临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法与流程

专利2022-05-09  14


本发明属于临近空间复合材料螺旋桨
技术领域
,具体涉及一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法。
背景技术
:推进系统是临近空间飞艇的主要动力来源,电机和螺旋桨组合形成的推进系统具有清洁环保、推进效率高等特点,已成为未来“绿色环保主题”飞行器的主要动力系统。复合材料因其具有较高的比强度和比刚度,广泛应用于临近空间飞行器的推进系统,即螺旋桨的结构工艺综合设计中。为了追求高气动效率,临近空间复合材料螺旋桨通常设计为典型的薄的细长体结构,同时需要在整个转速范围内避开共振区,质量要求十分苛刻。现有的复合材料螺旋桨主要为夹心单腹板蒙皮结构,在满足强度和刚度要求时,质量要求往往无法满足。同时,现有技术中,复合材料螺旋桨多为组合式结构,即分别制作桨毂和桨叶,随后进行拼装,此种螺旋桨在根部处纤维不连续,连接稳定性差。故亟需开发新的复合材料螺旋桨设计方法,从而解决现有技术中的难题。技术实现要素:针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法,可有效解决上述问题。本发明采用的技术方案如下:本发明提供一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构,包括:第一单片螺旋桨(1a)和第二单片螺旋桨(1b);所述第一单片螺旋桨(1a)和所述第二单片螺旋桨(1b)的结构相同,均包括:桨毂(2)和桨叶(3);其中,所述桨毂(2)包括上桨毂单元(2a)、下桨毂单元(2b)和桨毂填充单元;所述桨叶(3)包括工作面蒙皮(3a)、非工作面蒙皮(3b)和双腹板(3c);所述工作面蒙皮(3a)和所述上桨毂单元(2a)一体成型,得到一体式螺旋桨上部单元;所述非工作面蒙皮(3b)和所述下桨毂单元(2b)一体成型,得到一体式螺旋桨下部单元;所述一体式螺旋桨上部单元和所述一体式螺旋桨下部单元上下粘接,并在所述上桨毂单元(2a)和所述下桨毂单元(2b)之间填充所述桨毂填充单元;在所述工作面蒙皮(3a)和所述非工作面蒙皮(3b)之间粘接所述双腹板(3c),从而形成所述单片螺旋桨;所述第一单片螺旋桨(1a)和所述第二单片螺旋桨(1b)的桨毂上下叠加并使安装孔对齐后,采用铝合金套筒(701)和螺栓连接(702)固定。优选的,所述桨毂(2)为对插式全复合材料形式。优选的,所述工作面蒙皮(3a)和所述非工作面蒙皮(3b)采用层合板结构形式,并使用翻边工艺进行胶接。优选的,所述工作面蒙皮(3a)具有水平方向设置的工作面蒙皮前缘翻边(601)和工作面蒙皮后缘翻边(603);所述非工作面蒙皮(3b)具有水平方向设置的非工作面蒙皮前缘翻边(602)和非工作面蒙皮后缘翻边(604);所述工作面蒙皮前缘翻边(601)和所述非工作面蒙皮前缘翻边(602)上下相对设置,并粘接到一起;所述工作面蒙皮后缘翻边(603)和所述非工作面蒙皮后缘翻边(604)上下相对设置,并粘接到一起。优选的,所述双腹板(3c)为几字型双腹板的泡沫夹层结构,包括内侧几字型腹板(501)、外侧几字型腹板(502)和泡沫夹心(503);所述内侧几字型腹板(501)的外侧,包围设置所述外侧几字型腹板(502);在所述内侧几字型腹板(501)和所述外侧几字型腹板(502)之间铺设所述泡沫夹心(503)。本发明还提供一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构的制作方法,包括以下步骤:步骤1,根据螺旋桨的气动外形要求,制作一体式螺旋桨上部单元模具、一体式螺旋桨下部单元模具和双腹板模具;步骤2,制作一体式螺旋桨上部单元:步骤2.1,裁剪多块碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,在一体式螺旋桨上部单元模具中,按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,各铺层之间使用树脂粘接;步骤2.2,将树脂粘接后的铺层放入热压罐内加温加压,固化成型,其中,热压罐内压力为6mpa,温度为110℃-120℃,固化时间至少2小时,从而使工作面蒙皮(3a)和上桨毂单元(2a)一体成型,得到一体式螺旋桨上部单元;步骤3,制作一体式螺旋桨下部单元:步骤3.1,裁剪多块碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,在一体式螺旋桨下部单元模具中,按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,各铺层之间使用树脂粘接;步骤3.2,将树脂粘接后的铺层放入热压罐内加温加压,固化成型,其中,热压罐内压力为6mpa,温度为110℃-120℃,固化时间至少2小时,从而使非工作面蒙皮(3b)和下桨毂单元(2b)一体成型,得到一体式螺旋桨下部单元;步骤4,制作双腹板(3c):步骤4.1,裁剪多块碳纤维预浸织物,在双腹板模具上按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物,得到内侧几字型腹板(501);步骤4.2,在内侧几字型腹板(501)的外侧铺设泡沫夹心(503);步骤4.3,在泡沫夹心(503)的外侧按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物,得到外侧几字型腹板(502);其中,所述内侧几字型腹板(501)、所述泡沫夹心(503)和所述外侧几字型腹板(502)的相邻层之间使用树脂粘接;步骤4.4,将粘接后的所述内侧几字型腹板(501)、所述泡沫夹心(503)和所述外侧几字型腹板(502)形成的整体,放入热压罐内加温加压,固化成型,其中,热压罐内压力为6mpa,温度为110℃-120℃,固化时间至少2小时,得到双腹板(3c);步骤5,按照桨毂形状加工并制作得到桨毂填充单元;所述桨毂填充单元为铝蜂窝桨毂填充结构;步骤6,将所述一体式螺旋桨上部单元和所述一体式螺旋桨下部单元通过翻边工艺上下粘接,并在上桨毂单元(2a)和下桨毂单元(2b)之间填充桨毂填充单元;在工作面蒙皮(3a)和非工作面蒙皮(3b)之间粘接双腹板(3c),从而形成单片螺旋桨;其中:一体式螺旋桨上部单元和一体式螺旋桨下部单元通过翻边工艺上下粘接,具体为:将工作面蒙皮前缘翻边(601)和非工作面蒙皮前缘翻边(602)上下相对设置,并粘接到一起;将工作面蒙皮后缘翻边(603)和非工作面蒙皮后缘翻边(604)上下相对设置,并粘接到一起;粘接方式为:使用固体胶进行粘接,然后,置于烤箱中烘干,烤箱温度为100℃,烘烤时间为1-2小时;步骤7,将两个单片螺旋桨,即:第一单片螺旋桨(1a)和第二单片螺旋桨(1b)的桨毂上下叠加并使安装孔对齐后,采用铝合金套筒(701)和螺栓连接(702)固定。优选的,步骤2.1中,按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,具体为:碳纤维单向预浸带,是指在一个方向,即经向方向具有大量纤维丝,在纬向方向具有少量细的碳纤维丝,因此,强度都在同一经向方向的碳纤维布,并在碳纤维布表面浸上一层树脂得到的碳纤维预处理品;碳纤维预浸织物,是指在经向方向和纬向方向两个方向上均由碳纤维丝编制而成,可以双向受力的碳纤维布,并在碳纤维布表面浸上一层树脂得到的碳纤维预处理品;各铺层的铺层角度如下表所示:表1:铺层顺序其中:zw代表碳纤维预浸织物;dxd代表碳纤维单向预浸带;以螺旋桨展向为基准方向,即0°方向。优选的,步骤4,制作双腹板(3c),具体铺层方式为:表2:铺层顺序层数材料铺层角度1zw0°2zw0°3foam4zw0°5zw0°其中:zw表示碳纤维预浸织物;foam表示泡沫夹心,以螺旋桨展向为基准方向,即0°方向;表2中,第1、2层为内侧几字型腹板(501)的铺层;第3层为泡沫夹心;第4、5层为外侧几字型腹板(502)的铺层。本发明提供的一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法具有以下优点:本发明提出的临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法,桨毂采用对插式全复合材料结构形式,减少了金属材料的使用,减轻了桨叶的质量。使用双腹板结构代替泡沫夹心,在保证质量指标的前提下,提高了螺旋桨的扭转刚度。桨毂和桨叶采用一体式结构形式,可保证桨根处的纤维连续性,减少了应力集中现象,降低了加工难度,同时具有强度高、刚性好和质量轻等特点。附图说明图1为本发明提供的临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构的整体结构示意图;图2为本发明提供的单片螺旋桨结构示意图;图3为本发明提供的桨毂结构示意图;图4为本发明提供的桨叶剖面图;图5为本发明提供的双腹板结构剖面图;图6为本发明提供的翻边工艺剖面示意图;图7为本发明提供的桨毂连接示意图。具体实施方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。本发明提供一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构,采用对插式桨毂,利用双腹板代替泡沫夹心,桨毂和桨叶采用一体式结构形式并使用翻边工艺进行二次成型加工,在满足强度和刚度要求时,同时满足质量要求。具体的,本发明提供的一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法,在保证质量指标的前提下,提高临近空间复合材料螺旋桨的扭转刚度。桨毂和桨叶采用一体式结构形式,保证了桨根处的纤维连续性,减少了应力集中现象,同时具有强度高、刚性好和质量轻等特点。本发明提供的临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构,参考图1,包括:第一单片螺旋桨1a和第二单片螺旋桨1b;所述第一单片螺旋桨1a和所述第二单片螺旋桨1b的结构相同,参考图2,均包括:桨毂2和桨叶3;其中,参考图3,所述桨毂2为对插式全复合材料形式,包括上桨毂单元2a、下桨毂单元2b和桨毂填充单元;参考图4,所述桨叶3包括工作面蒙皮3a、非工作面蒙皮3b和双腹板3c;所述工作面蒙皮3a和所述上桨毂单元2a一体成型,得到一体式螺旋桨上部单元;所述非工作面蒙皮3b和所述下桨毂单元2b一体成型,得到一体式螺旋桨下部单元;所述一体式螺旋桨上部单元和所述一体式螺旋桨下部单元上下粘接,并在所述上桨毂单元2a和所述下桨毂单元2b之间填充所述桨毂填充单元;在所述工作面蒙皮3a和所述非工作面蒙皮3b之间粘接所述双腹板3c,从而形成所述单片螺旋桨;所述第一单片螺旋桨1a和所述第二单片螺旋桨1b的桨毂上下叠加并使安装孔对齐后,参考图7,采用铝合金套筒701和螺栓连接702固定。本发明中,所述第一单片螺旋桨1a和所述第二单片螺旋桨1b的几何位置关于桨毂中心对称。下面对本发明主要技术特征,详细介绍:(一)翻边粘接结构具体的,本发明中,所述工作面蒙皮3a和所述非工作面蒙皮3b采用层合板结构形式,并使用翻边工艺进行胶接。具体的,参考图6,所述工作面蒙皮3a具有水平方向设置的工作面蒙皮前缘翻边601和工作面蒙皮后缘翻边603;所述非工作面蒙皮3b具有水平方向设置的非工作面蒙皮前缘翻边602和非工作面蒙皮后缘翻边604;所述工作面蒙皮前缘翻边601和所述非工作面蒙皮前缘翻边602上下相对设置,并粘接到一起;所述工作面蒙皮后缘翻边603和所述非工作面蒙皮后缘翻边604上下相对设置,并粘接到一起。(二)双腹板3c参考图5,双腹板3c为几字型双腹板的泡沫夹层结构,包括内侧几字型腹板501、外侧几字型腹板502和泡沫夹心503;所述内侧几字型腹板501的外侧,包围设置所述外侧几字型腹板502;在所述内侧几字型腹板501和所述外侧几字型腹板502之间铺设所述泡沫夹心503。另外,双腹板3c结构中,参考图5,具有五条边,分别为:ab、bc、cd、de和ef;其中,bc和de的长度由翼型决定,ab和ef的长度等于cd的一半;在螺旋桨工作转动时,桨叶主要承受沿展向的离心力和沿前进方向的拉力,cd的长度由极限载荷工况下产生的所述的离心力和拉力决定;由于不同的螺旋桨所承受的力不同,cd的长度也不同。本发明还提供一种临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构的制作方法,包括以下步骤:步骤1,根据螺旋桨的气动外形要求,制作一体式螺旋桨上部单元模具、一体式螺旋桨下部单元模具和双腹板模具;步骤2,制作一体式螺旋桨上部单元:步骤2.1,裁剪多块碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,在一体式螺旋桨上部单元模具中,按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,各铺层之间使用树脂粘接;步骤2.1中,按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,具体为:碳纤维单向预浸带,是指在一个方向,即经向方向具有大量纤维丝,在纬向方向具有少量细的碳纤维丝,因此,强度都在同一经向方向的碳纤维布,并在碳纤维布表面浸上一层树脂得到的碳纤维预处理品;碳纤维预浸织物,是指在经向方向和纬向方向两个方向上均由碳纤维丝编制而成,可以双向受力的碳纤维布,并在碳纤维布表面浸上一层树脂得到的碳纤维预处理品;各铺层的铺层角度如下表所示:表1:铺层顺序层数材料铺层角度1zw45°2dxd0°3dxd0°4dxd45°5dxd-45°6dxd0°7dxd0°8zw45°9dxd0°10dxd0°11dxd-45°12dxd45°13dxd0°14dxd0°15zw45°其中:zw代表碳纤维预浸织物;dxd代表碳纤维单向预浸带;以螺旋桨展向为基准方向,即0°方向。步骤2.2,将树脂粘接后的铺层放入热压罐内加温加压,固化成型,其中,热压罐内压力为6mpa,温度为110℃-120℃,固化时间至少2小时,从而使工作面蒙皮3a和上桨毂单元2a一体成型,得到一体式螺旋桨上部单元;步骤3,制作一体式螺旋桨下部单元:步骤3.1,裁剪多块碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,在一体式螺旋桨下部单元模具中,按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物和碳纤维单向预浸带,各铺层之间使用树脂粘接;步骤3.2,将树脂粘接后的铺层放入热压罐内加温加压,固化成型,其中,热压罐内压力为6mpa,温度为110℃-120℃,固化时间至少2小时,从而使非工作面蒙皮3b和下桨毂单元2b一体成型,得到一体式螺旋桨下部单元;步骤4,制作双腹板3c:步骤4.1,裁剪多块碳纤维预浸织物,在双腹板模具上按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物,得到内侧几字型腹板501;步骤4.2,在内侧几字型腹板501的外侧铺设泡沫夹心503;步骤4.3,在泡沫夹心503的外侧按照设计的铺层顺序逐层铺设碳纤维预浸织物,得到外侧几字型腹板502;其几何对称面,即图5中虚线所在平面,与两片螺旋桨桨毂的对插平面处于同一平面上。其中,所述内侧几字型腹板501、所述泡沫夹心503和所述外侧几字型腹板502的相邻层之间使用树脂粘接;步骤4.4,将粘接后的所述内侧几字型腹板501、所述泡沫夹心503和所述外侧几字型腹板502形成的整体,放入热压罐内加温加压,固化成型,其中,热压罐内压力为6mpa,温度为110℃-120℃,固化时间至少2小时,得到双腹板3c;步骤4,制作双腹板3c,具体铺层方式为:表2:铺层顺序层数材料铺层角度1zw0°2zw0°3foam4zw0°5zw0°其中:zw表示碳纤维预浸织物;foam表示泡沫夹心,以螺旋桨展向为基准方向,即0°方向;表2中,第1、2层为内侧几字型腹板501的铺层;第3层为泡沫夹心;第4、5层为外侧几字型腹板502的铺层。步骤5,按照桨毂形状加工并制作得到桨毂填充单元;所述桨毂填充单元为铝蜂窝桨毂填充结构;步骤6,使用二次成型工艺,将所述一体式螺旋桨上部单元和所述一体式螺旋桨下部单元通过翻边工艺上下粘接,并在上桨毂单元2a和下桨毂单元2b之间填充桨毂填充单元;在工作面蒙皮3a和非工作面蒙皮3b之间粘接双腹板3c,从而形成单片螺旋桨;其中:一体式螺旋桨上部单元和一体式螺旋桨下部单元通过翻边工艺上下粘接,具体为:将工作面蒙皮前缘翻边601和非工作面蒙皮前缘翻边602上下相对设置,并粘接到一起;将工作面蒙皮后缘翻边603和非工作面蒙皮后缘翻边604上下相对设置,并粘接到一起;粘接方式为:使用固体胶进行粘接,然后,置于烤箱中烘干,烤箱温度为100℃,烘烤时间为1-2小时;接着通过局部打磨和利用原子灰将桨叶表面的局部斑点补平,并用样板不断修正,然后抛光喷漆并在螺旋桨表面喷涂耐环境性涂料,一般为白色烤漆,得到两个单片螺旋桨。步骤7,将两个单片螺旋桨,即:第一单片螺旋桨1a和第二单片螺旋桨1b的桨毂上下叠加并使安装孔对齐后,采用铝合金套筒701和螺栓连接702固定。本发明提出的临近空间双腹板空心复合材料螺旋桨结构及其制作方法,桨毂采用对插式全复合材料结构形式,减少了金属材料的使用,减轻了桨叶的质量。使用双腹板结构代替泡沫夹心,在保证质量指标的前提下,提高了螺旋桨的扭转刚度。桨毂和桨叶采用一体式结构形式,可保证桨根处的纤维连续性,减少了应力集中现象,降低了加工难度,同时具有强度高、刚性好和质量轻等特点。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本
技术领域
的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。当前第1页12
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