CN115195977A - 一种4d打印可变形螺旋桨 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4D打印可变形螺旋桨，属于螺旋桨桨叶结构设计技术领域。螺旋桨包括桨毂和可变形叶片，多个可变形叶片沿圆周方向均匀布置且固定安装在桨毂上，可变形叶片整体通过4D打印整体成型，可变形叶片内部具有加热部件，加热部件温度升高后使得叶片材料发生形变，最终使得可变形叶片的角度发生变化。本发明能够满足螺旋桨的低噪声和大推力要求，并且调节方式灵活。
Description
技术领域
本发明属于螺旋桨桨叶结构设计技术领域，具体涉及一种基于4D打印技术的一体化成形可控变形螺旋桨。
背景技术
螺旋桨推进作为舰船推进的一种重要方式，以其性能的优越性和广泛的应用场景，成为了舰船领域研究和发展的一项重要的技术。随着舰船领域自身的不断发展，对于螺旋桨的推进效率、空泡性能、以及噪声性能等方面也提出了更高的要求。
大多数水面和水下航行器所采用的螺旋桨都是固定叶片螺旋桨，在航行过程中无法改变叶片的形态，不能在特定的航速和工况下实时调节叶片的形态，达到提升推进效率、延迟空泡、降低噪声等要求。
目前在公开的报道中也出现了可变形螺旋桨的设计，但这些可变形螺旋桨的变形部分由可变形骨架和蒙皮组成，骨架一般采用双向形状记忆聚合物或形状记忆合金丝加工，蒙皮一般采用柔性非金属材料。通过热源驱动形状记忆聚合物或者形状记忆合金丝变形可实现螺旋桨变形，但此种可变形螺旋桨的加工精度不高，而且承载力有限，难以实现低噪声、大推力等需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种4D打印可变形螺旋桨，螺旋桨的桨叶通过4D打印一体化成形，能够满足螺旋桨的低噪声和大推力要求，并且调节方式灵活。
一种4D打印可变形螺旋桨，可变形螺旋桨包括桨毂和可变形叶片，多个可变形桨叶沿圆周方向均匀布置且固定安装在桨毂上，所述可变形叶片整体通过4D打印整体成型，可变形叶片内部具有加热部件，加热部件温度升高后使得叶片材料发生形变，最终使得可变形叶片的角度发生变化。
进一步地，所述可变形叶片由刚性叶片和柔性叶片组成；所述刚性叶片由钛合金材料3D打印制成，所述柔性叶片采用双向形状记忆合金4D打印制成，柔性叶片内部布有电热材料。
进一步地，所述柔性叶片的双向记忆合金的组分为镍、钛、铜，镍、钛、铜的质量百分比是：Ni:49.5-50.6％,Ti 44.5-45.4％,Cu:4.0-6.0％。
进一步地，打印柔性叶片时使用双喷头4D打印装备，将电热材料与柔性叶片一起打印。
进一步地，柔性叶片的双向形状记忆合金的厚度为0.8mm～1mm。
进一步地，在柔性叶片上选取相应的位置进行双向形状记忆合金变形回复训练，使柔性叶片在该位置实现变形。
进一步地，所述双向记忆合金的相变温度为50度时，对电热材料施加200W～300W功率的电激励，使其温度升高，随着电热材料的温度升高，与之相邻的形状记忆合金的温度也升高，当温度达到相变温度后，柔性叶片产生相应的变形；
进一步地，对电热材料施加功率为200W的电激励，通电60秒后柔性叶片实现5度的变形，通电120秒后柔性叶片实现10度的变形，对电热材料施加功率为300W的电激励，通电40秒后柔性叶片实现5度的变形，通电80秒后柔性叶片实现10度的变形。
有益效果：
1、本发明的可变形叶片整体通过4D打印整体成型，由于4D打印成形精度高，因此4D打印螺旋桨叶片既可以实现叶片一体化成形提高成形精度，又能保证叶片的空间曲面形态，由于叶片为整体成型，相对于采用可变形骨架和蒙皮结构的叶片来说大大提高了螺旋桨的承载力。
2、本发明的可变形叶片由刚性叶片、柔性叶片和电热材料组成，刚性叶片由钛合金材料3D打印制成，柔性叶片和电热材料在刚性叶片的基础上采用4D打印制成，电热材料位于柔性叶片的内部。由于刚性叶片自身不发生变形，因此可变形叶片的受力主要由刚性叶片承担，柔性叶片是在刚性叶片的基础上一体成型，虽然在电热材料产生温度变化的情况下可发生形变，但依然能够保持良好的力学性能。
3、本发明柔性叶片的双向记忆合金的组分为镍、钛和铜三种组分，镍、钛和铜的质量百分比是：Ni:49.5-50.6％,Ti 44.5-45.4％,Cu:4.0-6.0％，以上三种物质质量百分比的组成可保证双向记忆合金能够在额定电流的电激励下产生特定的变形角度。
4、本发明可根据仿真实验结果，在柔性叶片上选取相应的位置进行双向形状记忆合金变形回复训练，使柔性叶片在该位置实现变形，能提高螺旋桨的效率并降低噪声。
附图说明
图1为本发明4D打印可变形螺旋桨的主视图；
图2为本发明4D打印可变形螺旋桨的侧视图；
图3为可变形叶片在变形前的外形结构示意图；
图4为可变形叶片变形后呈不同角度的外形结构示意图。
其中，1-桨毂、2-可变形叶片、2-1-刚性叶片、2-2-柔性叶片、2-3-电热材料。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种4D打印可变形螺旋桨，如附图1所示，可变形螺旋桨包括桨毂1和可变形叶片2，多个可变形叶片2沿圆周方向均匀布置且固定安装在桨毂1上，可变形叶片2整体通过4D打印整体成型，可变形叶片由刚性叶片和柔性叶片组成；所述刚性叶片由钛合金材料3D打印制成，柔性叶片采用双向形状记忆合金4D打印制成，柔性叶片内部布有电热材料，如附图2所示。
柔性叶片2-2的双向记忆合金的组分为镍、钛和铜，镍、钛、铜的质量百分比是：Ni:49.5-50.6％,Ti 44.5-45.4％,Cu:4.0-6.0％。
打印柔性叶片时使用双喷头4D打印装备，将电热材料2-3与柔性叶片2-2一起打印。
可变形叶片2在变形前的形状如附图3所示，当航行器需要执行多项任务，为使其执行某一任务时达到最佳工作状态，可能需要提升螺旋桨的推进效率、加大推力或减小噪声，此时可改变本发明的可控变形螺旋桨的叶片形状，给本发明的柔性叶片内的电热材料施加不同功率(200W～300W)的电激励，使其温度升高，随着电热材料的温度升高，与之相邻的形状记忆合金的温度也升高，当温度达到相变温度后(本形状记忆合金的相变温度为50度)，柔性叶片产生5度～10度的变形，从而驱动螺旋桨的形态发生变化，可实时改变螺旋桨的推力、工作效率或噪声等指标。当航行器处于其他工况时，可停止对电热材料电激励，螺旋桨将恢复到之前的形态，实现螺旋桨的可控变形，可变形叶片2在变形后的形态如附图4所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种4D打印可变形螺旋桨，包括桨毂和可变形叶片，多个可变形叶片沿圆周方向均匀布置且固定安装在桨毂上，其特征在于，所述可变形叶片整体通过4D打印整体成型，可变形叶片内部具有加热部件，加热部件温度升高后使得叶片材料发生形变，最终使得可变形叶片的角度发生变化。
2.如权利要求1所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，所述可变形叶片由刚性叶片和柔性叶片组成；所述刚性叶片由钛合金材料3D打印制成，所述柔性叶片采用双向形状记忆合金4D打印制成，柔性叶片内部布有电热材料。
3.如权利要求2所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，所述柔性叶片的双向记忆合金的组分为镍、钛和铜，镍、钛和铜的质量百分比是：Ni:49.5-50.6％,Ti 44.5-45.4％,Cu:4.0-6.0％。
4.如权利要求3所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，打印柔性叶片时使用双喷头4D打印装备，将电热材料与柔性叶片一起打印。
5.如权利要求4所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，柔性叶片的双向形状记忆合金的厚度为0.8mm～1mm。
6.如权利要求1或3所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，在柔性叶片上选取相应的位置进行双向形状记忆合金变形回复训练，使柔性叶片在该位置实现变形。
7.如权利要求2所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，所述双向记忆合金的相变温度为50度时，对电热材料施加200W～300W功率的电激励，使其温度升高，随着电热材料的温度升高，与之相邻的形状记忆合金的温度也升高，当温度达到相变温度后，柔性叶片产生相应的变形。
8.如权利要求5或7所述的4D打印可变形螺旋桨，其特征在于，对电热材料施加功率为200W的电激励，通电60秒后柔性叶片实现5度的变形，通电120秒后柔性叶片实现10度的变形，对电热材料施加功率为300W的电激励，通电40秒后柔性叶片实现5度的变形，通电80秒后柔性叶片实现10度的变形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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