[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

说明书

本发明公开了一种由树脂连续相构造的三维复合板壳结构，可用于风电叶片、机舱罩、船艇外壳、航空器机翼或机舱的壳体蒙皮，替代三明治层合结构，并提出由此构筑的风电叶片案例。这种三维复合板壳结构是一种镂空性质的立体结构，主要依靠实体材料，即点阵分布的树脂钉柱和纤维增强树脂栅格承担第一第二皮层之间的应力传递。通过干法铺层和树脂导注过程中自然形成树脂钉柱和纤维增强树脂栅格，实现了三维复合板壳结构理念，实现了芯体刚度、强度、蒙皮粘接联结强度三方面的目标要求。基于三维板壳结构的可设计性，通过结构参数调整可满足大型壳体构件不同部位的承载要求，避免使用巴沙木芯材，精简了工艺降低了成本。

技术领域

本发明公开了一种树脂基体为连续相的三维复合板壳结构，可用作包括但不限于风电叶片的壳体蒙皮和机舱罩蒙皮、船体外壳蒙皮，以及飞机机翼或机舱的壳体蒙皮，并提出由此构筑的风电叶片，以及叶片蒙皮制造方法，本发明属于树脂基纤维复合材料技术领域，也属于清洁能源风力发电领域，也属于航行器制造技术领域。

背景技术

暂且以水平轴风力发电机叶片为例进行阐述。随着海上风电的快速发展，单机容量越来越大，叶片长度尺寸已经超过了100m，宽度超过5m，叶片本质上讲，就是一个龙骨加外壳（称蒙皮）的中空结构，龙骨是主承载结构，蒙皮起到保障气动型面，传递扭矩和应力作用。尽管叶片蒙皮外壳使用了三明治蒙皮结构，但巨大的外表面积，仍然导致其质量达到40吨以上。虽然这种轻质高强的纤维增强树脂复合材料在风电叶片领域获得用武之地而大显身手，但是，在激烈的市场竞争中，叶片的质量风险和制造成本显得越发重要，追求产品的技术经济性是个永恒的话题。

复合材料叶片是一项复杂的技术，涉及结构设计、材料以及工艺之间的深度结合，相辅相成。只有综合地全局考虑才可以实现叶片技术的优化升级。现有的叶片技术，其结构可简单描述为骨架支撑下的蒙皮壳体，采用干法铺层、树脂导流技术成型。设计成型的壳体蒙皮是三明治结构。现有的三明治蒙皮结构是纤维增强树脂第一第二皮层加泡沫芯材形成的简单结构，主要表现为几个方面的缺陷，一是，外被皮层和芯材之间的次生界面受材料和工艺影响明显，非常容易出现脱粘剥离失效，二是，至少采用两种芯材做夹心材料，巴沙木+塑料泡沫，这两种材料本身都有各自的优缺点，巴沙木有含水问题，自然生长木材导致性能离散性大，人工筛选和修补处理带来成本的增加以及各种各样的附加缺陷，货源一度紧张导致供应链的波动；合成材料的泡沫夹心，由于叶片性能要求高，开发出满足要求的泡沫芯材不多，最主要是造价居高不下。第三，为了提升导流树脂的能力，以及和皮层的粘接能力，必须在芯材的表面加工一些沟槽，但这些沟槽并没有贯通芯材厚度让坚硬的树脂块体直接粘接第一第二皮层，为了满足材料板块的适型曲面的铺敷变形特性，还必须把刚硬的泡沫板块切割出一些裂缝来让板块破碎，同时还要用纱布沿板面连结起来便于铺层，所以泡沫板块的加工制造复杂，成本奇高。

传统三明治复合材料结构，从外被皮层到芯体，材料特性出现突变，这种不连续性在力学结构上是非常忌讳的，非常容易出问题。而本发明要创造的结构，是一种贯穿板壳厚度方向的材料性能连续的镂空结构，表观质量上和三明治夹心复合材料板结构等效，但由于树脂基体贯穿外被皮层到芯层的材料和性能的连续性，会带来很多优秀的使用性能和结构表现。

现有技术，包括风电叶片以及其他航行器如飞机舰船等大型壳体构件都采用这种三明治夹心结构。这些壳体受力是复杂的，除了有面内应力之外，往往还有垂直于壳体曲面的分布载荷，如风载气压、水压等，这会带给壳体弯曲负荷，因此，联结两个皮层的芯体之性能就越发讲究，对剪切强度、压缩强度、拉伸强度，以及模量、质量、性能稳定性都要求极高。

发明内容

本发明提出一种新型板壳三维结构，并将这种三维板壳结构推广应用在风电叶片、风机、船艇上。与此同时，提出这种三维板壳结构大型构件的成型制造方法。