几何轮廓尺寸；

步骤4：桨叶上下翼面蒙皮与承载大梁一体化编织成型：

由于桨叶根部连接接头与桨叶上下翼面蒙皮部分几何拓扑结构不同，在完成桨叶根部连接接头编织预成型之后，需改换编织台面，进行二次挂纱操作，然后才能对桨叶上下翼面蒙皮和承载大梁进行编织直至完成整个桨叶的预成型；

步骤5：安放金属部件：

在预成型桨叶的相应位置安放根部连接孔金属衬套、桨尖配重铅块和桨尖配重管，并通过模具进行精确定位，同时在桨叶内部空腔填充泡沫芯；

步骤6：桨叶整体RTM固化成型。

3.根据权利要求2所述的三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，其特征在于：步骤1中，所述的编织工艺采用三维五向或者三维全五向工艺；碳纤维材料采用T300纤维或者T700纤维；根部连接接头采用矩形编织台面进行编织，上下翼面蒙皮和承载大梁采用组合编织台面进行编织；编织纱长度为桨叶总长除以编织角余弦值后长度的1.2～1.5倍，轴向纱长度为桨叶总长的1.2～1.5倍。

4.根据权利要求3所述的三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，其特征在于：所述编织角为20～40度。

5.根据权利要求3所述的三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，其特征在于：所述的组合编织台面是指根据桨叶截面几何拓扑构型设置，组合编织台面从桨叶前缘到后缘依次为一个半圆形编织台面、一个工字型编织台面、两个矩形编织台面以及一个梯形编织台面；所述的半圆形编织台面对应桨叶前缘轮廓，所述的工字型编织台面和两个矩形编织台面对应桨叶上下翼面蒙皮轮廓，所述的梯形编织台面对应桨叶后缘轮廓。

6.根据权利要求5所述的三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，其特征在于：所述的工字型编织台面是由三个矩形编织台面组成的，所述的梯形编织台面是由尺寸变化的多个矩形编织台面组合而成。

7.根据权利要求2所述的三维编织复合材料整体成型旋翼桨叶的制作方法，其特征在于：所述的进行桨叶根部连接接头的编织成型的路径：

首先根据设计好的编织工艺将纤维纱束挂装到矩形编织台面指定位置的携纱器上，将耳片外缘弧沿桨叶轴线方向的平分面作为初始成型面，并进行耳片外圆弧编织，编织方向为开始时沿着耳片外缘弧方向，然后为桨叶轴线方向；然后再通过对中间区域采用加纱工艺实现耳片中心孔的封闭，所述的中间区域是指从耳片中心孔轴线开始，沿着桨叶轴线方向延伸的、宽度为中心孔直径的条状区域；耳片中心孔的封闭之后根据桨叶根部连接接头的几何外形通过逐渐加纱的方式进一步完成整个桨叶根部的预成型。