一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法及应用

本发明涉及船舶与海洋工程，尤其涉及一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法及应用。

背景技术：

1、在船舶领域，传统的金属螺旋桨容易发生空泡腐蚀和疲劳裂纹等，且加工复杂构型的金属材料成本高；纤维金属螺旋桨有其特殊优势，可以将金属与碳纤维复合材料各自的优异性能相结合，但在局部受力时，其叶梢位置变形严重，导致桨叶整体刚度降低，同时异质材料结合界面受到材料性能的影响，极易出现金属/纤维界面分层、纤维-树脂基体脱粘等，根据施加应力的不同，其失效形式也更为复杂。

2、本发明主要研究纤维金属螺旋桨叶片界面增韧的设计方法，提高桨叶的整体刚度，通过对纤维金属螺旋桨叶片内部的钛合金材料进行增韧设计，钛合金片表面包含与临近纤维层方向一致的凹槽结构，纤维与凹槽结构形成机械联锁，提高异质材料的界面结合强度，减少桨叶内部的破坏形式。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法。本发明采用的技术手段如下：

2、一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，纤维金属螺旋桨的桨叶内部由碳纤维复合材料层和内嵌式钛合金片叠层制备而成，钛合金片嵌于桨叶的叶梢位置，表面包含与邻近碳纤维复合材料层的纤维方向一致的凹槽结构；纤维金属螺旋桨叶片整体刚度与两种材料的力学性能、组元配比、形状结构有关，通过调节两种材料的力学性能、组元配比、形状结构，得到预设刚度的纤维金属螺旋桨叶片。

3、进一步地，所述碳纤维复合材料层包括多层碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料，所述钛合金片在结构上代替原有碳纤维复合材料螺旋桨叶片，形状与所替代层叶片一致且长厚比大于10:1，钛合金片表面包含并列直线型等间距等深度的凹槽结构，凹槽取向与邻近碳纤维复合材料层的纤维方向一致。

4、进一步地，所述凹槽为直线性结构，长度与叶片结构一致，宽度与深度均小于钛合金片厚度的1/2，凹槽之间的间隔大于单个凹槽宽度。

5、进一步地，钛合金片表面加工直线型凹槽能够增加钛合金与纤维之间的接触面积，使邻近层的纤维和树脂在成型过程热压载荷下嵌入凹槽中，形成机械联锁，以提高界面抵抗剪切破坏的能力。

6、进一步地，钛合金片表面经加工后，保留加工毛刺，所述加工毛刺能够增强纤维连接，提高界面剪切强度、界面抵抗张开破坏的能力。

7、进一步地，桨叶整体刚度除与钛合金、碳纤维复合材料的相关参数有关外，凹槽结构对桨叶刚度也有影响，纤维金属螺旋桨叶片整体刚度用如下公式计算：

8、

9、其中

10、

11、其中，q代表钛合金或碳纤维预浸料的刚度，y代表钛合金的层数，m代表钛合金的最少层数，n代表碳纤维预浸料的层数，h代表钛合金或碳纤维预浸料的厚度，hmti代表每层钛合金片除去凹槽部分的实际厚度，z代表凹槽个数，sg代表凹槽的表面积，hg代表凹槽深度，sti代表每层钛合金片的表面积，下标ti代表钛合金，下标c代表碳纤维预浸料。

12、进一步地，以桨叶中面层为对称中心，在靠近桨叶背水面和拍水面侧多层叶片中嵌入具有凹槽结构的钛合金片，通过对称式铺层结构设计组元配比，嵌入的钛合金片设计为具有双面凹槽，凹槽方向与临近纤维层方向保持一致，与凹槽接触的多层碳纤维复合材料之间紧密结合，保证无褶皱和空气泡。

13、进一步地，依据所设计的复合材料螺旋桨叶片铺层顺序，依次铺设碳纤维复合材料和具有凹槽的钛合金片，铺设后利用热压机进行纤维金属螺旋桨叶片的加热加压固化，利用树脂在热压过程中的流动性使纤维在压力条件下嵌入邻近钛合金表面的凹槽中形成纤维束和钛合金之间的机械联锁，利用所加工的凹槽增大层间的粘接面积，利用钛合金加工毛刺嵌入树脂中形成微观机械锚固，进而实现纤维金属螺旋桨叶片的异质界面结合强度的提升，提高其整体刚度。

14、本发明还公开了一种应用上述界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法制造的纤维金属螺旋桨叶片。

15、本发明具有以下优点：

16、1、采用碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料和具有凹槽结构的钛合金片叠层制备而成的纤维金属螺旋桨叶片，具有轻质、变形可设计、桨叶刚性强、异质材料层间结合强度高的优势；

17、2、利用碳纤维和树脂在热压过程中嵌入到钛合金表面的凹槽中起到纤维镶嵌作用，凹槽增大异质材料之间的粘接面积，同时加工毛刺嵌入树脂中起到细观机械锚固作用，可提高纤维金属螺旋桨叶片的层间结合强度，保证其层间断裂韧性满足要求；

18、3、本发明中凹槽设计将两种材料的优良性能结合起来，减小异质材料之间经加热加压固化后产生的残余应力，实现了纤维金属螺旋桨叶片整体性能的提升；

19、4、建立纤维金属螺旋桨叶片刚度与异质材料的力学性能、组元配比及凹槽结构之间的关系式，通过合理的结构设计以及对称式铺层方式，充分结合纤维层变形可设计和钛合金的高刚度优势，解决了传统纤维金属螺旋桨刚度不足的问题。

技术特征：

1.一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，纤维金属螺旋桨的桨叶内部由碳纤维复合材料层和内嵌式钛合金片叠层制备而成，钛合金片嵌于桨叶的叶梢位置，表面包含与邻近碳纤维复合材料层的纤维方向一致的凹槽结构；纤维金属螺旋桨叶片整体刚度与两种材料的力学性能、组元配比、形状结构有关，通过调节两种材料的力学性能、组元配比、形状结构，得到预设刚度的纤维金属螺旋桨叶片。

2.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料层包括多层碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料，所述钛合金片在结构上代替原有碳纤维复合材料螺旋桨叶片，形状与所替代层叶片一致且长厚比大于10:1，钛合金片表面包含并列直线型等间距等深度的凹槽结构，凹槽取向与邻近碳纤维复合材料层的纤维方向一致。

3.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，所述凹槽为直线性结构，长度与叶片结构一致，宽度与深度均小于钛合金片厚度的1/2，凹槽之间的间隔大于单个凹槽宽度。

4.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，钛合金片表面加工直线型凹槽能够增加钛合金与纤维之间的接触面积，使邻近层的纤维和树脂在成型过程热压载荷下嵌入凹槽中，形成机械联锁，以提高界面抵抗剪切破坏的能力。

5.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，钛合金片表面经加工后，保留加工毛刺，所述加工毛刺能够增强纤维连接，提高界面剪切强度、界面抵抗张开破坏的能力。

6.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，桨叶整体刚度除与钛合金、碳纤维复合材料的相关参数有关外，凹槽结构对桨叶刚度也有影响，纤维金属螺旋桨叶片整体刚度用如下公式计算：

7.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，以桨叶中面层为对称中心，在靠近桨叶背水面和拍水面侧多层叶片中嵌入具有凹槽结构的钛合金片，通过对称式铺层结构设计组元配比，嵌入的钛合金片设计为具有双面凹槽，凹槽方向与临近纤维层方向保持一致，与凹槽接触的多层碳纤维复合材料之间紧密结合，保证无褶皱和空气泡。

8.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，依据所设计的复合材料螺旋桨叶片铺层顺序，依次铺设碳纤维复合材料和具有凹槽的钛合金片，铺设后利用热压机进行纤维金属螺旋桨叶片的加热加压固化，利用树脂在热压过程中的流动性使纤维在压力条件下嵌入邻近钛合金表面的凹槽中形成纤维束和钛合金之间的机械联锁，利用所加工的凹槽增大层间的粘接面积，利用钛合金加工毛刺嵌入树脂中形成微观机械锚固，进而实现纤维金属螺旋桨叶片的异质界面结合强度的提升，提高其整体刚度。

9.一种权利要求1～8任一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法的制造的纤维金属螺旋桨叶片。

技术总结
本发明提供一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法及应用，高刚度纤维金属螺旋桨叶片由碳纤维复合材料与内嵌式钛合金片叠层制备而成，钛合金薄片嵌于桨叶的叶梢位置，表面包含与邻近碳纤维复合材料层纤维方向一致的凹槽结构，钛合金表面的凹槽使临近纤维束嵌入形成机械联锁，提高异质界面的层间结合强度，表面凹槽能协调热膨胀系数相差较大的两种材料，减小在加热加压固化后的残余应力，改善钛合金与碳纤维预浸料界面结合处的受力状态，通过合理的组元配比、结构设计和铺层工艺形成一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片。

技术研发人员：鲍永杰,刘真,杨宇星,张乐强
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13