[发明专利]一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法及应用

权利要求书

1.一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，纤维金属螺旋桨的桨叶内部由碳纤维复合材料层和内嵌式钛合金片叠层制备而成，钛合金片嵌于桨叶的叶梢位置，表面包含与邻近碳纤维复合材料层的纤维方向一致的凹槽结构；纤维金属螺旋桨叶片整体刚度与两种材料的力学性能、组元配比、形状结构有关，通过调节两种材料的力学性能、组元配比、形状结构，得到预设刚度的纤维金属螺旋桨叶片。

2.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料层包括多层碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料，所述钛合金片在结构上代替原有碳纤维复合材料螺旋桨叶片，形状与所替代层叶片一致且长厚比大于10:1，钛合金片表面包含并列直线型等间距等深度的凹槽结构，凹槽取向与邻近碳纤维复合材料层的纤维方向一致。

3.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，所述凹槽为直线性结构，长度与叶片结构一致，宽度与深度均小于钛合金片厚度的1/2，凹槽之间的间隔大于单个凹槽宽度。

4.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，钛合金片表面加工直线型凹槽能够增加钛合金与纤维之间的接触面积，使邻近层的纤维和树脂在成型过程热压载荷下嵌入凹槽中，形成机械联锁，以提高界面抵抗剪切破坏的能力。

5.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，钛合金片表面经加工后，保留加工毛刺，所述加工毛刺能够增强纤维连接，提高界面剪切强度、界面抵抗张开破坏的能力。

6.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，桨叶整体刚度除与钛合金、碳纤维复合材料的相关参数有关外，凹槽结构对桨叶刚度也有影响，纤维金属螺旋桨叶片整体刚度用如下公式计算：

其中

其中，Q代表钛合金或碳纤维预浸料的刚度，Y代表钛合金的层数，m代表钛合金的最少层数，n代表碳纤维预浸料的层数，h代表钛合金或碳纤维预浸料的厚度，h_mTi代表每层钛合金片除去凹槽部分的实际厚度，Z代表凹槽个数，S_g代表凹槽的表面积，h_g代表凹槽深度，S_Ti代表每层钛合金片的表面积，下标Ti代表钛合金，下标c代表碳纤维预浸料。

7.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，以桨叶中面层为对称中心，在靠近桨叶背水面和拍水面侧多层叶片中嵌入具有凹槽结构的钛合金片，通过对称式铺层结构设计组元配比，嵌入的钛合金片设计为具有双面凹槽，凹槽方向与临近纤维层方向保持一致，与凹槽接触的多层碳纤维复合材料之间紧密结合，保证无褶皱和空气泡。

8.根据权利要求1所述的界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法，其特征在于，依据所设计的复合材料螺旋桨叶片铺层顺序，依次铺设碳纤维复合材料和具有凹槽的钛合金片，铺设后利用热压机进行纤维金属螺旋桨叶片的加热加压固化，利用树脂在热压过程中的流动性使纤维在压力条件下嵌入邻近钛合金表面的凹槽中形成纤维束和钛合金之间的机械联锁，利用所加工的凹槽增大层间的粘接面积，利用钛合金加工毛刺嵌入树脂中形成微观机械锚固，进而实现纤维金属螺旋桨叶片的异质界面结合强度的提升，提高其整体刚度。

9.一种权利要求1～8任一种界面增韧的高刚度纤维金属螺旋桨叶片设计方法的制造的纤维金属螺旋桨叶片。