一种用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料螺旋桨技术领域，具体涉及一种用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨及其制备方法。

背景技术

船舶舰艇等的推进系统中的螺旋桨，一般由铝青铜、镍铝青铜和不锈钢等金属材料制成。金属材料制成的螺旋桨有诸多优点，但同时也存在很多问题，如易出现诱发疲劳裂纹、空泡腐蚀现象严重等，且金属材料因阻尼性能较差、重量大等容易引起螺旋桨的相互连接的传动轴而产生噪音。传统材料的螺旋桨推进系统长期受噪声、腐蚀和疲劳寿命等问题而备受困扰，由此使得设计者们开始考虑使用其他新型材料生产螺旋桨的可行性，其中碳纤维复合材料(CFRP)引起人们的广泛关注。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有比强度高、比模量大等优良的力学性能，且在满足设计力学性能要求的前提下，可以有效的减轻结构质量。此外，碳纤维复合材料还具有耐疲劳、耐腐蚀、抗高温、阻尼性能好及具有灵活的可设计性等优点。

因为碳纤维复合材料的诸多优点，由碳纤维复合材料制成的螺旋桨越来越受人们的欢迎。使用碳纤维复合材料制成的螺旋桨具有重量轻、不易被腐蚀、疲劳特性和阻尼特性较好等优点。最重要的是，复合材料具有可设计性，可事先通过合理安排桨叶的纤维方向和铺层顺序，从而设计出符合不同工作要求的、综合性能更优的CFRP螺旋桨。CFRP螺旋桨在实际工作中，由于材料性能，在水动力载荷下其工作状态较金属螺旋桨更为复杂，采用电信号传感器等常规测试手段已无法满足CFRP螺旋桨在线工作状态监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的采用电信号传感器等常规测试手段无法满足CFRP螺旋桨在线工作状态监测的问题，提供一种用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨及其制备方法，通过预埋的FBG传感器实现对CFRP螺旋桨的水下动应变的测量。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨，包括金属桨毂，还包括若干复合材料桨叶，每个复合材料桨叶包括CFRP桨叶、金属预埋桨叶和金属扇环连接部，所述金属预埋桨叶位于CFRP桨叶内部，金属预埋桨叶与CFRP桨叶通过模压成型固化为一体；所述金属预埋桨叶一端与金属扇环连接部的外侧面连接，金属扇环连接部用于将复合材料桨叶与桨毂连接；所述CFRP桨叶内预埋有FBG传感器及光纤，FBG传感器用于测量桨叶的动应变信息并通过光纤传输信号。

上述方案中，所述金属预埋桨叶与金属扇环连接部通过铸造的方式一体成型。

上述方案中，所述CFRP桨叶采用碳纤维预浸料布铺层制作而成；所述FBG传感器铺设于CFRP桨叶铺层内部，并利用碳纤维预浸料布的粘性对FBG传感器进行预粘，防止FBG传感器位置变动。

上述方案中，所述CFRP桨叶铺层内部铺设多个FBG传感器，多个FBG传感器与CFRP桨叶导边或随边距离相同且等间距分布。

上述方案中，所述金属预埋桨叶的半径为0.3至0.7倍螺旋桨半径；金属预埋桨叶在某一截面的最大厚度为该截面对应CFRP桨叶最大厚度的0.3-0.7倍，且厚度从结构最大厚度处向周围均匀减小。

上述方案中，所述桨毂为柱形回转体，桨毂内开设轴孔用于安装传动轴，桨毂外表面开设有若干第一安装孔用于复合材料桨叶的定位安装；所述金属扇环连接部对应的位置开设有若干第二安装孔，通过紧固件与所述桨毂固定连接。

上述方案中，所述金属扇环连接部上自金属预埋桨叶根部至金属扇环连接部端部沿轴向设有开槽，所述光纤从开槽内引出。

上述方案中，所述开槽内预埋有柔性的保护套管，所述光纤从保护套管内穿过。

相应的，本发明还提出上述用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨的制备方法，包括以下步骤：

制作桨毂；

制作复合材料桨叶：首先通过铸造的方法一体成型金属预埋桨叶与金属扇环连接部；然后在金属预埋桨叶上铺设一定层数的碳纤维预浸料布，金属预埋桨叶与碳纤维预浸料布之间采用胶粘固定；接着将FBG传感器铺设于CFRP桨叶铺层层间的设计位置上，并利用碳纤维预浸料布的粘性对FBG传感器进行预粘；接着将光纤引出；布置好FBG传感器后继续铺设碳纤维预浸料布至设计层数；最后通过模压成型的方法将CFRP桨叶与金属预埋桨叶固化为一体；

将若干金属扇环连接部一一组装在桨毂外侧面形成一个整体。

上述方法中，所述CFRP桨叶的单边各铺层角度由叶面向内为[F/0°2/45°2/0°2/45°2/0°2]。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的桨毂与复合材料桨叶采用分离的方式，便于复合材料螺旋桨的加工制作。

2.复合材料桨叶包括CFRP桨叶、金属预埋桨叶和金属扇环连接部，金属预埋桨叶用于加强CFRP桨叶的强度，金属扇环连接部便于复合材料桨叶整体与桨毂连接，在保证桨叶强度的前提下充分发挥CFRP桨叶的性能优势。

3.FBG传感器质量轻、不产生磁场干扰、可一纤多点，结构简单，易于植入复合材料结构内部而基本不会对其结构性能产生影响，利用FBG传感器的这些优势，并将其与碳纤维复合材料结合在一起，可以准确的通过试验对不同复合材料螺旋桨的水下动应变进行测量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨的立体图；

图2是本发明用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨的主视图；

图3是图1所示复合材料螺旋桨的桨毂的结构图；

图4-5是图1所示复合材料螺旋桨的复合材料桨叶的结构图；

图6是本发明实施例中复合材料桨叶0.15倍半径处弦切面的铺层示意图；

图7是本发明实施例中复合材料桨叶上FBG传感器的预埋位置示意图。

图中：10、桨毂；11、轴孔；12、键槽；13、第一安装孔；20、复合材料桨叶；21、CFRP桨叶；211、碳纤维复合材料铺层；22、金属预埋桨叶；23、金属扇环连接部；231、第二安装孔；24、开槽；25、保护套管；30、FBG传感器；40、光纤；50、紧固件。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，为本发明实施例提供的一种用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨，包括一个桨毂10以及若干复合材料桨叶20。

桨毂10是连接螺旋桨桨叶与电机传动轴的部件，其结构如图3所示，桨毂10为柱形回转体，桨毂10中间沿轴向设有轴孔11用于连接传动轴，轴孔11设有键槽12，用于传递扭矩与推力，桨毂10外壁上设有第一安装孔13，用于复合材料桨叶20的定位安装。桨毂10采用金属材料。

如图4-5所示，每个复合材料桨叶20包括CFRP桨叶21、金属预埋桨叶22和金属扇环连接部23。金属预埋桨叶22位于CFRP桨叶21内部，金属预埋桨叶22端部与金属扇环连接部23的外侧面连接。金属预埋桨叶22与金属扇环连接部23通过铸造的方式一体成型，金属预埋桨叶22与CFRP桨叶21通过模压成型固化为一体，模压成型过程中二者采用胶粘固定。金属预埋桨叶22主要是为了加强CFRP桨叶21强度，所述金属预埋桨叶22结构部分不能过小，同时为了突出碳纤维复合材料的优异性能，金属预埋桨叶22结构所占比重也不能过大。综合上述考虑，金属预埋桨叶22的半径为0.3-0.7倍螺旋桨半径，金属预埋桨叶22在某一截面的最大厚度为该截面处对应CFRP桨叶21最大厚度的0.3-0.7倍，厚度从结构最大厚度处向周围均匀减小，这样既能保证金属预埋桨叶22的强度，又能突出CFRP桨叶21的优异性能。金属扇环连接部23的作用是便于将复合材料桨叶20与金属桨毂10连接，金属扇环连接部23上对应第一安装孔13的位置设有第二安装孔231，固化成型后的复合材料桨叶20通过紧固件50将其与桨毂10固定连接为一体。金属扇环连接部23组装后形成一个包围在桨毂10外的完整的圆环形。

CFRP桨叶21采用碳纤维复合材料，采用图6所示碳纤维复合材料铺层211来制作，碳纤维复合材料铺层211中单边各铺层角度由叶面向内为[F/0°2/45°2/0°2/45°2/0°2]。

CFRP桨叶21内预埋有FBG传感器30及光纤40，FBG传感器30与光纤40相连，FBG传感器30用于测量桨叶的动应变信息并通过光纤40传输信号。FBG传感器30的预埋位置根据CFRP桨叶21的厚度分布、铺层方案和铺层的尺寸来确定。

进一步优化，本实施例中，CFRP桨叶21单边铺层厚度为11层。FBG传感器30铺设在第8层碳纤维复合材料铺层211的对应位置上，并利用碳纤维预浸料布的较强粘性对FBG传感器30进行预粘，防止FBG传感器30位置变动。预埋的FBG传感器30在CFRP桨叶21上的位置布局如图7所示。

进一步优化，本实施例中，碳纤维复合材料选用连云港中复神鹰碳纤维有限责任公司的FAW200RC36(T700系列)单向碳纤维预浸料布。

进一步优化，本实施例中，第一安装孔13与第二安装孔231均为螺纹孔，紧固件50为螺钉或销钉。

进一步优化，本实施例中，金属扇环连接部23上自金属预埋桨叶22根部至金属扇环连接部23端部沿轴向设有开槽24，光纤40从开槽24内引出。由于开槽24两端为易弯折区，因此在开槽24内预埋柔性的保护套管25，光纤40从保护套管25内穿过。保护套管25具有较好的弹性和伸缩性，复合材料桨叶20在成型过程中保护套管25受压而变成扁平状，不容易引起分层损伤。且由于具有的良好弹性，在信号传输光纤40引出后遇到易弯折区时不会折断。保护套管25的材料优选为海翠塑料。

进一步优化，本实施例中，引出的信号传输光纤40在桨毂10的轴孔11内整合成一束信号传输光纤用于传输数据。

复合材料桨叶20在水中转动时，由于受到水的作用力，组成叶片的碳纤维复合材料铺层211发生形变，预埋的FBG传感器30采集变形信号并转化为光信号，通过光纤40传输，从而实现螺旋桨的水下动应变测量。

相应的，本发明还提出上述用于进行水下动应变测量的复合材料螺旋桨的制备方法，包括以下步骤：

制作桨毂10；

制作复合材料桨叶20：首先通过铸造的方法一体成型金属预埋桨叶22与金属扇环连接部23；然后在金属预埋桨叶22上铺设一定层数的碳纤维预浸料布，金属预埋桨叶22与碳纤维预浸料布之间采用胶粘固定；接着将FBG传感器30铺设于CFRP桨叶21铺层层间的设计位置上，并利用碳纤维预浸料布的粘性对FBG传感器30进行预粘；接着将光纤40引出；布置好FBG传感器30后继续铺设碳纤维预浸料布至设计层数；最后通过模压成型的方法将CFRP桨叶21与金属预埋桨叶22固化为一体；

将若干金属扇环连接部23一一组装在桨毂10外侧面形成一个整体。

上述方法中，CFRP桨叶21的单边各铺层角度由叶面向内为[F/0°2/45°2/0°2/45°2/0°2]。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。