一种船舶用整体式复合材料螺旋桨的制作方法

阅读：评论：0

1.本实用新型属于螺旋桨设计技术领域，涉及一种船舶用整体式复合材料螺旋桨。

背景技术：

2.船用螺旋桨是船舶上最为重要的部件之一，是为船舶在水面航行时提供前进推力从而使得船舶保持稳定速度的核心装置。由于船用螺旋桨的特殊使用场景，对其成型材质有较高要求，过去工业上大多使用具有较高硬度和较低腐蚀性的镍铝青铜合金(nab)作为主要材料，然而随着复合材料行业的快速发展，复合材料凭借其强度高、比重小、耐腐蚀性好、水下噪声小等优点成为螺旋桨材质的更优选择。
3.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，装配过程中存在二次界面，运动过程中容易产生振动疲劳。
4.复合材料成型工艺主要有手糊成型、喷射成型、模压成型和rtm成型等几大类。手糊成型是早期使用的一种工艺方案，其特点在于手工操作、开模成型，制作方便且成本相对较低，但对复杂气动外形的螺旋桨来说，尺寸精度和稳定性难以保证。喷射成型工艺，在成型制品时多采用短纤维，桨叶的强度和刚度无法保证，且不能根据需要调整纤维结构，桨叶纤维含量、均匀程度等很大程度取决于施工人员的技术水平，可控性较差。rtm成型工艺是指低粘度树脂在闭合模具中流动、浸润增强材料并固化成形的一种工艺技术，属于复合材料的液体成形或结构液体成形技术范畴。其具体方法是在设计好的模具中，预先放入经合理设计、剪裁或经机械化预成形的增强材料，闭模后注入定量树脂，待树脂固化后即可脱模得到所期望产品。目前国内rtm工艺与国外相比仍存在一定的差距，国内技术成熟度不高，易产生起皱、起泡、干斑和裂纹等缺陷，且制造成本昂贵。模压成型工艺是复合材料生产中比较成熟的一种成型方法，它是将一定量的预浸料置于金属模具内，然后通过加热、加压固化成型，具有表面质量好、尺寸精度高、重复性好，生产效率高等优点，尤其是对于像螺旋桨这种复杂曲面的制品能够一次成型，其缺点是需要金属模具和加热装置等，初期设备投资较大，但规模生产后可显著降低其前期投资成本。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺点和不足，本实用新型旨在提供一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，重量轻，耐腐蚀性好，受力形式优且工艺成熟度高；叶片整体成型，加工简单、可行，装配定位精度高，工作状态下不发生叶片松动、脱出或破坏。
6.本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，包括桨叶预成型体和桨毂预成型体，桨叶预成型体布置在桨毂预成型体外周面；
8.桨叶预成型体包括多层桨叶贴膜结构，桨叶贴膜结构为每相邻两叶片中的前一个
桨叶下半部、后一个桨叶上半部与两个桨叶之间的连续区域整合的整体结构；
9.桨毂预成型体包括多层桨毂贴膜结构，桨毂贴膜结构以轴芯和芯模外表面为贴膜面、桨叶预成型体的圆弧面为限制面铺层整合的整体结构。
10.优选的，在桨叶预成型体与桨毂预成型体互相接触的内部圆角空隙处填充短纤维和胶粘剂的混合物。
11.优选的，桨叶铺贴层数根据前、后螺旋桨桨叶预成型体的最大厚度确定。
12.优选的，芯模外表面涂有脱模剂。
13.优选的，轴芯外表面涂有结构胶粘剂。
14.优选的，相邻的桨叶贴膜结构拼装组合形成桨叶预成型体。
15.同现有技术相比，本实用新型的船舶用整体式复合材料螺旋桨，具有以下有益效果：重量轻，耐腐蚀性好，受力形式优且工艺成熟度高；叶片整体成型，加工简单、可行，装配定位精度高，工作状态下不发生叶片松动、脱出或破坏。
附图说明
16.图1是本实用新型的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨的桨叶中面提取及贴膜面设计示意图。
17.图2是本实用新型的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨的桨叶预成型体的铺层示意图。
18.图3是本实用新型的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨的桨毂预成型体的铺层示意图。
19.图4是本实用新型的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨的整体式复合材料螺旋桨铺层示意图。
20.附图标记说明
21.1-桨叶贴膜面、2-桨叶中面、3-桨叶模具、4-轴芯、5-胶粘剂、6-发泡剂
具体实施方式
22.为了更好的理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本实用新型的范围或精神的情况下，可以在本实用新型中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本实用新型将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
23.如图1-4所示，一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，包括桨叶预成型体和桨毂预成型体，桨叶预成型体布置在桨毂预成型体外周面；
24.桨叶预成型体包括多层桨叶贴膜结构，桨叶贴膜结构为每相邻两叶片中的前一个桨叶下半部、后一个桨叶上半部与两个桨叶之间的连续区域整合的整体结构；
25.桨毂预成型体包括多层桨毂贴膜结构，桨毂贴膜结构以轴芯和芯模外表面为贴膜面、桨叶预成型体的圆弧面为限制面铺层整合的整体结构。
26.优选的，在桨叶预成型体与桨毂预成型体互相接触的内部圆角空隙处填充短纤维和胶粘剂的混合物。
27.优选的，桨叶铺贴层数根据前、后螺旋桨桨叶预成型体的最大厚度确定。
28.优选的，芯模外表面涂有脱模剂。
29.优选的，轴芯外表面涂有结构胶粘剂。
30.优选的，相邻的桨叶贴膜结构拼装组合形成桨叶预成型体。
31.另外，本发明的船舶用整体式复合材料螺旋桨的制备过程如下：
32.1.中面提取及贴膜面设计
33.如附图1所示，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桨叶上半部，将叶片位于几何中面以下的部分定义为桨叶下半部，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。通过三维设计软件，将每相邻两叶片中的前一个桨叶下半部、后一个桨叶上半部与两个桨叶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桨叶预成型体。提取桨叶预成型体的外表面(两半桨叶之间的表面)作为桨叶的设计贴膜面。
34.2.桨叶预成型体的铺贴设计
35.以桨叶设计贴膜面为模具面，以桨叶中面为限制面进行桨叶预成型体的铺层设计。如附图2所示，定义铺层坐标系，用于铺层角度设计。以叶片根部圆弧上一点为坐标原点，桨叶叶根到翼尖方向为x轴，以桨叶厚度方向为z轴，y轴满足右手坐标系。以贴膜面为基准，依次铺贴第1层、第2层、第3层
……
第n层，铺贴层数根据前、后螺旋桨桨叶预成型体的最大厚度确定。每层铺贴区域应使用铺层设计软件进行分析、输入到自动裁剪机下料得到。铺贴应遵循以下原则：1)内外表面为连续完整层；2)表面尽量铺设
±
45
°
织物，耐冲击性能好；3)若采用带向带铺层尽量对称耦合，成型扭曲变形量小，相同角度的铺层数尽量不超过3层；4)为便于铺贴简单工艺性好，桨叶预成型体可以使用
±
45
°
预侵料沿铺贴而成。所有铺层铺放完成后压实，得到第1个预型叶片，重复该步骤多次，直至所有叶片制备完成。
36.3.桨毂预成型体的铺贴设计
37.桨毂的成型以轴芯和芯模作为模具，即以轴芯和芯模外表面为贴膜面，桨叶预成型体的圆弧面为限制面进行铺层设计。不同的是在芯模外表面涂有脱模剂，成型后需进行脱模，而轴芯零件外表面涂有结构胶粘剂，成型后轴芯与缠绕铺贴的预侵料固化成为一个整体，作为桨毂镶嵌的金属花键使用。定义铺层坐标系用于铺层角度设计，以轴芯零件圆弧面上任意一点为坐标原点，以圆弧切线为x轴，以圆弧径向为z轴，y轴垂直纸面向内。以贴膜面为基准，依次铺贴第1层、第2层、第3层，铺贴第4层，第5层
……
第n层。铺贴应遵循以下原则：1)内外表面为连续完整层；2)表面尽量铺设
±
45
°
织物，耐冲击性能好；3)铺层尽量对称耦合，成型扭曲变形量小；4)为便于铺贴简单，桨毂预成型体可以使用
±
45
°
预侵料沿环向缠绕铺贴而成。所有铺层铺放完成后初步压实，得到附图3所示的桨毂预成型体。
38.4.预成型体模压成型
39.将制得的桨叶预成型体与桨毂预成型体对接，在桨叶与桨毂互相接触的内部圆角空隙处使用短纤维+胶粘剂混合物进行填充，同时两两半叶片拼装组合，即每相邻预成体叶片之间前一片上半部与后一片下半部相互合拢拼接。拼接完成后，最后将制备完成的螺旋桨放入模压模具中，进罐进行加温加压固化，完成后取出产品，最终打磨飞边制得附图4所
示的连续纤维增强复合材料螺旋桨。
40.同现有技术相比，本实用新型的船舶用整体式复合材料螺旋桨，具有以下有益效果：重量轻，耐腐蚀性好，受力形式优且工艺成熟度高；叶片整体成型，加工简单、可行，装配定位精度高，工作状态下不发生叶片松动、脱出或破坏。
41.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行可进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

技术特征：

1.一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，其特征在于，包括桨叶预成型体和桨毂预成型体，桨叶预成型体布置在桨毂预成型体外周面；桨叶预成型体包括多层桨叶贴膜结构，桨叶贴膜结构为每相邻两叶片中的前一个桨叶下半部、后一个桨叶上半部与两个桨叶之间的连续区域整合的整体结构；桨毂预成型体包括多层桨毂贴膜结构，桨毂贴膜结构以轴芯和芯模外表面为贴膜面、桨叶预成型体的圆弧面为限制面铺层整合的整体结构。2.根据权利要求1中所述的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，其特征在于，在桨叶预成型体与桨毂预成型体互相接触的内部圆角空隙处填充短纤维和胶粘剂的混合物。3.根据权利要求1中所述的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，其特征在于，芯模外表面涂有脱模剂。4.根据权利要求1中所述的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，其特征在于，轴芯外表面涂有结构胶粘剂。5.根据权利要求4中所述的一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，其特征在于，相邻的桨叶贴膜结构拼装组合形成桨叶预成型体。

技术总结

本实用新型公开了一种船舶用整体式复合材料螺旋桨，包括桨叶预成型体和桨毂预成型体，桨叶预成型体布置在桨毂预成型体外周面；桨叶预成型体包括多层桨叶贴膜结构，桨叶贴膜结构为每相邻两叶片中的前一个桨叶下半部、后一个桨叶上半部与两个桨叶之间的连续区域整合的整体结构；桨毂预成型体包括多层桨毂贴膜结构，桨毂贴膜结构以轴芯和芯模外表面为贴膜面、桨叶预成型体的圆弧面为限制面铺层整合的整体结构。本发明的船舶用整体式复合材料螺旋桨，重量轻，耐腐蚀性好，受力形式优且工艺成熟度高；叶片整体成型，加工简单、可行，装配定位精度高，工作状态下不发生叶片松动、脱出或破坏。坏。坏。