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RTM工艺应用之新型复合材料螺旋桨叶(下)

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-06-06  来源:复材在线  浏览次数:1125
核心提示:RTM工艺应用
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图:ASC – II桨叶通过美国联邦航空局的认证,成功运用于派珀飞机上(Piper Matrix aircraft),
ASC – II桨叶同样适用于Cirrus的SR - 22和其他通用航空飞机。来源:派珀飞机公司

     Hartzell公司使用自有设计软件--PROP Code和ANSYS公司开发的有限元分析(FEA)软件对桨叶上应力的分配进行分析和设计,然后用另一个内部开发程序来生成ASC - II复合层压结构。汉克将这种泡沫夹芯三明治结构设计描述为单体横造结构。制备原理是通过湿法手糊将碳纤维及芳纶纤维(单向或混编)与环氧树脂复合成型,然后在中间插入闭孔泡沫夹芯材料,形成一个桁条形状的完整复合材料桨叶。碳纤维能保证桨叶具备高模量和高弯曲强度,而芳纶纤维则能有效提高整个桨叶的阻尼性能和增加其扭曲强度。机翼外蒙皮是由玻璃纤维制造,表面附有一层铝材避雷网。值得一提的是,该桨叶结构上不同位置所采用的层压材的层数及其纤维取向各有不同,因此产生了厚度分布的差异化。
    虽然汉克没有透露过多的设计细节,比如桨叶是如何通过闭模不锈钢柄的复合材料界面连接到集线器上的?他只是说:“我们借助有限元分析软件,将复合材料桨叶连接到不锈钢柄上,实现了飞行阻力最小化。”关于具体的材料和供应商是商业秘密,但汉克表示,选定的材料都是航天级的,桨叶上不同位置的厚度的差异化是专门针对不同负载而设计的。桨叶的前三分之二部分是整个部分旋转速度最快的位置,因此设计上充分考虑这点,采用了高度耐用、易于拆卸和抗损坏材料---镍蚀条制造。靠近集线器的三分之一则是采用聚氨酯条。
    完成设计草图之后,Hartzell开始转向模塑成型工艺。迪布罗回忆说:“原先的预浸料螺旋桨同样是一个优秀的解决方案,但预浸料的成本对于大多数一般的航空应用来说太昂贵了。而降低成本正是我们设计ASC – II桨叶的初衷,我们需要的是一款既能让用户负担得起,又拥有最先进技术,同时还不能丧失原始设计的精华的一款复合材料螺旋桨叶。”在制备工艺上,我们最终诉诸于树脂传递模塑(RTM)工艺
    该公司还生产了一个手糊套装制品,包含适当数量的干燥复合材料及金属部件,极大提高手糊成型的效率。最终,桨叶制件是在多个工作台上同时进行的,每个工作台都配备一个自动化的RTM设备。将预成型件放在封闭的模具中,向模腔内渗透环氧树脂完成浸润处理。这样不仅加快了制件的生产效率,同时还能降低劳力成本。
    迪布罗强调说:“Hartzell只将ASC-II桨叶出售给已经通过美国联邦航空局认证的飞机,例如Cirrus 和 Piper。放弃那些未经认证的试验机,因为桨叶必须是类型认证的,这是一个艰巨的任务。” 美国联邦航空局的认证包括一系列严格的地面试验,和雷击试验(20万安培);循环疲劳试验;和离心力拔出测试(该测试模拟引擎超速飞行条件,利用一个测试夹具试图将桨叶从集线器上拔出来)。其次是仪器的飞行测试。迪布罗指出,美国联邦航空局的测试制度所需的时间和资金成本是造成“为什么认证飞机市场上只有一小部分复合材料螺旋桨可用”的主要原因。然而,从长远看,我们确定认证是值得的。
    同比铝制螺旋桨,ASC – II复合材料桨叶为Cirrus的SR – 22机型节省了16 磅/7.3公斤的机身重量。除了显著的减重效果,汉克和迪布罗指出,ASC-II还能持续飞行50,000小时,这是金属叶片螺旋桨“闻所未闻”的,这主要受益于复合材料的可修复性。对受损的金属叶片(通常是由碎石或碎屑引起)的维修相对复杂得多,维修人员必须先对受损位置的表面进行打磨,从而降低增加阻力的潜在因素,然后再对受损位置进行修复。然而往复几次,反复打磨的结果只能使螺旋桨的体积越来越小。相比之下,ASC-II 的所采用的镍蚀条就方便很多,它既可被更换又可被拆除,如果是复合材料本身受损的话,还可以只针对受损位置进行更换,因此“尺寸缩水”对于ASC-II不再成为问题。ASC-II还具备其他一系列优势,包括柄的几何设计与铝制叶片的设计十分相似,这使复合材料桨叶成为现成可代替金属桨叶的产品。此外,它的除冰系统还可以很好的跟飞机等装备兼容。
    ASC – II桨叶是针对180 - 350马力发动机的活塞飞机,或400和1800马力的涡扇引擎飞机专门设计的。特别是用于柴油动力飞机螺旋桨时,ASC – II更能表现出色。因为柴油的压缩比很高,这在很大程度上是由激发脉冲造成的。而铝制螺旋桨的抗疲劳性能较差,ASC – II桨叶能够成功对抗极度疲劳的考验。
 
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