一种叶片结构的制作方法

1.本实用新型涉及风扇叶片领域，具体涉及叶片结构领域。


背景技术：

2.风扇叶片是现代航空发动机的关键部件之一，目前常用的风扇叶片有两种：钛合金空心风扇叶片和带有金属外包边的复合材料风扇叶片。新结构、新材料以及新加工工艺在风扇叶片上的使用，可以降低重量并增强其抵抗外物冲击特别是鸟体冲击的能力。
3.增材制造技术是一种以数字模型为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术，运用诸如金属粉末、塑料粉末等粉末状可粘合材料的逐层堆叠累积，以构造物体外形。增材制造技术直接制造几乎任意形状的三维实体。增材制造技术应用于航空发动机风扇叶片，基于其可加工结构特别是内部结构形式灵活多样的特点，可以在最大限度地减轻叶片重量的前提下，通过局部结构的设计有效提高叶片的抗冲击能力。
4.金属夹芯复合材料风扇叶片是一种新型混合结构(hybrid)风扇叶片，金属结构不仅仅包覆于复合材料表面，而是深入复合材料内部，起到类似于“骨架”的作用。这种构型的风扇叶片可以更充分地利用复合材料重量轻、抗疲劳性能好以及金属材料韧性高、抗冲击性能好的优点。
5.金属结构与复合材料的连接方式包括胶接、缝合、机械连接等。对于胶接连接，通过胶粘剂连接构件，目前现有的胶粘剂剥离强度低，较难传递大的载荷，鸟撞后叶片容易分层；对于缝合连接，通过缝线连接构件，需要在金属型芯上开孔，导致金属夹芯强度降低；对于机械连接，通过机械方式，如螺栓、铆钉、榫卯等结构连接构件，引入额外重量，并较难获得光滑气动外形。
6.因此，有必要提出一种叶片结构，以解决上述问题。


技术实现要素：

7.本实用新型的一个目的是提供一种叶片结构，能够获得较高的连接强度，且能够保证叶片的光滑气动外形。
8.为实现上述目的的叶片结构包括叶身和前缘，所述叶身包括外周面和中部，所述前缘由金属材料制成，所述外周面由复合材料制成，所述中部由金属型芯构成，所述金属型芯与所述复合材料的连接界面为网状结构，所述复合材料的纤维交织缠绕在所述网状结构上。
9.在一个或多个实施例中，所述网状结构的网格密度不均匀分布。
10.在一个或多个实施例中，所述纤维在所述网状结构上的交织规则不同。
11.在一个或多个实施例中，所述交织规则包括三维编织方式、二维编织方式和机织方式。
12.在一个或多个实施例中，所述交织规则包括纵横步进式编织和圆型编织。
13.在一个或多个实施例中，带有所述网状结构的所述金属型芯通过增材制造一体成
型。
14.在一个或多个实施例中，所述纤维与所述金属型芯缠绕成一体后被共固化，以获得叶片。
15.在一个或多个实施例中，所述网状结构为方格结构、菱形格结构、圆孔结构的其中之一或其组合。
16.上述叶片结构凭借在金属型芯朝向所述复合材料的连接界面上的网状结构和复合材料纤维的交织缠绕，实现金属型芯和复合材料的紧密连接，从而获得较高的界面连接强度，防止金属与复材之间产生界面分层；且该结构使金属型芯不需要开孔且不引入额外的质量来进行界面连接，也使得复合材料的表面不会有缝线或者其他连接构件，保证了叶片光滑气动外形。
附图说明
17.本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
18.图1是叶片结构的示意图。
19.图2是图1中a-a截面的部分示意图。
20.图3是金属型芯的外形示意图。
21.图4是网状结构的一个实施例的示意图。
22.图5是网状结构的另一个实施例的示意图。
23.图6是预制体纤维与网状结构的缠绕示意图。
24.附图标记说明
25.1 前缘
26.2 叶身
27.3 金属型芯
28.5 连接界面
29.21 外周面
30.22 中部
31.10 纤维
32.30 网状结构
具体实施方式
33.下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。
34.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。
35.金属夹芯复合材料风扇叶片是一种新型混合结构风扇叶片。复合材料是指由树脂基体及其中的纤维材料通过热固化工艺制成。纤维材料为金属或非金属，包括但不限于芳
族聚酸胺纤维、碳纤维、玻璃纤维及其组合。基体树脂包括但不限于聚酰胺、聚乙酰胺及其组合物等。金属型芯结构深入复合材料内部，起到类“骨架”作用，从而起到提高叶片整体刚度，并提升叶片的抗冲击性能。
36.复合材料与金属型芯为不同的材料，二者常见的连接方式有胶接、缝合、机械连接等。
37.胶接是指通过胶粘剂连接复合材料与金属型芯，胶粘剂可使用诸如环氧树脂、环氧酚醛、有机硅树脂、聚酰亚胺等材料，在高温工作环境中，胶粘剂的热膨胀系数还需要选择与被胶件接近。但胶粘剂一般剥离强度低，难以传递大的载荷，在鸟撞后叶片容易分层，不能保证较佳的连接强度。
38.缝合是指通过缝线连接复合材料与金属型芯。但缝线一般需要在金属型芯上开孔，从而影响型芯表面结构，导致金属夹芯强度降低。
39.机械连接是通过机械方式，如螺栓、铆钉、榫卯等连接构件实现复合材料与金属型芯的连接。但机械连接的连接件会为叶片引入额外重量，并较难获得光滑气动外形。
40.针对于此，本公开提出的叶片结构能够解决上述问题。
41.如图1至图3所示，叶片结构包括叶身2和前缘1，前缘1由金属材料制成，叶身2沿着风扇叶片的厚度方向。叶身2包括外周面21和中部22，外周面21由复合材料制成，中部22由金属型芯3构成。
42.金属型芯3位于叶片叶身中部，在叶片结构中起到“骨架”作用。金属型芯3与复合材料的连接界面5为网状结构30，复合材料的预制体纤维10交织缠绕在网状结构30上。
43.由图2和图3所示，连接界面5存在于叶身2上的复合材料和金属型芯3的连接处，还存在于前缘1处复合材料与金属型芯3的连接处。
44.网状结构30参照图4和图5所示，是在连接界面5处形成的阵列式网状结构。网状结构可以如图4所示的方格结构31，也可以如图5所示的菱形格结构33，还可以为其他形状，如圆孔型、三角形等的网状结构。
45.通过设置网状结构，为复合材料纤维提供缠绕的着力点，以实现复合材料和金属型芯3之间的固定，从而有效增强叶片的强度，且通过缠绕交织的方式，避免出现复合材料和型芯分层的问题，因此能够避免在承受较大冲击时叶片产生分层。
46.在一个实施例中，带有网状结构30的金属型芯3通过增材制造一体成型。增材制造通过粉末的逐层堆叠累积的方式构造物体，因此能够打印多种形状。通过增材制造一体成型，能够满足小批量、快速迭代的研制需要。
47.通过直接在金属型芯3上设置网状结构，避免引入机械连接件，从而避免为叶片引入额外重量，并避免对金属型芯3的内部结构造成影响，从而保障金属型芯3形成光滑气动外形，提高金属材质夹芯的强度。
48.网状结构能够预先通过设计程序确定。在一个实施例中，网状结构30的网格密度不均匀分布。在对叶片进行受力分析之后，可灵活设计金属型芯3的结构以及金属型芯3表面网状结构30的网格特征，以满足叶片各处强度需求。
49.如叶片受力较大区域提供网格密度更高的网状结构，以增加复合材料纤维的着力点，从而促进连接强度，以更好的适应叶片受力特征。
50.结合图6所示，在一个实施例中，复合材料的纤维10在网状结构30上的交织规则不
同。复合材料在共固化前包括树脂基体和纤维材料，复合材料预制体编织时，复合材料纤维10根据叶片强度、叶型参数以及编织工艺确定在网状结构30上的交织规则。
51.如在一个实施例中，交织规则包括三维编织方式、二维编织方式和机织方式；在另一个实施例中，交织规则包括纵横步进式编织和圆型编织等。
52.根据叶片强度要求，选用三维编织规则，使得连接界面强度较佳。根据叶片结构，可选择纵横步进式编织和圆型编织等规则。
53.纤维10和金属型芯3之间的交织规则由工作人员根据具体工况进行选择，且交织规则包括但不限于上述实施例，本领域工作人员可以理解到，适用于纤维编织的其他交织规则均可应用于本公开。
54.纤维10与金属型芯3编织完成后形成复材预制体，将复材预制体以及金属整体进行共固化，得到叶片构件。
55.上述叶片结构凭借在连接界面处形成的网状结构和复合材料纤维的交织缠绕，实现金属型芯和复合材料的紧密连接，从而获得较高的界面连接强度，防止金属与复材之间产生界面分层；且该结构使金属型芯不需要开孔且不引入额外的质量来进行界面连接，也使得复合材料的表面不会有缝线或者其他连接构件，保证了叶片光滑气动外形。
56.此外，金属型芯通过增材制造工艺成型，可灵活设计型芯及型芯表面网格，满足小批量、快速迭代的研制需要。
57.本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
58.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个实用新型实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
59.本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如复合材料纤维的选取、交织规则的确定、金属型芯表面网格结构密度的确定等。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。