CN115949471A - 一种正交三维机织复合材料出口导向叶片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正交三维机织复合材料出口导向叶片及其制造方法，涉及复合材料技术领域。本发明实现出口导向叶片近净成形，并通过设计预制体分叉方式增强出口导向叶片叶型‑缘板连接区域。本发明采用正交三维机织复合材料的基本结构和叶型‑缘板连接区域分叉方式，使出口导向叶片结构的拉伸强度、压缩强度和弯曲载荷均有明显提高，同时减轻出口导向叶片的重量。本发明能够在保证叶片整流、降噪等功能的前提下，同时承担支板的结构承力、传力作用，进一步降低航空发动机重量，减小航空发动机尺寸，降低结构复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种正交三维机织复合材料出口导向叶片及其制造方法。
背景技术
三维机织技术是利用多层经纱织造方法，将若干经纱和纬纱层相互接结而形成具有一定厚度的三维整体预制体的织造技术，其预制体生产效率高、可设计性强，且具有优异的复杂结构近净成形能力。近年来，三维机织复合材料作为一种使能技术，首次应用于航空航天领域高端装备的关键结构上。
目前大多数现代民用和军用飞机由涡扇喷气发动机提供动力，作为涡扇喷气发动机结构的重要组成部分，出口导向叶片具有将风扇出口的气流进行整流并提高推力的功能，而外涵道出口附近亦有用于支承外涵道与机匣的支板；支板与出口导向叶片相比，叶型厚度、长度均较大，会对外涵道的流动产生较大影响。
为了改善气动性能、降低噪音、减小航空发动机尺寸并减轻航空发动机重量，目前常见的是支板和出口导向叶片并排排列的设计，该设计的提升较为有限且对结构的设计和优化引入了更多的变量，设计难度和结构复杂程度大幅度提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种正交三维机织复合材料出口导向叶片及其制造方法，本发明制备的正交三维机织复合材料出口导向叶片在保证叶片整流、降噪功能的基础上，实现用叶片承力传力，降低出口导向叶片-支板结构复杂程度，缩短航空发动机长度，促进结构功能一体化。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种正交三维机织复合材料出口导向叶片的制造方法，包括以下步骤：
(1)根据出口导向叶片的几何尺寸要求设定叶型区参数和缘板区参数；
(2)根据步骤(1)所述出口导向叶片的几何尺寸要求和出口导向叶片在不同载荷下的力学性能要求，设定叶型-缘板连接区域分叉方式；
(3)根据所述步骤(1)和步骤(2)设定的条件，织造正交三维机织出口导向叶片预制体；
(4)将所述正交三维机织出口导向叶片预制体依次进行预成形和成型，得到正交三维机织复合材料出口导向叶片。
优选地，所述步骤(1)包括：
(11)根据叶型弦线长度l、缘板内表面间距h、叶型区体积V1计算叶型区等效厚度t1＝V1/lh，以叶型区等效厚度t1作为基础厚度，设定叶型区的经纱层数nj和纬纱层数nw满足nj＝nw-1；
(12)通过控制叶型区经纱密度和纬纱密度设定叶型区的纤维体积含量为40～60％；
(13)通过控制叶型区不同区域内纬纱长丝支数、经纱长丝支数和纱线密度，使叶型区符合叶型要求；
(14)设定缘板区的基础厚度t3＝0.5t1，缘板区的经纱层数为0.5nj，缘板区的纬纱层数为0.5nj+1。
优选地，所述nj≥3。
优选地，所述缘板区的纤维体积含量与叶型区的纤维体积含量保持一致。
优选地，所述步骤(2)包括：
将三维机织出口导向叶片预制体叶型区中的纬纱沿厚度方向编号为w1～w2n，其中n为整数；叶型区纬纱数量为偶数；编号为wn+1和wn+2的纬纱或者编号为wn-1和wn的纬纱以二合股的形式处于同一层；
通过控制经纱的提综方式改变纬纱的分布，使得在叶型-缘板连接区域的纬纱沿厚度方向的位置发生改变，发生改变后缘板区厚度方向纬纱编号为
＊＊
w1～w2n；
叶型区和缘板区的纬纱编号组成的集合为一一映射关系，2n根纬纱共有2n全排列种分叉方式。
优选地，所述织造采用的设备包括提花机或三维织机。
优选地，步骤(3)所述织造包括：
(31)叶型区、缘板区的织造：
以自下而上的顺序，依次提起目标纬纱所在位置以上的经纱，并依次插入纬纱；
(32)叶型-缘板连接区域的织造：
依次添加纬纱w1至w2n，在叶型-缘板连接区域靠近叶型区一侧，提起目标纬纱wi所在位置以上的经纱；在叶型-缘板连接区域靠近缘板区一侧，提起wi对应的目标编号wi ＊纬纱所在位置以上的经纱，将纬纱插入，该过程循环进行。
优选地，所述预成形包括：使用模具以叶型区、叶型-缘板连接区域、缘板区的先后顺序，依次压实紧固叶型区、展开叶型-缘板连接区域、压实叶型-缘板连接区域、压实紧固缘板区，完成出口导向叶片预制体的预成形，并紧固模具。
优选地，所述成型的方法为树脂传递模塑法。
本发明提供了上述技术方案所述制造方法制备得到的正交三维机织复合材料出口导向叶片。
本发明提供了一种正交三维机织复合材料出口导向叶片的制造方法，本发明采用包括分叉、增加或减少纬纱长丝支数等方法，能够实现全复合材料出口导向叶片近净成形，并通过设计预制体分叉方式增强出口导向叶片叶型-缘板连接区域，保持构件内部纤维结构的连续性和整体性，既可以通过减少下料、铺层工序和使用非热压罐工艺降低构件制造成本，又能够通过内部整体的纤维结构提高构件抗分层能力和损伤容限。采用正交三维机织复合材料的基本结构和叶型-缘板连接区域分叉方式，使出口导向叶片结构的拉伸强度、压缩强度和弯曲载荷均有明显提高，同时减轻出口导向叶片的重量。本发明能够在保证叶片整流、降噪等功能的前提下，同时承担支板的结构承力、传力作用，进一步降低航空发动机重量，减小航空发动机尺寸，降低结构复杂程度。
本发明提供的制备工艺相对简单、现有机器的自动化程度高，可以有效地提高生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1为正交三维机织复合材料出口导向叶片的结构示意图，图1中，1为叶型区，2为叶型-缘板连接区域，3为缘板区；
图2为叶型区预制体的变截面示意图(z向纱略)，图2中，4为经纱，5为纬纱，6为基础厚度(无加纱的纬纱和经纱交替叠加的厚度)区域，7为加纱的纬纱使界面厚度变化的区域；
图3为叶型-缘板连接区域分叉结构的示意图，图3中，8为纬纱二合股，9为分叉结构示意图，10为不交叉结构，11为交叉结构，12为交叉缠绕结构；
图4为织造时的提花方式示意图；图4中，13表示经纱被提起，14表示纬纱，15表示经纱保持不动；
图5为模具的示意图，图5中，16为缘板区模具，17为叶型区模具，18为合模后形成的腔体；
图6为成型完成后未经后加工的样件；
图7为不交叉结构所得样件的叶型-缘板连接区域CT扫描图；
图8为交叉结构所得样件的叶型-缘板连接区域CT扫描图；
图9为交叉缠绕结构所得样件的叶型-缘板连接区域CT扫描图；
图10为拉伸试验采用的设备的照片；
图11为拉伸试验的示意图；
图12为真空灌注成型的设备示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种正交三维机织复合材料出口导向叶片的制造方法，包括以下步骤：
(1)根据出口导向叶片的几何尺寸要求设定叶型区参数和缘板区参数；
(2)根据步骤(1)所述出口导向叶片的几何尺寸要求和出口导向叶片在不同载荷下的力学性能要求，设定叶型-缘板连接区域分叉方式；
(3)根据所述步骤(1)和步骤(2)设定的条件，织造正交三维机织出口导向叶片预制体；
(4)将所述正交三维机织出口导向叶片预制体依次进行预成形和成型，得到正交三维机织复合材料出口导向叶片。
在本发明中，所述正交三维机织复合材料出口导向叶片的结构示意图如图1所示，包括叶型区、缘板区和叶型-缘板连接区域。
本发明根据出口导向叶片的几何尺寸要求设定叶型区参数和缘板区参数。在本发明中，所述叶型区参数和缘板区参数优选包括经纱层数、经纱密度、纬纱层数、纬纱密度和不同区域纬纱长丝支数。
在本发明中，所述设定叶型区参数和缘板区参数优选包括：
(11)根据叶型弦线长度l、缘板内表面间距h、叶型区体积V1计算叶型区等效厚度t1＝V1/lh，以叶型区等效厚度t1作为基础厚度，设定叶型区的经纱层数nj和纬纱层数nw满足nj＝nw-1；所述nj优选≥3，更优选为20～24；
(12)通过控制叶型区经纱密度和纬纱密度设定叶型区的纤维体积含量为40～60％，更优选为45～50％；
(13)通过控制叶型区不同区域内纬纱长丝支数、经纱长丝支数和纱线密度，使叶型区符合叶型要求；
(14)设定缘板区的基础厚度t3＝0.5t1，缘板区的经纱层数为0.5nj，缘板区的纬纱层数为0.5nj+1。
在本发明中，所述叶型区的纱线以12k为基础，整数倍数加纱，减纱为6k或3k。
在本发明中，所述叶型区的变截面示意图如图2所示，叶型区沿弦线方向表现出了厚度的变化，不同截面位置厚度不一样。
在本发明中，所述缘板区的经纱密度和纬纱密度根据具体纤维体积含量需求确定。
在本发明中，所述缘板区的纤维体积含量优选与叶型区的纤维体积含量保持一致。
本发明根据出口导向叶片的几何尺寸要求和出口导向叶片在不同载荷下的力学性能要求，设定叶型-缘板连接区域分叉方式。在本发明中，所述设定叶型-缘板连接区域分叉方式优选包括：通过设计纬纱的分布及提花方式，获得不同的叶型-缘板连接区域分叉结构。在本发明中，当预制体的一个区域在厚度方向上被不同的法向纱线分别增强，而不是使用贯穿厚度的法向纱线来联锁整个预制体时，在纱线层之间会形成局部未增强的平面，预制体可以在该平面上展开以形成分叉。本发明通过提花等方式分别控制每层的每根经纱，使得分叉区前后的纬纱在厚度方向的位置发生变化，形成交叉或缠绕的分叉结构。
在本发明中，所述设定叶型-缘板连接区域分叉方式的步骤优选包括：
将三维机织出口导向叶片预制体叶型区中的纬纱沿厚度方向编号为w1～w2n，其中n为整数；叶型区纬纱数量为偶数；编号为wn+1和wn+2的纬纱或者编号为wn-1和wn的纬纱以二合股的形式处于同一层；
通过控制经纱的提综方式改变纬纱的分布，使得在叶型-缘板连接区域的纬纱沿厚度方向的位置发生改变，发生改变后缘板区厚度方向纬纱编号为
＊＊
w1～w2n；
叶型区和缘板区的纬纱编号组成的集合为一一映射关系，2n根纬纱共有2n全排列种分叉方式。
作为本发明的实施例，所述叶型-缘板连接区域分叉结构如图3所示，包括不交叉结构、交叉结构或交叉缠绕结构，更优选为交叉缠绕结构。在本发明中，当所述叶型-缘板连接区域分叉结构为不交叉结构时，所述叶型-缘板连接区域的纬纱编号为：w1，w2，……，wn，wn+1，wn+2，……，w2n；当所述叶型-缘板连接区域分叉结构为交叉结构时，所述叶型-缘板连接区域的纬纱编号为：wn+1，wn+2，……，w2n，w1，w2，……，wn；当所述叶型-缘板连接区域分叉结构为交叉缠绕结构时，所述叶型-缘板连接区域的纬纱编号为：w2n，w2n-1，……，wn+1，wn，wn-1，……，w1。
本发明根据上述设定的条件，织造正交三维机织出口导向叶片预制体。在本发明中，所述织造采用的设备优选包括提花机或三维织机。
在本发明中，所述织造优选包括：
(31)叶型区、缘板区的织造：
以自下而上的顺序，依次提起目标纬纱所在位置以上的经纱，并依次插入纬纱，如图4所示；
(32)叶型-缘板连接区域的织造：
依次添加纬纱w1至w2n，在叶型-缘板连接区域靠近叶型区一侧，提起目标纬纱wi所在位置以上的经纱；在叶型-缘板连接区域靠近缘板区一侧，提起wi对应的目标编号wi ＊纬纱所在位置以上的经纱，将纬纱插入，该过程循环进行。
得到所述正交三维机织出口导向叶片预制体后，本发明将所述正交三维机织出口导向叶片预制体依次进行预成形和成型，得到正交三维机织复合材料出口导向叶片。本发明优选使用模具配合树脂传递模塑法(RTM)技术实现三维机织复合材料出口导向叶片的成型。
在本发明中，所述预成形优选包括在模具中展开正交三维机织出口导向叶片预制体，更优选包括：使用如图5所示的模具以叶型区、叶型-缘板连接区域、缘板区的先后顺序，依次压实紧固叶型区、展开叶型-缘板连接区域、压实叶型-缘板连接区域、压实紧固缘板区，完成出口导向叶片预制体的预成形，并紧固模具。
在本发明中，所述成型的方法优选为树脂传递模塑法(RTM)。在本发明中，所述成型优选包括加压灌注成型或真空灌注成型。本发明对所述成型的具体工艺参数没有特殊要求，采用本领域常规的成型工艺即可。
在本发明的具体实施例中，所述加压灌注成型包括：(I)在50℃的环境下预热已合模模具及树脂体系2h，至模具和树脂温度均匀；(II)连接储液装置、模具和溢料储液装置，检查气密性；(III)混合树脂组分，真空消泡，灌入储液装置；(IV)打开进料阀门和溢料口阀门，0.1MPa注入树脂；(V)注入树脂3min，待溢料口无明显气泡，先关闭进料阀门，再关闭溢料阀门；(VI)将完成灌注树脂的模具转移至烘箱内，100℃加热2h。
在本发明的具体实施例中，所述真空灌注成型包括：(I)在50℃的环境下预热已合模模具及树脂体系2h，至模具和树脂温度均匀；(II)连接储液瓶、模具、树脂储罐和真空泵，检查气密性；(III)混合树脂组分，真空消泡，灌入树脂储罐；(IV)关闭进料口阀门、打开真空泵、溢料口阀门，至模具内气压稳定小于2kPa；(V)缓慢打开进料口阀门，注入树脂3min，待溢料口无明显气泡，先关闭进料阀门，再关闭溢料阀门；(VI)将完成灌注树脂的模具转移至烘箱内，100℃加热2h。
本发明优选在所述成型后还包括后加工。在本发明中，所述后加工优选包括打磨、抛光和钻孔中的一种或几种。
本发明提供了上述技术方案所述制造方法制备得到的正交三维机织复合材料出口导向叶片。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制造缘板间距120mm，叶型厚度4mm，缘板厚度2mm，叶型宽度20mm的正交三维机织复合材料出口导向叶片：
(1)织造具体参数为：
叶型区经纱共6层，每层内纱线单丝数量为12k(TorayT700-12k)；纬纱共7层，每层内纱线单丝数量为12k(TorayT700-12k)，其中第3层位置纱线为二合股(总单丝数为24k)；z向纱单丝数量为12k(TorayT700-12k)；叶型区经纱密度为3.33根/cm，纬纱密度为2.22根/cm；叶型区共有经纱38组，纬纱5组；
缘板区一侧经纱共3层，每层内纱线单丝数量为24k(TorayT700-24k)；纬纱共4层，每层内纱线单丝数量为12k(TorayT700-12k)；缘板区经纱密度为1.67根/cm，纬纱密度为2.22根/cm；缘板区共有经纱8组，纬纱5组。
叶型-缘板连接区域纬纱为不交叉结构、交叉结构和交叉缠绕结构三种。
(2)成型具体参数为：
1)预成形
使用模具以叶型区、叶型-缘板连接区域、缘板区的先后顺序，依次压实紧固叶型区、展开叶型-缘板连接区域、压实叶型-缘板连接区域、压实紧固缘板区，完成出口导向叶片预制体的预成形，并紧固模具；
2)成型
RTM工艺采用真空灌注，如图12所示，(I)在50℃的环境下预热已合模模具及树脂体系(牌号为EpoTech-4360A/B)2h，至模具和树脂温度均匀；(II)连接储液瓶、模具、树脂储罐和真空泵，检查气密性；(III)混合树脂组分，真空消泡，灌入树脂储罐；(IV)关闭进料口阀门、打开真空泵、溢料口阀门，至模具内气压稳定小于2kPa；(V)缓慢打开进料口阀门，注入树脂3min，待溢料口无明显气泡，先关闭进料阀门，再关闭溢料阀门；(VI)将完成灌注树脂的模具转移至烘箱内，100℃加热2h。
图6为成型完成后未经后加工的样件，其叶型-缘板连接区域通过CT扫描，如图7～9所示，图7为不交叉结构所得样件，图8为交叉结构所得样件，图9为交叉缠绕结构所得样件。
对本实施例制备的三种OGV试验件，及利用铺层方式制造的无z向增强的OGV试验件做拉伸测试，试验设备的照片如图10所示，万能力学试验机型号为INSTRON 5966，由主机、整体操作平台和测试软件组成，最大载荷10kN；试验机具备手动自夹紧楔型夹具，气动夹具，压盘夹具，单丝拉伸夹具，变标距引伸计，全自动引伸计。
试验方法为：对于试验件使用夹具夹持缘板，试验件夹持及拉伸试验示意图如图11所示，以一端固支另一端加载的方式进行拉伸试验，夹持螺栓扭力为15N.m，长度L＝35mm，加载速度为1mm/min；试验条件为：环境温度为23±3℃；相对湿度为(50±10)％RH。结果见表1。
表1试验件的性能结果
由表1可以看出，在拉伸的工况下，就最大载荷(强度)而言，不同分叉结构三维机织出口导向叶片的平均值远大于对照组，且不交叉、交叉、交叉缠绕三种结构之间有明显的差异；就线性段斜率(刚度)而言，三维机织出口导向叶片与对照组基本持平，且交叉缠绕结构平均值显著高于对照组。综上所述，应用不同分叉结构的三维机织出口导向叶片相较于对照组在刚度和强度上均有一定的优势，且不同的分叉结构对性能影响明显，对于不同的应用环境具有极大的设计空间和应用潜力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种正交三维机织复合材料出口导向叶片的制造方法，包括以下步骤：
(1)根据出口导向叶片的几何尺寸要求设定叶型区参数和缘板区参数；
(2)根据步骤(1)所述出口导向叶片的几何尺寸要求和出口导向叶片在不同载荷下的力学性能要求，设定叶型-缘板连接区域分叉方式；
(3)根据所述步骤(1)和步骤(2)设定的条件，织造正交三维机织出口导向叶片预制体；
(4)将所述正交三维机织出口导向叶片预制体依次进行预成形和成型，得到正交三维机织复合材料出口导向叶片。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：
(11)根据叶型弦线长度l、缘板内表面间距h、叶型区体积V1计算叶型区等效厚度t1＝V1/lh，以叶型区等效厚度t1作为基础厚度，设定叶型区的经纱层数nj和纬纱层数nw满足nj＝nw-1；
(12)通过控制叶型区经纱密度和纬纱密度设定叶型区的纤维体积含量为40～60％；
(13)通过控制叶型区不同区域内纬纱长丝支数、经纱长丝支数和纱线密度，使叶型区符合叶型要求；
(14)设定缘板区的基础厚度t3＝0.5t1，缘板区的经纱层数为0.5nj，缘板区的纬纱层数为0.5nj+1。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述nj≥3。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述缘板区的纤维体积含量与叶型区的纤维体积含量保持一致。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
将三维机织出口导向叶片预制体叶型区中的纬纱沿厚度方向编号为w1～w2n，其中n为整数；叶型区纬纱数量为偶数；编号为wn+1和wn+2的纬纱或者编号为wn-1和wn的纬纱以二合股的形式处于同一层；
通过控制经纱的提综方式改变纬纱的分布，使得在叶型-缘板连接区域的纬纱沿厚度方向的位置发生改变，发生改变后缘板区厚度方向纬纱编号为＊＊
w1～w2n；
叶型区和缘板区的纬纱编号组成的集合为一一映射关系，2n根纬纱共有2n全排列种分叉方式。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述织造采用的设备包括提花机或三维织机。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)所述织造包括：
(31)叶型区、缘板区的织造：
以自下而上的顺序，依次提起目标纬纱所在位置以上的经纱，并依次插入纬纱；
(32)叶型-缘板连接区域的织造：
依次添加纬纱w1至w2n，在叶型-缘板连接区域靠近叶型区一侧，提起目标纬纱wi所在位置以上的经纱；在叶型-缘板连接区域靠近缘板区一侧，提起wi对应的目标编号wi ＊纬纱所在位置以上的经纱，将纬纱插入，该过程循环进行。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述预成形包括：使用模具以叶型区、叶型-缘板连接区域、缘板区的先后顺序，依次压实紧固叶型区、展开叶型-缘板连接区域、压实叶型-缘板连接区域、压实紧固缘板区，完成出口导向叶片预制体的预成形，并紧固模具。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述成型的方法为树脂传递模塑法。
10.权利要求1～9任一项所述制造方法制备得到的正交三维机织复合材料出口导向叶片。
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