一种复合材料柔性梁及其制备方法与流程

1.本发明涉及无轴承旋翼柔性梁制备技术领域，尤其涉及一种复合材料柔性梁及其制备方法。


背景技术：

2.随着直升机技术的不断发展，柔性梁作为可挠曲的连接结构件被广泛应用于直升机的无轴承旋翼设计中，通过柔性梁产品承受直升机桨叶传递的离心力、挥舞弯矩、摆振弯矩、扭矩载荷，通过拉伸变形、挥舞变形、摆振变形、扭转变形实现桨叶与桨毂之间力的传递及可靠连接。柔性梁使得桨叶与无轴承桨毂之间的连接件具备结构简单、紧凑、轻量化及维护简便的特点，并可取代传统的通过旋翼桨叶根部处的铰链或滑动轴承来适应运动的轴承件旋翼结构，可更精确地控制旋翼桨叶的多方向位移，提高旋翼的使用性能和使用安全性。
3.柔性梁多为复合结构，通常由桨叶连接部分、外过渡段、扭转段、内过渡段、桨毂连接部分等组成，为了满足旋翼的使用要求，柔性梁需具备一定的挥舞刚度、摆振刚度和扭转刚度。现有技术中，有如下专利涉及柔性梁或柔性梁的制备：1、专利号为“202111176966.7”，专利名称为“一种用于无轴承旋翼的多基体复合材料柔性梁”的发明专利申请，包括：橡胶基扭转变形层、第一树脂基编织层和第二树脂基编织层，橡胶基扭转变形层为橡胶基底纤维增强缠绕结构，成型方式如下：采用纤维干丝预先缠绕出外轮廓，然后注塑橡胶基体固化成型。
4.该专利分为桨毂连接区、弯曲区、扭转区、桨叶连接区四个不同的功能区，采用了橡胶基复合材料和树脂基复合材料，利用不同基体复合材料的力学性能不同的特点，简化了柔性梁的截面形状，提高了成型质量；但该方案的制备过程是在干丝编制的基础上注塑橡胶，待橡胶固化之后再在橡胶基复材的基础上，开展三维编制复材干丝纤维，注塑树脂成型，此种方式的实际操作工艺难度较大，三维编制复材纤维的过程复杂。
5.2、专利号为“201410119052.0”，专利名称为“复合基体材料制成的杆”的发明专利，该专利中的杆具有适合于在允许挠曲的同时作用于扭矩的横截面。该复合材料柔性料内部包含抗扭盒结构及上下两层纤维，沿着柔性料长度方向不少于1个抗扭盒，不同的抗扭盒包含不同的上下纤维层，以到达抗扭的效果，该柔性料结构截面适合承受在饶曲载荷的同时承受扭矩。
6.但该方案中抗扭盒与纤维层的结构复杂，内部结构相互交错，成型过程复杂，工艺成熟度不高，产品成品率低；同时，由于采用玻纤材料，柔性梁的整体扭转刚度较大，将大大减少柔性梁的使用寿命。
7.3、专利号为“97114745.0”，专利名称为“用于直升机旋翼的最佳复合柔性梁”的发明专利，该柔性梁结构分为5个功能区，分别是桨毂连接区、内侧过渡区、俯仰区、外侧过渡区及桨叶连接区，该柔性梁结构在内侧过渡区设计有独特的构型和材料组合，复合材料纤维采用环氧树脂基玻璃纤维和石墨纤维，采用层压工艺。
8.该方案主要是通过优化不同层的铺层角度，尽量减小层间剪切应力；但此种结构
采用了刚度较大的纤维，将导致扭转刚度较大，从而减少柔性梁的使用寿命。
9.综上所述，如何制备一种挥舞刚度、摆振刚度及扭转刚度三者协调，工艺难度低，可避免扭转刚度过大，保证使用寿命的柔性梁结构，是当下亟需解决的问题。


技术实现要素：

10.本发明为解决上述问题，提供了一种复合材料柔性梁及其制备方法，在复合材料柔性梁的过渡面中增设了橡胶层，通过调节橡胶层的参数可调节柔性梁的扭转刚度，同时通过调节碳纤维板及玻璃纤维板的截面尺寸可调整挥舞刚度及摆振刚度，可延长柔性梁的使用寿命，降低成型难度，提高产品合格率。
11.为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种复合材料柔性梁，包括桨毂连接段、桨叶连接段和位于桨毂连接段与桨叶连接段之间的过渡段，过渡段包括橡胶体、设于橡胶体两侧且由碳纤维复合材料制成的碳纤维板，在最外层碳纤维板远离橡胶体的一侧设有由玻璃纤维复合材料制成的玻璃纤维板；通过橡胶体、碳纤维板和玻璃纤维板承载离心力、提供挥舞刚度、摆振刚度及扭转刚度。
12.优选的，过渡段从桨毂连接段朝向桨叶连接段依次包括内侧过渡段、中间过渡段和外侧过渡段，中间过渡段的中部横截面为矩形结构。
13.优选的，橡胶层与碳纤维板之间包括金属层；橡胶层、碳纤维板与金属层通过一体硫化方式成型；或橡胶层与金属层一体硫化成型后再与碳纤维板、玻璃纤维板通过粘接方式连接。
14.一种复合材料柔性梁的制备方法，用以制备上述柔性梁的过渡段，包括如下步骤：s1：在金属模具内预制两块上下对称的碳纤维板，碳纤维板由碳纤维预浸料铺设而成；s2：将预制得到的两块碳纤维板放入一体硫化成型模具中，在两块碳纤维板之间加入橡胶材料，合模加热硫化得到橡胶夹芯碳纤维板结构，橡胶夹芯碳纤维板结构的中部为橡胶体；s3：在柔性梁成型模具内铺设玻璃纤维预浸料得到下玻璃纤维板，将橡胶夹芯碳纤维板结构放置于下玻璃纤维板上，并在橡胶夹芯碳纤维板结构远离下玻璃纤维板的一侧铺设玻璃纤维预浸料得到上玻璃纤维板；s4：合模加热后冷却，得到复合材料柔性梁。
15.优选的，步骤s1中的碳纤维预浸料包括碳纤维材料和树脂；碳纤维材料为碳纤维单向带或碳纤维织物，树脂为耐高温120℃以上的环氧树脂。
16.优选的，碳纤维单向带的铺层角度包括0
°
、
±
45
°
和90
°
；铺层角度为0
°
的碳纤维单向带所占比例为80%，铺层角度为
±
45
°
的碳纤维单向带所占比例为15%，铺层角度为90
°
的碳纤维单向带所占比例为5%。
17.优选的，步骤s3中的玻璃纤维预浸料包括玻璃纤维材料和树脂；玻璃纤维材料为玻璃纤维单向带或玻璃纤维织物；下玻璃纤维板中采用玻璃纤维单向带，上玻璃纤维板中采用玻璃纤维织物。
18.优选的，玻璃纤维单向带的铺层角度为0
°
；玻璃纤维织物的铺层角度为
±
45
°
。
19.优选的，步骤s2中在合模加热硫化时，硫化温度为120℃，压力为5mpa，保温保压时
间为1.5h；保温保压后释放压力，并经室温冷却，冷却时间为2h。
20.优选的，步骤s4中合模加热的温度为120℃，加压4mpa，保温保压1h后释放压力，并经室温冷却，冷却时间为2h。
21.本发明有益效果是：1、本发明中的柔性梁包括橡胶体、复合材料碳纤维板和复合材料玻璃纤维板，通过对橡胶体的设计可有助于降低扭转刚度；相比传统不包括橡胶体的柔性梁方案而言，本方案可根据实际工况中的不同要求设计不同尺寸的橡胶体或选用不同规格的橡胶材料，利用橡胶体优良的弹性变形及承载性能，可实现不同大小扭转刚度的设计，延长柔性梁的使用寿命。
22.2、本发明将复合材料碳纤维板与复合材料玻璃纤维板进行组合，可通过调节碳纤维板及玻璃纤维板的截面尺寸来调整挥舞刚度及摆振刚度，以实现不同挥舞刚度及摆振刚度的设计，设计阶段的优化速度相比于传统方案而言效率更高。
23.3、本发明中柔性梁过渡段的中部横截面为矩形结构，相比于传统方案中柔性梁横截面存在抗扭盒等各种复杂形状、与纤维层相互交错的方案而言，本方案中柔性梁过渡段的横截面形状简单，碳纤维板与玻璃纤维板的层压复合、与橡胶体的层压复合制备工艺较成熟，工艺稳定性好，成品率高。
附图说明
24.图1是本发明实施例一提供的柔性梁的整体结构示意图。
25.图2是图1中a-a方向的剖视图（即中部横截面的结构示意图）。
26.图3是本发明实施例一提供的碳纤维板的结构示意图。
27.图4是本发明实施例一提供的橡胶夹芯碳纤维板结构的结构示意图。
28.图5是本发明实施例一提供的柔性梁的成品示意图。
29.图6是本发明实施例二提供的柔性梁的中部横截面结构示意图。
30.图7是本发明实施例三提供的柔性梁的中部横截面结构示意图。
31.附图标记：桨毂连接段1、桨叶连接段2、内侧过渡段3、中间过渡段4、外侧过渡段5、橡胶体6、碳纤维板7、玻璃纤维板8、上玻璃纤维板8a、下玻璃纤维板8b、橡胶夹芯碳纤维板结构9、金属层10。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-7及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
33.实施例一一种复合材料柔性梁，如图1所示，包括桨毂连接段1、桨叶连接段2和过渡段，过渡段位于桨毂连接段1与桨叶连接段2之间，过渡段从桨毂连接段1朝向桨叶连接段2依次包括内侧过渡段3、中间过渡段4和外侧过渡段5，中间过渡段4的中部横截面为矩形结构，中部横截面如图1中的a-a及图2所示。
34.如图2所示，过渡段包括橡胶体6、设于橡胶体6两侧且由碳纤维复合材料制成的碳
纤维板7，在最外层碳纤维板7远离橡胶体6的一侧设有由玻璃纤维复合材料制成的玻璃纤维板8，玻璃纤维板8包括下玻璃纤维板8b和上玻璃纤维板8a；通过橡胶体6、碳纤维板7和玻璃纤维板8承载离心力、提供挥舞刚度、摆振刚度及扭转刚度，具体的，可通过对橡胶体6的设计来调整柔性梁的扭转刚度，通过对碳纤维板7和玻璃纤维板8的设计来调整柔性梁的挥舞刚度及摆振刚度；柔性梁的扭转运动、摆振运动和挥舞运动分别如图1中的f1、f2和f3所示。
35.一种复合材料柔性梁的制备方法，用以制备上述柔性梁的过渡段，包括如下步骤：s1：在金属模具内预制两块上下对称的碳纤维板7，碳纤维板7由碳纤维预浸料铺设而成；碳纤维预浸料包括碳纤维材料和树脂；碳纤维材料为碳纤维单向带或碳纤维织物，优选为碳纤维单向带，树脂为耐高温120℃以上的环氧树脂；碳纤维单向带的铺层角度包括0
°
、
±
45
°
和90
°
，铺层角度为0
°
的碳纤维单向带所占比例为80%，铺层角度为
±
45
°
的碳纤维单向带所占比例为15%，铺层角度为90
°
的碳纤维单向带所占比例为5%。
36.s2：将预制得到的两块碳纤维板7放入一体硫化成型模具中，在两块碳纤维板7之间加入橡胶材料，合模加热硫化得到橡胶夹芯碳纤维板结构9，橡胶夹芯碳纤维板结构9的中部为橡胶体6；在合模加热硫化时，硫化温度为120℃，压力为5mpa，保温保压时间为1.5h；保温保压后释放压力，并经室温冷却，冷却时间为2h。
37.s3：在柔性梁成型模具内铺设玻璃纤维预浸料得到下玻璃纤维板8b，将橡胶夹芯碳纤维板结构9放置于下玻璃纤维板8b上，并在橡胶夹芯碳纤维板结构9远离下玻璃纤维板8b的一侧铺设玻璃纤维预浸料得到上玻璃纤维板8a；玻璃纤维预浸料包括玻璃纤维材料和树脂；玻璃纤维材料为玻璃纤维单向带或玻璃纤维织物；下玻璃纤维板8b中采用玻璃纤维单向带，上玻璃纤维板8a中采用玻璃纤维织物；玻璃纤维单向带的铺层角度为0
°
，玻璃纤维织物的铺层角度为
±
45
°
。
38.s4：合模加热后冷却，得到复合材料柔性梁；合模加热的温度为120℃，加压4mpa，保温保压1h后释放压力，并经室温冷却，冷却时间为2h。
39.实施例二本实施例与实施例一的不同之处在于，如图6所示，包括两个橡胶体6，在两个橡胶体6的两侧均包括碳纤维板7，在最外层碳纤维板7远离橡胶体6的一侧设有由玻璃纤维复合材料制成的玻璃纤维板8，下侧最外层碳纤维板7外侧的玻璃纤维板8为下玻璃纤维板8b，上侧最外层碳纤维板7外侧的玻璃纤维板8为上玻璃纤维板8a；本领域技术人员也可根据实际需求设置其他数量的橡胶体6和碳纤维板7。
40.实施例三本实施例与实施例一的不同之处在于，如图7所示，橡胶层6与碳纤维板7之间包括金属层10；橡胶层6、碳纤维板7与金属层10通过一体硫化方式成型，再与玻璃纤维板8连接；或橡胶层6与金属层10一体硫化成型后再与碳纤维板7、玻璃纤维板8通过粘接方式连接，本领域技术人员可根据实际需求进行选择。
41.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
42.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发
明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种复合材料柔性梁，其特征在于，包括桨毂连接段（1）、桨叶连接段（2）和位于桨毂连接段（1）与桨叶连接段（2）之间的过渡段，所述过渡段包括橡胶体（6）、设于橡胶体（6）两侧且由碳纤维复合材料制成的碳纤维板（7），在最外层碳纤维板（7）远离橡胶体（6）的一侧设有由玻璃纤维复合材料制成的玻璃纤维板（8）；通过橡胶体（6）、碳纤维板（7）和玻璃纤维板（8）承载离心力、提供挥舞刚度、摆振刚度及扭转刚度。2.根据权利要求1所述的复合材料柔性梁，其特征在于，所述过渡段从桨毂连接段（1）朝向桨叶连接段（2）依次包括内侧过渡段（3）、中间过渡段（4）和外侧过渡段（5），所述中间过渡段（4）的中部横截面为矩形结构。3.根据权利要求1或2所述的复合材料柔性梁，其特征在于，所述橡胶层（6）与碳纤维板（7）之间包括金属层（10）；橡胶层（6）、碳纤维板（7）与金属层（10）通过一体硫化方式成型；或橡胶层（6）与金属层（10）一体硫化成型后再与碳纤维板（7）、玻璃纤维板（8）通过粘接方式连接。4.一种复合材料柔性梁的制备方法，用以制备权利要求1-2中柔性梁的过渡段，其特征在于，包括如下步骤：s1：在金属模具内预制两块上下对称的碳纤维板（7），碳纤维板（7）由碳纤维预浸料铺设而成；s2：将预制得到的两块碳纤维板（7）放入一体硫化成型模具中，在两块碳纤维板（7）之间加入橡胶材料，合模加热硫化得到橡胶夹芯碳纤维板结构（9），橡胶夹芯碳纤维板结构（9）的中部为橡胶体（6）；s3：在柔性梁成型模具内铺设玻璃纤维预浸料得到下玻璃纤维板（8b），将橡胶夹芯碳纤维板结构（9）放置于下玻璃纤维板（8b）上，并在橡胶夹芯碳纤维板结构（9）远离下玻璃纤维板（8b）的一侧铺设玻璃纤维预浸料得到上玻璃纤维板（8a）；s4：合模加热后冷却，得到复合材料柔性梁。5.根据权利要求4所述的复合材料柔性梁的制备方法，其特征在于，步骤s1中的碳纤维预浸料包括碳纤维材料和树脂；所述碳纤维材料为碳纤维单向带或碳纤维织物，所述树脂为耐高温120℃以上的环氧树脂。6.根据权利要求5所述的复合材料柔性梁的制备方法，其特征在于，碳纤维单向带的铺层角度包括0
°
、
±
45
°
和90
°
；铺层角度为0
°
的碳纤维单向带所占比例为80%，铺层角度为
±
45
°
的碳纤维单向带所占比例为15%，铺层角度为90
°
的碳纤维单向带所占比例为5%。7.根据权利要求4-6中任一项所述的复合材料柔性梁的制备方法，其特征在于，步骤s3中的玻璃纤维预浸料包括玻璃纤维材料和树脂；所述玻璃纤维材料为玻璃纤维单向带或玻璃纤维织物；下玻璃纤维板（8b）中采用玻璃纤维单向带，上玻璃纤维板（8a）中采用玻璃纤维织物。8.根据权利要求7所述的复合材料柔性梁的制备方法，其特征在于，玻璃纤维单向带的铺层角度为0
°
；玻璃纤维织物的铺层角度为
±
45
°
。9.根据权利要求8所述的复合材料柔性梁的制备方法，其特征在于，步骤s2中在合模加热硫化时，硫化温度为120℃，压力为5mpa，保温保压时间为1.5h；保温保压后释放压力，并经室温冷却，冷却时间为2h。10.根据权利要求9所述的复合材料柔性梁的制备方法，其特征在于，步骤s4中合模加
热的温度为120℃，加压4mpa，保温保压1h后释放压力，并经室温冷却，冷却时间为2h。

技术总结
本发明涉及无轴承旋翼柔性梁制备技术领域，具体提供了一种复合材料柔性梁及其制备方法，复合材料柔性梁包括桨毂连接段、桨叶连接段和过渡段，过渡段包括橡胶体、碳纤维板和玻璃纤维板；通过橡胶体、碳纤维板和玻璃纤维板承载离心力、提供挥舞刚度、摆振刚度及扭转刚度；过渡段的制备方法如下：S1：预制两块上下对称的碳纤维板S2：将两块碳纤维板放入一体硫化成型模具中并在碳纤维板之间加入橡胶材料，合模加热硫化得到橡胶夹芯碳纤维板结构；S3：制备下玻璃纤维板，将橡胶夹芯碳纤维板结构放置于下玻璃纤维板上，再制备上玻璃纤维板；S4：合模加热后冷却，得到复合材料柔性梁。本发明的柔性梁成型难度低，产品合格率高，使用寿命长。使用寿命长。使用寿命长。


技术研发人员：郭晓军 谢绍祥 郑永 黄河 王雨杭 张亚新 胡小刚 张万里 刘远久 唐毅平 石柳
受保护的技术使用者：株洲时代橡塑元件开发有限责任公司
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/5/5