一种高刚度轻质实芯复合材料舵叶的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水面或水下航行器使用的舵叶，尤其涉及一种船舶用高刚度轻质实芯复合材料舵叶。
【背景技术】
[0002]作为控制面，舵叶通常安装在航行器的尾部(水下航行器也可安装在首部)并浸在水中，当航行器航行时，通过转动舵叶产生舵力以操纵航向。传统的钢质舵叶主要为钢质空芯板架结构，存在以下缺点:(I)在正常使用时，海水可自由出入，内部钢质骨架将受到海水长期浸泡，且由于舵叶内部空间狭窄无法开展维护或保养，内部骨架结构腐蚀问题非常严重；(2)由于内部泥沙长期堆积，也会导致舵叶重心变化，影响操纵特性；(3)传统钢质舵叶骨架为钢质骨架，重量大，抗弯扭效率低，而且钢质舵叶水下重量大，占用储备浮力较多；
(4)传统钢质舵叶受舵叶重量的限制，无法在舵叶内部填充阻尼和/或吸声等功能性材料，因此传统钢质舵叶阻尼特性差，减振抑振能力弱；同时，受内部水和外部附连水质量的影响，传统钢质舵叶水下低阶固有频率低，易产生低频颤振。
[0003]从设计角度而言，当采用复合材料蒙皮替换舵叶钢质蒙皮时，舵叶的弯曲及扭转刚度一般将大幅降低，严重时可能会影响舵叶综合特性，因此，在对复合材料舵叶结构进行设计时，其弯扭刚度特性应具有足够的可提高空间或可设计空间，即具有基本保持与对应钢质舵刚度相当的能力，这是开展高刚度复合材料舵叶结构设计的基本条件。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服上述【背景技术】存在的不足，提供一种高刚度轻质实芯复合材料舵叶。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种高刚度轻质实芯复合材料舵叶，包括舵杆区钢框架、复合材料骨架、浮力填充芯材、阻尼和/或吸声材料以及复合材料蒙皮，所述舵杆区钢框架与所述复合材料骨架之间采用固定连接组成舵叶整体框架结构，所述舵叶整体框架结构表层包覆所述复合材料蒙皮，形成水密结构，所述浮力填充芯材6填充于所述舵叶整体框架结构与所述复合材料蒙皮之间的空隙中，所述阻尼和/或吸声材料填充于所述舵杆区钢框架舵杆周围。所述浮力填充芯材的密度小于水的密度，当舵叶位于水下时，所述浮力填充芯材在有效支撑复合材料蒙皮的情况下还可以提供浮力。所述阻尼和/或吸声材料以及浮力填充芯材可根据舵叶总体重量、减振或声目标强度特性要求进行调整。
[0006]在上述技术方案中，舵叶蒙皮及骨架均采用复合材料，有效的减小了整个舵叶结构的重量;所述复合材料舵叶采用水密结构的设计方案解决了传统钢质舵叶易腐蚀、泥沙在舵叶内部堆积的缺点，而水密结构的设计对舵叶的结构强度和刚度的要求更高，通过采用密度小于水的浮力填充芯材，在对复合材料蒙皮提供有效支撑的情况下还提供了水下浮力;阻尼吸声材料能有有效减小舵杆区域的振动和噪声。
[0007]为进一步提高舵叶的结构强度，所述的高刚度轻质实芯复合材料舵叶，还包括加强角材和复合材料翼板，所述加强角材位于所述复合材料骨架的交叉部位，所述复合材料翼板位于所述复合材料骨架的边缘。
[0008]所述复合材料骨架由展肋板和弦肋板交叉组合而成，肋板的数量可增减，展肋板保持连续，在与弦肋板交叉的部位采用复合材料加强角材进行加强，在复合材料骨架的边缘采用复合材料翼板进行加固。
[0009]所述复合材料蒙皮可根据结构弯扭刚度设计要求，分别采用碳纤维增强复合材料、玻纤增强复合材料或碳玻混杂纤维增强复合材料。
[0010]进一步，所述复合材料蒙皮采用变厚度设计，在整体或局部采用碳玻混杂纤维增强复合材料，所述碳玻混杂纤维增强复合材料采用碳玻混杂的铺层设计，混杂方式为层间或层内混杂方式，在刚度要求较大的方向采用碳纤以提高刚度，在其他方向采用玻纤以降低成本。
[0011]所述复合材料蒙皮还可优选采用分区设计，主要包括舵杆区、展向扩展区和随边区，其中舵杆区蒙皮厚度最大，展向扩展区次之，随边区最薄。
[0012]所述舵杆区钢框架与所述复合材料骨架的固定连接方式为在所述舵杆区钢框架连接部位延伸出两层钢板，将所述复合材料骨架插入两层钢板之间，进行固定连接。
[0013]进一步，所述舵杆区钢框架在连接部位延伸出的两层钢板的形状优选为C形或者矩形。
[0014]从结构设计工程角度进行分析，为实现高刚度与轻质的目的，本发明采用了如下设计:一方面采用复合材料骨架替代抗弯效率低的钢质骨架，并解决了其与舵杆区钢框架的连接问题；另一方面采用了碳玻混杂变厚度复合材料蒙皮设计，并在主承载方向采用碳纤维铺层，在主承载区对蒙皮进行加厚，有效提高了舵叶的抗弯刚度并减轻了结果重量。此夕卜，上述舵叶整个为水密结构，有效解决了传统钢制舵叶易腐蚀的问题;上述舵叶内部填充浮力芯材，在有效支撑复合材料蒙皮的情况下还可以提供浮力，有效解决了传统钢制舵叶水下重量大的问题;通过舵叶舵杆周围填充阻尼和/或吸声材料，还可对舵叶进行减振降噪处理。
[0015]本发明主要应用于水面或水下航行器的悬挂舵叶，在保证舵叶具有足够结构强度及刚度要求的同时，较好地解决了传统钢质悬挂舵叶易腐蚀、水下重量大以及抑振能力差的问题。
【附图说明】
[0016]图1为本发明结构示意图。
[0017]图2为图1中AA剖面图。
[0018]图3为实施例1舵杆区钢框架图。
[0019]图4为实施例1复合材料骨架图。
[0020]图5为实施例2舵杆区钢框架图。
[0021]图6为实施例2复合材料骨架图。
[0022]图7为蒙皮分区示意图。
[0023]其中，1-舵杆区钢框架，2-复合材料骨架，3-加强角材，4-复合材料翼板，5-阻尼或吸声材料，6-浮力填充芯材，7-复合材料蒙皮，11-舵杆，12-钢质骨架，13-钢质连接件，14-减轻孔，15-舵杆端部盲孔，21-展肋板，22-弦肋板，71-舵杆区，72-展向扩展区，73-随边区。
【具体实施方式】
[0024]实施例1:
[0025]参见图1、图2、图3和图4，本实施例由舵杆区钢框架1、复合材料骨架2、加强角材3、复合材料翼板4、阻尼和/或吸声材料5、浮力填充芯材6以及复合材料蒙皮7组成。
[0026]所述舵杆区钢框架I采用45号高强钢制作，舵杆端部焊接整块钢质端部板，