[发明专利]三维复合板壳结构、航行器和风电叶片壳体及制造方法

权利要求书

1.一种三维复合板壳结构，可用作结构蒙皮，其特征在于，由纤维增强树脂的第一皮层1和第二皮层2、以及第一第二皮层曲面之间的连结体3三部分组成，其中的连结体3由承载支撑体4和闭孔泡沫填充体5构成，承载支撑体4被闭孔泡沫填充体5在空间几何上分割包围，承载支撑体4在厚度方向上贯通第一第二皮层之间的夹层空间，并且和第一第二皮层牢固连结，是第一第二皮层之间的应力传递介质，闭孔泡沫填充体5是成型辅助材料，提供浇注树脂流道和树脂凝固形成树脂钉柱的型腔；承载支撑体4是点阵分布的纯树脂钉柱6、纤维增强树脂栅格7二者之中的至少一种；第一第二皮层以及承载支撑体中的树脂材料完全相同、介质连续。

2.根据权利要求1所述的三维复合板壳结构，其特征在于，有一种典型的结构，承载支撑体4是采用较大范围尺寸的玻纤增强树脂栅格7包围点阵分布的纯树脂钉柱6。

3.根据权利要求1所述的三维复合板壳结构，其特征在于，有一种典型的结构，承载支撑体4是沿板壳纵向伸展的玻纤增强树脂栅格7的横向阵列，是通过用通长的泡沫条外部绕包玻璃布（或毡）构筑的预制闭孔泡沫板块、并列排布后形成的芯体铺层、在导注树脂并固化后获得的纤维增强树脂栅格7的横向阵列。

4.根据权利要求1所述的三维复合板壳结构，其特征在于，对于厚度方向尺寸太大的板壳，构造为双层级的三维复合板壳结构，有平行于外被蒙皮曲面的中置纤维铺层，将芯体部分分割为两层，缩短纯树脂钉柱以及纤维增强树脂栅格的高度尺寸。

5.根据权利要求1所述的三维复合板壳结构，其特征在于，所述闭孔泡沫填充体是一种柔韧的模塑聚苯乙烯（EPS）闭孔泡沫板块，容重范围在15-60kg/立方米，在其面内有点阵分布的沿厚度方向贯通的、容置纯树脂钉柱6的通孔型腔。

6.根据权利要求1或5所述的三维复合板壳结构，其特征在于，在所述闭孔泡沫填充体5周边有玻璃丝带包边，在导注树脂后，形成玻纤增强树脂栅格7。

7.一种水平轴风电设备叶片，其特征在于，叶片外部是，由吸附侧UD梁帽、压缩侧UD梁帽、尾缘UD梁构成的三棱锥形骨架，以及依附于骨架上的蒙皮结构壳体组成，叶片内部还有连接两个梁帽的腹板；其中的壳体蒙皮结构、或者腹板结构、或者二者全部，是三维复合板壳结构，亦即，由纤维增强树脂的第一皮层和第二皮层，以及第一第二皮层曲面之间的连结体三部分组成，其中的连结体由承载支撑体和闭孔泡沫填充体构成，承载支撑体被闭孔泡沫填充体在空间几何上分割包围，承载支撑体在厚度方向上贯通第一第二皮层之间的夹层空间，并且和第一第二皮层牢固粘接连结，是第一第二皮层之间的应力传递承载部分，闭孔泡沫填充体5是成型辅助材料，提供浇注树脂流道和树脂凝固形成树脂钉柱的型腔；承载支撑体是点阵分布的纯树脂钉柱、纤维增强树脂栅格二者之中的至少一种；第一第二皮层以及承载支撑体中的树脂材料完全相同，形成连续相实体；从叶尖到叶根纵向长度上，所述三维复合板壳结构会在第一第二皮层厚度、栅格尺寸、树脂钉柱的点阵密度、第一第二皮层之间的连结体厚度四个主结构特征参数中的一个或多个进行适配调整。

8.一种风电叶片上的三维复合板壳结构制造成型方法，其特征在于，是一种干法铺放材料、真空辅助导流树脂浸渍纤维并固化成型的工艺过程；干法铺放材料的具体内容是，第一步，首先在叶片模具中完成第一皮层纤维铺层，接着铺放闭孔泡沫填充体板块阵列层，最后铺放第二皮层纤维铺层；其中的闭孔泡沫填充体板块阵列层，是由闭孔泡沫填充体板块沿叶片壳体蒙皮曲面铺展成的马赛克阵列，其中的闭孔泡沫填充体板块是板面面内有点阵分布的贯通厚度方向的孔洞，板面外围有玻璃丝带包边；当导注树脂后，在闭孔泡沫填充体板块的导注孔中会形成纯树脂钉柱6，在相邻的闭孔泡沫填充体板块之间的玻璃丝带间隔区会形成纤维增强树脂栅格7。

9.根据权利要求8所述的叶片三维复合板壳结构制造成型方法，其特征在于，铺层过程使用的预制闭孔泡沫填充体板块是一种预制的泡沫板块或包布的泡沫条，预制方法就是采用自动化设备对板面进行穿孔并在板条周边进行玻璃丝带贴边或绕包。

10.一种由三维复合板壳结构构筑的大型复合材料构件，包括但不限于航空器机舱壳体、风电机舱罩、船艇壳体等，其特征在于，其中的壳体蒙皮结构，由纤维增强树脂的第一皮层和第二皮层，以及第一第二皮层曲面之间的连结体三部分组成，其中的连结体由承载支撑体和闭孔泡沫填充体构成，承载支撑体被闭孔泡沫填充体在空间几何上分割包围，承载支撑体在厚度方向上贯通第一第二皮层之间的夹层空间，并且和第一第二皮层牢固粘接连结，是第一第二皮层之间的应力传递承载部分，闭孔泡沫填充体是成型辅助材料，提供浇注树脂流道和树脂凝固形成树脂钉柱的型腔；承载支撑体是点阵分布的纯树脂钉柱、纤维增强树脂栅格二者之中的至少一种；第一第二皮层以及承载支撑体中的树脂材料完全相同，形成连续相实体介质。