CN114715350A - 一种桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桨叶‑桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨及其制备方法。本发明由拍水面铺层、背水面铺层和桨毂增补铺层组成，其中拍水面和背水面采用桨叶‑桨毂一体化双叶片连续铺层设计，内部桨毂空缺位置采用圆形铺层增补。本发明通过改变铺层角度及铺层形状以提高复合材料螺旋桨的结构刚度，减少其受载荷时的变形，提高水动力性能，实现整体复合材料螺旋桨制备方法优化。

Description

一种桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨及其制备方法

技术领域

本发明涉及船用螺旋桨制造技术领域，尤其涉及一种桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨及其制备方法。

背景技术

传统的船用螺旋桨多由金属材料制成，不仅质量沉重，而且存在易疲劳破坏、易腐蚀等缺点，增加了非必要能耗和后期维护保养成本；同时，金属桨阻尼性能差，运行过程噪音严重，对外隐身性能难以保障，限制了其在特殊领域的发展。复合材料因其轻质高强、可设计性强、耐疲劳、耐腐蚀、高阻尼的优点已逐步成为船用螺旋桨制造的优选材料。复合材料螺旋桨按照制造方法主要分为分离式复合材料螺旋桨(桨叶-桨毂分离制造再连接的方式)和整体式复合材料螺旋桨(桨叶-桨毂一体化制造的方式)。以定距桨为例，分离式复合材料螺旋桨的连接位置是潜在的应力集中源，不利于其长期服役，而整体式复合材料螺旋桨具有显而易见的优势。

本发明主要研究整体式复合材料螺旋桨的桨叶-桨毂一体化制造过程中的铺层设计及叠层制备方法，通过改变铺层角度及铺层形状以提高复合材料螺旋桨的结构刚度，减少其受载荷时的变形，提高水动力性能，实现整体复合材料螺旋桨制备方法优化。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨及其制备方法，以保证螺旋桨的外层包裹性与结构性能最优。本发明采用的技术手段如下：

一种桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，包括如下步骤：

S1、基于螺旋桨叶型数据建立三维实体模型，选取与背水面和拍水面等距离的面得到桨叶中面层，背水面铺层和拍水面铺层以桨叶中面层为对称中心；

S2、将叶片拍水面、拍水面所在侧的1/2桨毂侧面、桨毂底面取出，形成一个在空间中扭曲的复杂多叶片曲面；

S3、在拍水面部分的第一组铺层的基础上，桨叶以中面层为基准面，将桨叶拍水面向背水面方向偏移预设距离，得到被中面层剪裁过的拍水面，为第二组铺层的桨叶部分；将桨毂侧面和桨毂底面均向桨毂内侧偏移，得到新的桨毂底面和侧面，为第二组铺层的桨毂部分；

S4、将第二组铺层的桨叶部分和桨毂部分进行装配，得到一个新的复杂多叶片曲面，重复步骤S3得所有拍水面铺层及与之相对称的背水面铺层；

S5、在全部背水面铺层和拍水面铺层偏移完毕之后，设计与桨毂内部空缺空间相匹配的圆形增补铺层；

S6、基于模型制备实体件，背水面铺层、拍水面铺层和桨毂增补铺层按编号逐层以预设规则铺放在复合材料螺旋桨制备模具中，制备整体式复合材料螺旋桨成品。

进一步地，所述步骤S3中，将复杂多叶片曲面裁为两个相邻半复杂多叶片曲面，其作为拍水面部分的第一组铺层。

进一步地，所述背水面铺层和拍水面铺层以中面层为对称中心，为增强铺层刚度设置不少于4层预浸料为一组铺层，对称铺设，每组铺层厚度记为t。

所述步骤S3中，第二组铺层的桨叶以中面层为基准面，将桨叶拍水面向背水面方向偏移t，桨毂侧面向桨毂内侧偏移t，桨毂底面偏移2t；

获取第三组铺层时，桨叶拍水面和桨毂侧面的偏移距离为2t，桨毂底面为4t；

以此类推，拍水面铺层记为Pi，背水面铺层记为Bi，其中，i＝1,2,3,…,n。

进一步地，所述步骤6具体包括如下步骤：

S61、基于曲面-平面映射关系，将设计好的各铺层曲面展开为平面，并进行剪裁；

S62、将裁剪好的的背水面铺层、拍水面铺层和桨毂增补铺层按编号逐层铺放在复合材料螺旋桨制备模具中；

S63、每两组铺层间角度相隔90°依次铺设，以覆盖各组铺层连接处的缝隙，实现铺层的无缝连接。

进一步地，定义螺旋桨叶数为n，每组铺层剪裁后的子铺层所包含的桨叶数量为m，每两组铺层间相隔角度为θ，可得如下公式：

θ＝360/n

m≥2

其中m随铺层数量进行调整，应不小于2，以满足覆盖各组铺层连接处缝隙的要求。

进一步地，每铺放一组铺层，抽一次真空，待全部铺层铺放完毕，合模，抽真空，进行热压固化，得到整体式复合材料螺旋桨成品。

与现有技术比较，本发明所述的桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的有益效果为：(1)采用整体式复合材料螺旋桨结构，保证了纤维的连续性，避免了分离式复合材料螺旋桨在叶根连接处的应力集中，无需再对叶根处进行材料补强；(2)本发明中采用相邻双叶片曲面展开结合激光剪裁的方式获取桨叶-桨毂一体化铺层，降低了曲面展平难度，可以保证铺层形状精度，满足螺旋桨形性制造要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体式复合材料螺旋桨外表面分割示意图。

图2为本发明桨叶-桨毂一体式铺层铺放流程示意图。

图3为本发明桨叶-桨毂一体式铺层角度及基准轴示意图。

图4为本发明整体式复合材料螺旋桨剖面示意图。

其中图2列举了铺层P1，P2及P3铺放流程，后续铺层铺放时重复此过程；图3中基准轴垂直于0°、90°和±45°四个铺层角度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，包括如下步骤：

S1、基于螺旋桨叶型数据建立三维实体模型，选取与背水面和拍水面等距离的面得到桨叶中面层，将桨叶中面作为分割面，将包含桨毂在内的螺旋桨外表面分为背水面部分和拍水面部分，如图1所示；

所述背水面铺层和拍水面铺层以中面层为对称中心，为增强铺层刚度设置不少于4层预浸料为一组铺层，对称铺设，每组铺层厚度记为t；

S2、将叶片拍水面、拍水面所在侧的1/2桨毂侧面、桨毂底面取出，形成一个在空间中扭曲的复杂四叶片曲面；

S3、为了减小曲面展平时的内部应力，将上述四叶片曲面剪裁为两个相邻双叶片曲面，即为拍水面部分的第一组铺层，记为P1；

对四叶片曲面进行偏移操作：具体地，在拍水面部分的第一组铺层的基础上，桨叶以中面层为基准面，将桨叶拍水面向背水面方向偏移预设距离，得到被中面层剪裁过的拍水面，为第二组铺层的桨叶部分；将桨毂侧面和桨毂底面均向桨毂内侧偏移，得到新的桨毂底面和侧面，为第二组铺层的桨毂部分；

本实施例中，第二组铺层的桨叶以中面层为基准面，将桨叶拍水面向背水面方向偏移t，此时得到被中面层剪裁过的拍水面，为第二组铺层的桨叶部分；

桨毂侧面向桨毂内侧偏移t，桨毂底面偏移2t，得到新的桨毂底面和侧面，为第二组铺层的桨毂部分；

将第二组铺层的桨叶部分和桨毂部分进行装配，得到一个新的复杂多叶片曲面，即为拍水面部分的第二组铺层，记为P2；

获取第三组铺层时，桨叶拍水面和桨毂侧面的偏移距离为2t，桨毂底面为4t；

S4、重复步骤S3即可得所有拍水面铺层及与之相对称的背水面铺层。拍水面铺层记为Pi，背水面铺层记为Bi，其中，i＝1,2,3,…,n。

S5、在全部背水面铺层和拍水面铺层偏移完毕之后，设计与桨毂内部空缺空间相匹配的圆形增补铺层；

S6、基于模型制备实体件，背水面铺层、拍水面铺层和桨毂增补铺层按编号逐层以预设规则铺放在复合材料螺旋桨制备模具中，制备整体式复合材料螺旋桨成品。

所述步骤6具体包括如下步骤：

S61、基于曲面-平面映射关系，将设计好的各铺层曲面展开为平面，并进行材料剪裁，获得各个铺层实体。

S62、将裁剪好的的背水面铺层、拍水面铺层和桨毂增补铺层按编号逐层铺放在复合材料螺旋桨制备模具中；

S63、每两组铺层间角度相隔90°依次铺设，以覆盖各组铺层间连接处的缝隙，实现铺层的无缝连接，如图2所示，相关角度示意图见图3。以此类推，完成后续铺层。

对于任一螺旋桨，定义螺旋桨叶数为n，每组铺层剪裁后的子铺层所包含的桨叶数量为m，每两组铺层间相隔角度为θ，可得如下公式：

θ＝360/

m≥2

其中m随铺层数量进行调整，应不小于2，以满足覆盖各组铺层连接处缝隙的要求。

每铺放一组铺层，抽一次真空，待全部铺层铺放完毕，合模，抽真空，进行热压固化，得到整体式复合材料螺旋桨成品。整体式螺旋桨内部铺层示意图见图4。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，其特征在于，包括：

S1、基于螺旋桨叶型数据建立三维实体模型，选取与背水面和拍水面等距离的面得到桨叶中面层，背水面铺层和拍水面铺层以桨叶中面层为对称中心；

S2、将叶片拍水面、拍水面所在侧的1/2桨毂侧面、桨毂底面取出，形成一个在空间中扭曲的复杂多叶片曲面；

S3、在拍水面部分的第一组铺层的基础上，以桨叶中面层为基准面，将桨叶拍水面向背水面方向偏移预设距离，得到被中面层剪裁过的拍水面，为第二组铺层的桨叶部分；将桨毂侧面和桨毂底面均向桨毂内侧偏移，得到新的桨毂底面和侧面，为第二组铺层的桨毂部分；

S4、将第二组铺层的桨叶部分和桨毂部分进行装配，得到一个新的复杂多叶片曲面，重复步骤S3得所有拍水面铺层及与之相对称的背水面铺层；

S5、在全部背水面铺层和拍水面铺层偏移完毕之后，设计与桨毂内部空缺空间相匹配的圆形增补铺层；

S6、基于模型制备实体件，背水面铺层、拍水面铺层和桨毂增补铺层按编号逐层以预设规则铺放在复合材料螺旋桨制备模具中，制备整体式复合材料螺旋桨成品。

2.根据权利要求1所述的桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，将复杂多叶片曲面裁为两个相邻半复杂多叶片曲面，作为拍水面部分的第一组铺层。

3.根据权利要求1所述的桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，其特征在于，所述背水面铺层和拍水面铺层以中面层为对称中心，为增强铺层刚度设置不少于4层预浸料为一组铺层，对称铺设，每组铺层厚度记为t；

所述步骤S3中，第二组铺层的桨叶以中面层为基准面，将桨叶拍水面向背水面方向偏移t，桨毂侧面向桨毂内侧偏移t，桨毂底面偏移2t；

获取第三组铺层时，桨叶拍水面和桨毂侧面的偏移距离为2t，桨毂底面为4t；

以此类推，拍水面铺层记为Pi，背水面铺层记为Bi，其中，i＝1,2,3,…,n。

4.根据权利要求1所述的桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括如下步骤：

S61、基于曲面-平面映射关系，将设计好的各铺层曲面展开为平面，并进行剪裁；

S62、将裁剪好的的背水面铺层、拍水面铺层和桨毂增补铺层按编号逐层铺放在复合材料螺旋桨制备模具中；

S63、每两组铺层间角度相隔90°依次铺设，以覆盖各组铺层间连接处的缝隙，实现铺层的无缝连接；

对于任一螺旋桨，定义螺旋桨叶数为n，每组铺层剪裁后的子铺层所包含的桨叶数量为m，每两组铺层间相隔角度为θ，可得如下公式：

θ＝360/n

m≥2

其中m随铺层数量进行调整，应不小于2，以满足覆盖各组铺层连接处缝隙的要求。

5.根据权利要求4所述的桨叶-桨毂双叶铺设的全复合材料螺旋桨的制备方法，其特征在于，每铺放一组铺层，抽一次真空，待全部铺层铺放完毕，合模，抽真空，进行热压固化，得到整体式复合材料螺旋桨成品。

6.一种权利要求1～5任一项方法制备的螺旋桨，其特征在于，该螺旋桨由拍水面铺层、背水面铺层和桨毂增补铺层组成，其中拍水面和背水面采用桨叶-桨毂一体化双叶片连续铺层设计，内部桨毂空缺位置采用圆形铺层增补。

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