复合材料桨叶变形故障及其质量改进研究

admin · 发表于 2023-10-11 10:15:13

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碳纤维复合材料（CFRP）具有高比强度、高比模量、抗疲劳性能好、结构可设计等优点，应用于航空、航天、军工和能源等领域。复合材料叶片目前广泛应用于风机叶片，军、民螺旋桨式飞机上。某型机在研制中选用复合材料桨叶，其具有降低螺旋桨重量、提高寿命与可靠性、减少螺旋桨高速旋转对电波的遮挡等优点。复合材料桨叶在使用一段时间后出现变形的故障，比率达到35%，查找并分析其故障原因、机理以及影响，提出质量改进措施是急需解决的题目。本文在对复合材料桨叶变形故障特征分析的基础上，结合有限元分析进行载荷计算，给出了故障原因与故障机理；采用空气动力学方法对变形桨叶的结构安全性影响进行分析；在综合分析的基础上完善了桨叶泡沫材料性能指标体系与检测方法，结合正交试验，对工艺参数进行了优化，提出了桨叶变形的预防改进措施。桨叶变形是泡沫芯与胶膜近界面区的泡沫开裂所致，其性质为疲劳开裂；通过应用有限元方法进行载荷计算，变形桨叶的聚氨酯泡沫材料剪切强度与载荷处于临界状态，存在部分失效开裂的可能。通过故障树分析及相关试验、统计分析表明：国产聚氨酯泡沫材料强度指标较低，批次性不一致，桨叶变形、泡沫开裂与泡沫芯原材料批次、泡沫芯成型环境湿度有直接的关系；通过研究泡沫芯材料聚氨基甲酸酯的特性发现，其吸潮后对成型泡沫芯性能影响较大，是造成部分桨叶变形的主要原因。针对变形故障，应用空气动力学的有关知识对螺旋桨变形对的升力和阻力的影响进行了讨论；计算了桨叶变化较大区域在某一飞行阶段的马赫数，得出桨叶翼型变化对飞行品质有一定的影响，最后分析认为泡沫芯开裂对结构安全影响不大。完善了复合材料桨叶聚氨酯泡沫材料的性能指标及检测方法，提出了聚氨酯泡沫材料的改进优选措施，研究了泡沫成型过程中的工艺改进措施及质量控制手段，并对改进后试验件进行验证。

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