三維編織復合材料整體成型旋翼槳葉及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供一種采用三維編織工藝整體成型的復合材料旋翼槳葉。
【背景技術】
[0002]目前無人直升機使用的旋翼槳葉需要將上下翼面、承載大梁等主要部件先采用獨立模具鋪設碳纖維單向布或者編織布預成型后，再通過膠接或者共固化的方式最終成型。采用這種工藝方式制作槳葉工序復雜，且碳纖維布的鋪設依賴于人工經驗，生產效率低下，無法保證不同槳葉之間的均勻一致性，同時由于槳葉翼面和大梁等部件僅僅通過樹脂粘接在一起，整體性較差，層間強度低，在受到較大的載荷或者外部沖擊時容易出現分層破壞，無法充分發(fā)揮碳纖維材料的性能優(yōu)勢。而三維編織復合材料由于采用了三維整體織物作為承載增強體，可以通過編織工藝設計實現復雜結構件的一體化編織預成型，無需二次膠接和機械加工，克服了傳統(tǒng)層合復合材料的分層問題，具有很高的抗疲勞性能和損傷容限，在制造復雜載荷條件下的主承力結構件方面擁有廣泛的應用前景。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了有效解決現有復合材料旋翼槳葉在加工工藝和承載性能方面的不足，提高槳葉承載部件的整體性，保證槳葉載荷可以通過承載纖維進行有效傳遞。槳葉根部連接接頭、上下翼面蒙皮以及承載大梁采用三維編織工藝進行一體化編織，通過編織臺面形狀和編織工藝設計保證槳葉主要部件的外形尺寸輪廓，纖維沙束在編織過程中保持連續(xù)，進而形成整體編織預成型件，再在槳尖位置安放配重管、配重鉛塊等部件，最后通過RTM(樹脂傳遞模塑--Resin Transfer Molding)工藝進行固化成型。
[0004]本發(fā)明提出了一種使用三維編織工藝的復合材料旋翼槳葉，槳葉結構整體性較現有層合復合材料方案顯著提高，根部連接接頭、上下翼面蒙皮和承載大梁通過連續(xù)承載纖維沙束編織實現了一體化，避免了二次膠接導致結構承載剛度和強度的降低。
[0005]本發(fā)明提供了一種三維編織復合材料整體成型旋翼槳葉，三維編織復合材料旋翼槳葉包括根部連接接頭、上下翼面蒙皮、承載大梁、根部連接孔金屬襯套、槳尖配重鉛塊和槳尖配重管。其中根部連接接頭、上下翼面蒙皮和承載大梁屬于復合材料部件，采用三維編織工藝一體化成型，編織過程中復合材料部件之間承載的纖維沙束連續(xù)，保證載荷傳遞的有效性；槳尖配重管、槳尖配重鉛塊和根部連接孔金屬襯套屬于金屬部件，在完成復合材料部件的預成型件編織后，通過模具固定在預成型件的相應位置，再通過RTM工藝與編織預成型件共固化成型。
[0006]根部連接接頭采用單孔耳片樣式，耳片中心孔采用編織成型，固化定型之后無需二次機械加工，保證內部纖維沿載荷方向連續(xù)，根部連接接頭完成編織預成型之后在其中心孔嵌入根部連接孔金屬襯套，通過調整根部連接孔金屬襯套保證耳片中心孔的位置和尺寸公差。
[0007]編織過程中上下翼面蒙皮承載纖維與根部連接接頭承載纖維保持連續(xù)，通過編織臺面合理布置實現槳葉上下翼面蒙皮和承載大梁的一體化編織成型，編織過程中保持上下翼面蒙皮外形與理論氣動外形的拓撲結構一致，然后在RTM工藝過程中通過外模具對上下翼面蒙皮外形進行精確定型，保證槳葉固化成型之后的上下翼面蒙皮外形與理論氣動外形誤差控制在可接受范圍內。
[0008]所述的三維編織復合材料旋翼槳葉的制作方法，具體步驟如下:
[0009]步驟1:槳葉編織工藝設計:
[0010]根據槳葉的載荷形式和幾何結構確定不同部位的編織工藝，對編織過程中的纖維紗束走向以及不同編織工藝步編織機臺面形狀進行設計，確定槳葉編織工藝方案。
[0011]步驟2:準備編織所需的纖維紗束和編織機臺面:
[0012]根據槳葉的編織工藝方案確定所需纖維紗束的數量并根據纖維紗束的編織路徑估算不同纖維紗束所需長度；按照編織部件的拓撲截面形狀和編織方式擺放每一編織工藝步所需的編織機臺面。
[0013]步驟3:進行槳葉根部連接接頭的編織成型:
[0014]槳葉根部連接接頭采用矩形編織機臺面進行編織預成型，編織過程中通過局部逐漸加紗的方式保證槳葉根部的幾何輪廓尺寸。
[0015]步驟4:槳葉上下翼面蒙皮與承載大梁一體化編織成型:
[0016]由于槳葉根部連接接頭與槳葉上下翼面蒙皮部分幾何拓撲結構不同，在完成槳葉根部連接接頭編織預成型之后，需改換編織臺面，進行二次掛紗操作，然后才能對槳葉上下翼面蒙皮和承載大梁進行編織直至完成整個槳葉的預成型。
[0017]步驟5:安放金屬部件:
[0018]在預成型槳葉的相應位置安放根部連接孔金屬襯套、槳尖配重鉛塊和槳尖配重管等部件，并通過模具進行精確定位，保證部件位置誤差不超過0.1毫米，同時在槳葉內部空腔填充泡沫芯；
[0019]步驟6:槳葉整體RTM固化成型:
[0020]閉合模具并進行密封處理，通過RTM設備向模具內注入固化樹脂，然后將模具置于加熱烘箱中并根據樹脂的固化工藝要求進行加熱固化，完成三維編織復合材料旋翼槳葉的制備。
[0021]同傳統(tǒng)層合復合材料槳葉相比，本發(fā)明的槳葉方案無需二次膠接和機械加工，保證了槳葉結構內部承載纖維的連續(xù)性，提高了結構承載效率，同時充分發(fā)揮了三維編織復合材料的優(yōu)勢，避免了層合復合材料的分層和膠接失效的問題，提高了槳葉的疲勞性能和損傷容限。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明三維編織復合材料旋翼槳葉內部結構示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明三維編織復合材料旋翼槳葉翼型截面示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明三維編織復合材料旋翼槳葉根部編織初始成型面及成型方向示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明三維編織復合材料旋翼槳葉根部編織預成型件局部加紗區(qū)域示意圖；
[0026]圖5是本發(fā)明三維編織復合材料旋翼槳葉翼型結構組合編織臺面示意圖。
[0027]圖中:
[0028]1、根部連接接頭；2、上下翼面蒙皮；3、承載大梁；
[0029]4、根部連接孔金屬襯套；5、槳尖配重鉛塊；6、槳尖后緣配重管。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0031]參照圖1和圖2，本發(fā)明提供一種三維編織復合材料整體成型旋翼槳葉，所述旋翼槳葉的根部連接接頭1、上下翼面蒙皮2、承載大梁3和根部連接孔金屬襯套4是在編織過程中一體成型結構。如圖2所示，編織紗束連續(xù)貫穿于承載大梁3和上下翼面蒙皮2，保證了這兩個部件在編織過程中一體成型。
[0032]本發(fā)明還提供一種所述的三維編織復合材料整體成型旋翼槳葉的制作方法，具體步驟如下:
[0033]步驟1:槳葉編織工藝設計:
[0034]根據槳葉的載荷形式，采用三維五向或者三維全五向工藝進行編織，碳纖維材料采用T300纖維或者T700纖維。根據槳葉不同部位的幾何形狀確定編織臺面，其中根部連接接頭I采用矩形編織臺面進行編織，上下翼面蒙皮2和承載大梁3由于形狀比較復雜，采用組合編織臺面進行編織；根據槳葉不同部位的幾何結構尺寸確定不同部位所需編織紗和軸向紗數量，其中編織紗長度為槳葉總長除以編織角余弦值后長度的1.2?1.5倍，軸向紗長度為槳葉總長的1.2?1.5倍。所