CN107599443A - 一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法

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；

Ⅱ、在步骤（2）的叶片铺层设计中，若叶片的总厚度大于桨毂厚度的1/2，将此厚度差记为Δd’，对预型叶片在连续区域部分进行裁剪，连续区域需要减去的层数为Δd’/d_p，向下取整，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中心点为坐标原点建立直角坐标系进行铺层设计，连续区域需要减去的总预浸料片数，负号代表需从叶面中进行连续区域预浸料片的布尔减法运算，预浸料片在第n-m层出现断开，断开为两个分离的料片层；其中，M为压缩附加层数；

步骤二、预成型体几何结构的制备

（1）叶片的制备：

根据步骤一的叶片的几何处理与叶片形状展开图，预先用自动下料机裁剪好预浸料片，并予以编号；然后加工叶片的预型模具，依据步骤一（3），在预型模具上对预浸料片进行铺放后开剪，保证叶片上半部和叶片下半部的连续性；铺放完成后压实，制备完成后将叶片取下，重复该步骤i次，i为螺旋桨叶片数，直至所有叶片制备完成；

（2）桨毂的制备：

首先将胶膜紧密缠绕在金属嵌件外表面，然后通过预浸料片对金属嵌件进行缠绕，缠绕层数为1-10层；其次，通过预浸料片进行金属嵌件凹槽位置进行填补、压实，最后在外层缠绕预浸料片，压实，制得桨毂；

步骤三、模压成型与制品处理

（1）将步骤二（1）与步骤二（2）制得的叶片与桨毂对接，在叶片与桨毂互相接触的内部有空隙位置通过连续纤维预浸料卷制长条后进行填补，两两叶片拼装组合，每两相邻叶片之间上叶面对应与下叶面相互合拢拼接；

（2）将制备完成的螺旋桨放入模压模具中，压制固化后进行打磨，制得连续纤维增强复合材料螺旋桨。

本发明的螺旋桨直径为0.2-3.0m，叶片数量i=2-12；预浸料片的厚度d_p=0.1-0.80mm。

本发明中，步骤二（1）中，在模具上对预浸料片按照顺序进行铺放的操作为：预先铺放编号为a和1的预浸料片层，其余预浸料片贴覆顺序为步骤一（2）的叶片铺层料片与步骤一（3）的连续区域铺层料片依次叠放；其中，若连续区域的总料片数m＞0，则铺层顺序为a→1→a→1→b→2→c→3→d→4→e→5…；若连续区域的总料片数m＜0，则仅有叶片铺层，且铺层顺序为1→1→2→3→4→5…，第（n-m）层为两分离料片层。

本发明中，步骤二（1）中，压实的操作为：第一层预浸料片铺放完成后，通过抽真空预压实5-30min；前1-3层预浸料片铺放完成后，将叶片上半部沿宽度方向裁剪掉10-55mm的宽度，叶缘裁剪掉8-45mm的宽度；叶片下半部裁剪掉3-42mm的宽度；每隔4-10层预压实一次，压实时间为5-15min。

本发明中，步骤二（2）中，最后在外层缠绕预浸料片的缠绕厚度比金属嵌件的壁厚厚0.1-2mm；压实操作为：铺放过程中每隔4-10层预压实一次，压实时间为5-15min。

本发明中，步骤三（1）的所有叶片完成后，在叶片与桨毂接触的叶根部位、叶片的外缘部位采用碳纤维预浸料片进行补强，补强宽度为10-60mm，补强层数为1-3层。其中，进行补强的具体过程为：裁剪固定宽度10-60mm的预浸料片，贴覆于螺旋桨中叶片的根部，增强桨叶连接强度；裁剪与步骤二（1）压实操作中料片形状相同形状与宽度的裁剪料片，贴覆于螺旋桨桨叶外缘位置，防止剪切分层，补强宽度为10-60mm，补强层数为1-3层。

本发明中，步骤三（2）中，压制固化温度为80-180℃，压力为1-5MPa，固化时间为30-180min。

本发明中，预浸料片是由树脂基体浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物。所选取的连续纤维或为连续碳纤维或玻璃纤维；其中，树脂基体为乙烯基、环氧或酚醛热固性树脂体系，增强体结构为连续纤维、织物或单向带；金属嵌件所选取的金属材料体系为不锈钢或铜合金。

有益效果：本发明采用连续纤维预浸料片包覆金属嵌件，通过模压工艺实现一次成型复合材料螺旋桨，该方法通过合理设计，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，缩短复合材料螺旋桨叶片的成型周期，提高生产效率，降低成本。

成型后的螺旋桨叶片表面均匀、光滑，内部无缺陷，参考GB/T12916对螺旋桨叶片进行三维扫描比对检测，该复合材料螺旋桨叶片几何尺寸精度等级为S级，额定1200r/min下，螺旋桨无破坏，振动噪声较小，相比铜合金螺旋桨减重约60%。

附图说明

图1为螺旋桨的结构示意图；

图2为本发明步骤一（1）定义的预型叶片；

图3为金属嵌件的结构示意图；

图4为本发明步骤二（2）制备的桨毂的结构示意图；

图5为以桨毂的中心线为Z轴，以螺旋桨的底面为XOY平面的全局坐标系，螺旋桨纵剖面的示意图；

图6为图5中标示A的放大示意图；

图7为叶片铺层与纤维填充横剖面与局部坐标系示意图；

图8为图7中标示B的放大示意图；

图9为本发明步骤一（3）Ⅰ中铺层顺序示意图；

图10为本发明步骤一（3）Ⅱ中铺层顺序示意图。

附图标记：1、桨毂，2、几何中面，3、叶片下半部，4、叶片上半部，5、连续区域，6、金属嵌件，60、凸台，7、预浸料片，70、叶片区域料片层，71、连续区域料片层，72、桨毂区域料片层，8、叶片，9、模具型面，10、填充区域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，螺旋桨包括桨毂1以及设在桨毂1外周面的若干叶片8，本发明的螺旋桨直径为0.2-3.0m，叶片8的数量i=2-12。也可以适用于现有的其他尺寸的螺旋桨。

本发明的叶片8是由连续纤维预浸料片堆叠铺设而成，如图4所示，桨毂1是由金属嵌件6以及多层缠绕在金属嵌件6外部的连续纤维预浸料片组成。一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，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：

提取螺旋桨的几何中面2，作为螺旋桨设计的基准曲面；将叶片8位于几何中面2以上的部分定义为叶片上半部3，将叶片8位于几何中面2以下的部分定义为叶片下半部4，如图1所示；将桨毂位于两个相邻叶片8之间、基准曲面（几何中面2）外侧的部分定义为连续区域5，如图2所示；通过三维设计软件如Solid Works、UG、Pro/Engineer，将每相邻两片的叶片8中的前一个叶片下半部4、后一个叶片上半部3与两个叶片8之间的连续区域5整合为一个整体结构，并将该整体结构定义为预型叶片；

其中，几何中面定义：对于两个不重合的有限曲面，存在一个特定连续曲面，对于该特定曲面上任意一点处的法线与母面形成的线段中点在此曲面上，则称该曲面称为几何中面。

（2）叶片铺层设计：

建立全局坐标系，如图5所示，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（为现有已知技术），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，如图7所示，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，预浸料片的厚度d_p=0.1-0.80mm。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系列展开CAD图形，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；N取决于叶片厚度和预浸料纤维体积分数，叶片厚度越大或预浸料纤维体积分数较小时，N值应适当取大值。

（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料片层数为Δd/d_p，其中，连续区域需要添加的料片层数取Δd/d_p的向上取整的整数，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；M取决于叶片厚度和预浸料纤维体积分数，叶片厚度越大或预浸料纤维体积分数越小，M值应适当取大值。

Ⅱ、在步骤（2）的叶片铺层设计中，若叶片的总厚度大于桨毂厚度的1/2，将此厚度差记为Δd’，对预型叶片在连续区域部分进行裁剪，连续区域需要减去的层数为Δd’/dp，其中，连续区域需要添加的层数取Δd’/dp的向下取整的整数，标记为；以桨毂的轴线为x轴，以连续区域外轮廓线中心点为坐标原点建立直角坐标系进行铺层设计，连续区域需要减去的总预浸料片数，负号代表需从叶面中进行连续区域预浸料片的布尔减法运算，预浸料片在第n-m层出现断开，断开为两个分离的料片层；其中，M为压缩附加层数；

步骤二、预成型体几何结构的制备

（1）叶片的制备：

根据步骤一的叶片的几何处理与叶片形状设计中设计的系列CAD图纸，预先用自动下料机裁剪好预浸料片，并予以正确编号。加工预型模具，模具型腔面线性尺寸应当与预型叶片下表面保持一致。在预型模具上对预浸料片进行铺放和预型操作，依据步骤一（3）中铺层顺序在预型模具上对预浸料片进行铺放后开剪，保证叶片上半部和叶片下半部的连续性。预型叶片铺放过程中实际厚度应大于预型厚度0.2-1.2mm；铺放完成后压实，制备完成后将叶片取下，重复该步骤i次，i为螺旋桨叶片数，直至所有叶片制备完成；

其中，在模具上对预浸料片按照顺序进行铺放的操作为：预先铺放编号为a和1的预浸料片层，其余预浸料片贴覆顺序为步骤一（2）的叶片铺层料片与步骤一（3）的连续区域铺层料片依次叠放；其中，若连续区域的总料片数m＞0，则铺层顺序为a→1→a→1→b→2→c→3→d→4→e→5…；若连续区域的总料片数m＜0，则铺层顺序为1→1→2→3→4→5…，第（n-m）层为两分离料片层。

（2）桨毂的制备：

螺旋桨的桨毂由连续纤维预浸料缠绕金属嵌件而成，金属嵌件材质为与传动轴相匹配的合金。嵌件外表面进行物理处理，预浸料片与金属嵌件之间用胶膜相互连接。其中，如图3所示，金属嵌件6对应于螺旋桨叶片位置设有凸台60。

首先，将胶膜紧密缠绕在金属嵌件外表面，如图4所示，然后通过预浸料片7对金属嵌件6进行缠绕，缠绕层数为1-10层；其次，通过预浸料片7进行金属嵌件6上相邻凸台60之间形成的凹槽位置进行填补、压实，最后在外层缠绕预浸料片，压实，制得桨毂；其中，最后在外层缠绕预浸料片的缠绕厚度比金属嵌件的壁厚厚0.1-2mm；压实操作为：铺放过程中每隔4-10层预压实一次，压实时间为5-15min。

步骤三、模压成型与制品处理

（1）将步骤二（1）与步骤二（2）制得的叶片与桨毂对接，在叶片与桨毂互相接触的内部有空隙位置通过连续纤维预浸料卷制长条后进行填补，两两叶片拼装组合，每两相邻叶片之间上叶面对应与下叶面相互合拢拼接；所有叶片完成后，在叶片与桨毂接触的叶根部位、叶片的外缘部位采用碳纤维预浸料片进行补强，补强宽度为10-60mm，补强层数为1-3层。进行补强的具体过程为：裁剪固定宽度10-60mm的预浸料片，贴覆于螺旋桨中叶片的根部；裁剪与权利要求4中料片形状相同形状与宽度的裁剪料片，贴覆于螺旋桨桨叶外缘位置；补强宽度为10-60mm，补强层数为1-3层。

（2）将制备完成的螺旋桨放入模压模具中，压制固化完成后取出制品，打磨飞边，制得连续纤维增强复合材料螺旋桨；其中，压制固化温度为80-180℃，压力为1-5MPa，固化时间为30-180min。

其中，步骤二（1）中，压实的操作为：第一层预浸料片铺放完成后，通过抽真空预压实5-30min；前1-3层预浸料片铺放完成后，将叶片上半部沿宽度方向裁剪掉10-55mm的宽度，叶缘裁剪掉8-45mm的宽度；叶片下半部裁剪掉3-42mm的宽度；每隔4-10层预压实一次，压实时间为5-15min。

实施例1

一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，包括以下步骤：

沿通过三叶螺旋桨叶片中线的平面对螺旋桨进行几何纵剖（如图5所示），叶片靠近桨毂处厚度为26.67mm，叶片靠近外缘处厚度为6.72mm，螺旋桨叶片半径为200mm。

通过三维设计软件提取中面层，提取两个相邻叶片的中面进行旋转，并与螺旋桨做布尔运算，得到预型叶片三维图，如图1所示。

测量得预型叶片厚度最大区域为连续区域，约为18.24mm。选取单向纤维预浸料，所选取增强相为T700单向碳纤维，选取树脂为韧性环氧树脂，预浸料片的平均厚度为0.225mm。

进行叶片与连续区域铺层计算与设计，在叶片区域共需裁剪不同大小形状不同的叶片60层，在桨毂区域需裁剪大小形状不同的叶片共计22层。用铺层设计软件进行分析，得到复合材料铺层展开图，输入到自动裁剪机上下料，叶片的预浸料片的裁片序号从1到60，桨毂的预浸料片的裁片序号从a到v。

将裁剪的预浸料片在预型模具上进行几何形状的定型，在局部坐标系x’oy’下，叶片预浸料铺放方式为正交铺放,即铺层角度为[0/90]_21s，铺放顺序为a→1→a→1→b→2…v→22→23→24→25…60，前两层铺放完成之后，在上半部与叶缘处裁剪掉10mm的宽度，在下半部减掉5mm的宽度，铺放过程中每4层压实5min。重复上述过程共计三次，完成所有叶片的预型操作。

加工带有三个凸台60的金属嵌件6（图3列举了带有八个凸台的金属嵌件），金属嵌件6的内径尺寸为18mm；此外，金属嵌件6的内壁面设有宽度为10mm的键槽，键槽沿金属嵌件6的轴向设置；金属嵌件6的筒身壁厚为10mm，凸台60的高度为3.5mm，金属嵌件表面进行喷砂处理，用环氧胶膜均匀缠绕贴覆在钢嵌件外表面。

如图4所示，在两个凸台60之间贴覆16层预浸料，与凸台60平齐，然后在表面缠绕3层预浸料，铺放过程中每4层压实5min，缠绕完成之后，筒体厚度为14.5mm。

如图8所示，将叶片预成型体与筒体结构进行拼接，在两部分交界面区域产生的空隙即填充区域10内，填充预先卷制好的预浸料料棒，填充至无缝隙出现，重复该步骤3次直至所有叶片均拼接完成。对两两预型叶片拼接的叶缘处进行补强，补强料片宽度为10mm，补强层数为2层。将预型完成的复合材料螺旋桨装入模具后合模，放在压机上，施加1.5Mpa，温度保持135℃，固化时间为2h。固化完成后取出螺旋桨叶片，打磨飞边，表面喷涂环氧双组份防腐漆。其中，如图5和图6所示，记载了叶片区域料片层70、连续区域料片层71、桨毂区域料片层72。

成型后的螺旋桨叶片，表面均匀、光滑，内部无缺陷，参考GB/T12916对螺旋桨叶片进行三维扫描比对检测，该复合材料螺旋桨叶片几何尺寸精度等级为S级，额定1200r/min下不结构物破坏，振动噪声较小，相比铜合金螺旋桨减重约60%。

实施例2

一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，包括以下步骤：

沿通过三叶螺旋桨叶片中线的平面对螺旋桨进行几何纵剖，叶片靠近桨毂处厚度为64.73mm，叶片靠近叶缘处厚度为22.6mm，螺旋桨叶片半径为400mm。

通过三维设计软件提取中面层，提取两个相邻叶片的中面进行旋转，并与螺旋桨做布尔运算，得到预型叶片三维图。

测量得预型叶片厚度最大区域为叶根区域，厚度为32.37mm，连续区域厚度为28.44mm。选取单向纤维预浸料所选取增强相为T700碳纤维织物，选取树脂为韧性环氧树脂，平均厚度为0.280mm。

进行叶片与连续区域铺层计算与设计，在叶片区域共需裁剪不同大小形状不同的叶片116层，连续区域铺层m=-14，即叶片料片在第（116-14=102）层以后开始成为两半叶片，用铺层设计软件进行分析，得到复合材料铺层展开图，输入到自动裁剪机上下料。叶片裁片序号从1到116。

将裁剪的料片在预型模具上进行几何形状的定型，叶片预浸料铺放方式为角对称铺放，即铺层角为+45/-45/[+45/45/0/90]_14s/-45/+45，铺放顺序为1→1→2→3→…116（参照图10），前两层铺放完成之后在上半部与叶缘处裁剪掉15mm的宽度，在下半部减掉5mm的宽度，铺放过程中每4层压实5min。重复上述过程共计3次，完成所有叶片的预型操作。

加工带有三个凸起的金属嵌件，嵌件内径尺寸为36mm，内壁面有宽度为22mm的键槽，筒身壁厚为15mm，金属凸起高度为5.5mm，金属嵌件表面进行喷砂处理，用环氧胶膜均匀缠绕贴覆在钢嵌件外表面。在两个凸台之间贴覆20层预浸料，与凸台平齐，然后在表面缠绕3层预浸料，铺放过程中每4层压实5min，缠绕完成之后筒体厚度为21.3mm。

将叶片预成型体与筒体结构进行拼接，在两部分交界面区域产生的空隙填充预先卷制好的预浸料料棒，填充至无缝隙出现，重复该步骤直至所有叶片均拼接完成。对两两预型叶片拼接的叶缘处进行补强，补强料片宽度为15mm，补强层数为2层。将预型完成的复合材料螺旋桨装入模具后合模，放在压机上，施加2.0Mpa恒定压力，温度保持135℃，固化时间为2小时。固化完成后取出螺旋桨叶片，打磨飞边，表面喷涂环氧双组份防腐漆。

成型表面均匀、光滑，内部无缺陷，参考GB/T12916对螺旋桨叶片进行三维扫描比对检测，该复合材料螺旋桨叶片几何尺寸精度等级为S级。

实施例3

实施过程与实施例1基本相同，针对六叶螺旋桨进行分析设计后，重复铺放过程6次，施加2.5Mpa恒定压力，温度保持135℃，固化时间为2小时。成型出的复合材料螺旋桨均匀、光滑，内部无缺陷，参考GB/T12916对螺旋桨叶片进行三维扫描比对检测，该复合材料螺旋桨叶片几何尺寸精度等级为S级。

Claims (8)

1.一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，其特征在于，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：

提取螺旋桨的几何中面，作为螺旋桨设计的基准曲面；将叶片位于几何中面以上的部分定义为叶片上半部，将叶片位于几何中面以下的部分定义为叶片下半部；将桨毂位于两个相邻叶片之间、基准曲面外侧的部分定义为连续区域；通过三维软件将每相邻两片的叶片中的前一个叶片下半部、后一个叶片上半部与两个叶片之间的连续区域整合为一个整体结构，并将该整体结构定义为预型叶片；

（2）叶片铺层设计：

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；

Ⅱ、在步骤（2）的叶片铺层设计中，若叶片的总厚度大于桨毂厚度的1/2，将此厚度差记为Δd’，对预型叶片在连续区域部分进行裁剪，连续区域需要减去的层数为Δd’/d_p，向下取整，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中心点为坐标原点建立直角坐标系进行铺层设计，连续区域需要减去的总预浸料片数，负号代表需从叶面中进行连续区域预浸料片的布尔减法运算，预浸料片在第n-m层出现断开，断开为两个分离的料片层；其中，M为压缩附加层数；

步骤二、预成型体几何结构的制备

（1）叶片的制备：

根据步骤一的叶片的几何处理与叶片形状展开图，预先用自动下料机裁剪好预浸料片，并予以编号；然后加工叶片的预型模具，依据步骤一（3），在预型模具上对预浸料片进行铺放后开剪，保证叶片上半部和叶片下半部的连续性；铺放完成后压实，制备完成后将叶片取下，重复该步骤i次，i为螺旋桨叶片数，直至所有叶片制备完成；

（2）桨毂的制备：

首先将胶膜紧密缠绕在金属嵌件外表面，然后通过预浸料片对金属嵌件进行缠绕，缠绕层数为1-10层；其次，通过预浸料片进行金属嵌件凹槽位置进行填补、压实，最后在外层缠绕预浸料片，压实，制得桨毂；

步骤三、模压成型与制品处理

（1）将步骤二（1）与步骤二（2）制得的叶片与桨毂对接，在叶片与桨毂互相接触的内部有空隙位置通过连续纤维预浸料卷制长条后进行填补，两两叶片拼装组合，每两相邻叶片之间上叶面对应与下叶面相互合拢拼接；

（2）将制备完成的螺旋桨放入模压模具中，压制固化后进行打磨，制得连续纤维增强复合材料螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：本发明的螺旋桨直径为0.2-3.0m，叶片数量i=2-12；预浸料片的厚度d_p=0.1-0.80mm。

3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：步骤二（1）中，在模具上对预浸料片按照顺序进行铺放的操作为：预先铺放编号为a和1的预浸料片层，其余预浸料片贴覆顺序为步骤一（2）的叶片铺层料片与步骤一（3）的连续区域铺层料片依次叠放；

其中，若连续区域的总料片数m＞0，则铺层顺序为a→1→a→1→b→2→c→3→d→4→e→5…；若连续区域的总料片数m＜0，则铺层顺序为1→1→2→3→4→5…，第（n-m）层为两分离料片层。

4.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：步骤二（1）中，压实的操作为：第一层预浸料片铺放完成后，通过抽真空预压实5-30min；前1-3层预浸料片铺放完成后，将叶片上半部沿宽度方向裁剪掉10-55mm的宽度，叶缘裁剪掉8-45mm的宽度；叶片下半部裁剪掉3-42mm的宽度；每隔4-10层预压实一次，压实时间为5-15min。

5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：步骤二（2）中，最后在外层缠绕预浸料片的缠绕厚度比金属嵌件的壁厚厚0.1-2m；压实操作为：铺放过程中每隔4-10层预压实一次，压实时间为5-15min。

6.根据权利要求4所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：步骤三（1）的所有叶片完成后，在叶片与桨毂接触的叶根部位、叶片的外缘部位采用碳纤维预浸料片进行补强，补强宽度为10-60mm，补强层数为1-3层。

7.根据权利要求6所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：进行补强的具体过程为：裁剪固定宽度10-60mm的预浸料片，贴覆于螺旋桨中叶片的根部；裁剪与权利要求4中料片形状相同形状与宽度的裁剪料片，贴覆于螺旋桨桨叶外缘位置；补强宽度为10-60mm，补强层数为1-3层。

8.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料螺旋桨铺层设计与制备方法，其特征在于：步骤三（2）中，压制固化温度为80-180℃，压力为1-5MPa，固化时间为30-180min。