CN109826761B - 用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构，在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木芯材的表面切沿产品曲面展向的单向深槽以及在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽，所述单向浅槽垂直于单向深槽。本发明通过优化开槽打孔方式，减少树脂在芯材上的吸收率，通过优化树脂在芯材中具有自导流流向配比，减少真空灌注工艺中辅助导流材料的使用以及其附着的树脂的浪费，可以有效缓解上述背景技术中提出的叶片制造成本压力问题。

Description

用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构

技术领域

本发明涉及泡沫以及巴沙木的芯材表面加工技术领域，具体为一种用于孔泡状高分子聚合物泡沫和天然轻质木纤维巴沙木的芯材表面切割开槽打孔加工的结构。

背景技术

泡沫芯材包括但不限于聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚砜泡沫(PES)、和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)等，一般均具有有良好的耐热性及静动态力学性能的闭孔发泡材料，其还包括天然轻质木纤维巴沙木(Balsa)，巴沙木的产地包括但不限于原产于厄瓜多尔和巴布亚新几内亚的巴沙木。

夹芯结构与纤维增强材料(不限于玻纤或者碳纤)和基体材料(不限于环氧树脂、不饱和聚酯以及环氧乙烯基树脂等)复合成三明治结构，该种结构具有高比强度比刚度特点，被广泛应用于风力发电，轨道交通，船舶运输以及航空航天领域。

三明治结构介绍

在风力机尤其是大型风力机设计制造过程中，常常看到这样的三层结构：即上、下表层使用玻璃纤维增强材料并复合内置夹层为轻质刚性泡沫材料，上、下表面的玻璃纤维增强材料称为结构面层，而低密度泡沫层为结构芯材。结构面层的纤维和结构芯材的泡沫的界面通过树脂材料进行粘接，泡沫芯材和玻纤增强材料的复合使得部件的刚性得到整体性提升，这样的复合材料部件结构称为三明治结构。

泡沫芯材功能介绍

三明治结构中内置的结构泡沫刚度较小，芯材主要作用为承受载荷和传递载荷，内置结构芯材利用其机械结构性能，包括拉伸性能、压缩性能、剪切性能以及抗弯曲性能；结构泡沫芯材样块具有其三维结构，如图17A所示，为长度方向1，宽度方向2以及厚度方向3，其各种机械性能在不同维度方向上常常也表现为各项异性。

三明治结构分析

三明治结构由结构面层和结构芯材组成，如图17B所述，上、下面层厚度分别为t₁、t₂，结构芯材厚度为c，结构芯材长为b，芯材开槽间隔为S。一般设计三明治结构首要关注夹层板弯曲刚度、拉压刚度和剪切刚度

夹层板弯曲刚度：

夹层板拉压刚度：

H_i＝2Efitf(i＝x,y)

夹层板剪切刚度：

风力发电叶片典型应用背景

由于石化能源危机，发展可再生能源已经成人类面临的迫切问题之一，在诸多可再生能源中，风能具有最具代表性和商业化前景的清洁能源。

叶片是风力机中最基础和最关键的部件，叶片结构可靠性是保证叶片安全运行的基本条件。考虑到叶片大型化的趋势，叶片结构低重量高强度因素也成为结构设计的重要考量，泡沫结构芯材复合增强材料的三明治结构，具有低重量高强度高刚度特性，在大型风力机叶片设计中被广泛采用。

风机叶片结构设计的目的是要通过空气动力学分析，充分利用复合材料的性能，使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积，从而使叶片具有更高的捕捉风的能力。随着风力发电机额定功率的增大，风机叶片的质量和费用随着长度的增加也迅速增加，如何通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片的质量至关重要。

在玻璃钢叶片的结构形式中，叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选择叶剖面及根端形式，要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承受较高的载荷，通常要考虑50-60m/s的极限风载。为提高叶片的强度和刚度，防止局部失稳，玻璃钢叶片大都采用主梁加气动外型的结构形式，主梁承担大部分弯曲载荷，而外壳除满足气动性能外，也承担部分弯曲载荷，主梁常用D型、O型、矩形和双拼槽钢等形式。

叶片的成型工艺

现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。具体成型工艺又大致可分为七种：①手糊；②真空灌注成型；③树脂传递模塑(RTM)；④树脂浸渍工艺(SCRMIP)；⑤纤维缠绕工艺(FW)⑥木纤维环氧饱和工艺(WEST)；⑦模压。上述工艺中，①、④、⑤和⑥是开模成型工艺，而②、③和⑦是闭模模塑工艺，采用闭模工艺，如现在常用的真空灌注成型工艺，可以精确控制树脂含量，从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性，可提高叶片的质量稳定性。

真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料上铺设一层剥离层，剥离层通常是一层很薄的低孔隙率、低渗透率的纤维织物，剥离层上铺放高渗透介质，然后用真空薄膜包覆及密封。模具用真空袋包覆密封，真空泵抽气至负压状态。脱模布为一层易剥离的低孔隙率的纤维织物，导流网为高渗透率的介质，导流管分布在导流布的上面。树脂通过进胶管进入整个体系，通过导流管引导树脂流动的主方向，导流布使树脂分布到铺层的每个角落，固化后剥离脱模布，从而得到密实度高，含胶量低的铺层结构。

真空灌注成型工艺制备风力发电叶片的关键有：①优选浸渗用的基体树脂。特别要保证树脂的最佳粘度及其流动性；②模具设计必须合理。特别对模具上树脂注入孔的位置、流通分布更要注意，确保基体树脂能均衡地充满任何一处；③工艺参数要最佳化。真空灌注成型工艺的工艺参数要事先进行实验研究，保证达到最佳化；④增强材料和夹心材料具良好的浸润和自导流性能。同时注意尽可能减少复合材料中的孔隙率以获得良好的机械性能。

芯材中树脂流动

真空灌注工艺中，由于树脂流动性、凝胶时间控制要求以及树脂对增强基体以及夹芯材料的浸润性要求等，我们常常在结构泡沫芯材以及轻质木纤维巴沙木表面作切导流槽开穿透孔等处理工作，有利于真空灌注工艺中树脂可以利用芯材的槽孔，在产品内部更加迅速的流动，对增强纤维材料更具浸润性，时产品能够更加快速的使整个产品完全浸润。

芯材结构载荷分析

结构芯材和纤维增强材料复合成三明治结构，芯材表面以及内部切槽和打孔的内腔体、芯材表面与纤维增强材料的接触界面以及纤维增强材料本身都会被树脂填充或者与树脂结合。风电叶片上使用的环氧树脂在其固化反应之后材料会变坚硬，刚性增强，这个也是整个复合而成的芯材结构材料获得良好的机械性能。兆瓦级风力发电叶片壳体泡沫夹芯结构是典型的薄壁结构，具有高比强比刚度等特性，疲劳性能好，能够有效应对叶片整体屈曲。

按照风火同价目标，成本下降，风力发电整个产业链也将面临更加严峻的成本压力。叶片在制造过程需要更加精益，制造成本需要更加节省，生产效率需要提升改善。

如何通过优化芯材开槽打孔处理方式进一步降低额外的树脂用量，同时不影响三明治结构的设计性能目标的实现；另外，如何通过芯材开槽打孔处理方式的优化减少真空灌注一次性的辅材用量，而同时保证树脂渗透效果和流动速率

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构，在制造环节上着重于一点：通过优化开槽打孔方式，减少树脂在芯材上的吸收率，通过优化树脂在芯材中具有自导流流向配比，减少真空灌注工艺中辅助导流材料的使用以及其附着的树脂的浪费，可以有效缓解上述背景技术中提出的叶片制造成本压力问题，具有显著的经济效益和精益研究价值。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构，在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木芯材的表面切沿产品曲面展向的单向深槽以及在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽，所述单向浅槽垂直于单向深槽。

优选的，所述孔泡状高分子聚合物泡沫芯材包括但不限于聚氯乙烯泡沫(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇脂泡沫(PET)、聚醚砜泡沫(PES)、聚氨酯泡沫(PU)和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)，所述木纤维巴沙木(Balsa)包括但不限于原产于厄瓜多尔和巴布亚新几内亚的巴沙木。

优选的，所述孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木的芯材厚度为5-80mm，孔泡状高分子聚合物泡沫的芯材密度为35-400kg/m³，木纤维巴沙木的平均板块密度为60-250kg/m³。

优选的，在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木的芯材上表面切沿产品曲面展向的单向深槽，在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽，开槽的作用在于：一是芯材随形于模具曲面形状；二是芯材内部主要树脂导流通道，无需使用额外的导流介质材料(比如导流网)；三是槽内填充树脂后增强了三明治结构中芯材结构强度。

优选的，所述单向深槽可实现芯材对大型曲面模具(比如兆瓦级叶片模具)良好的贴合，单向深槽相互平行且保持深槽间距S_c-c为20-80mm，深槽留厚D_max为0-t₁，其中t₁＝芯材80％厚度，深槽槽宽W₁为0.1-1.5mm。

优选的，位于上表面的单向浅槽的槽宽为W₂，位于下表面的单向浅槽的槽宽为W₃，单向浅槽的槽宽为0.1-1.5mm，位于上表面的单向浅槽的间距为U_c-c，位于下表面的单向浅槽的间距为B_c-c，单向浅槽的间距为20-80mm，位于上表面的单向浅槽的槽深为D_top，位于下表面的单向浅槽的槽深为D_bottom，单向浅槽的槽深为0-t₂，其中t₂＝芯材50％厚度，浅槽的作用为树脂从产品中间区域向前后缘区域扩展流动的主要通道，并无需额外的导流介质辅材(如导流网)，相对传统的使用导流介质的芯材表面处理方式，树脂流速提升20-30％，上、下表面的单向浅槽相互平行，开槽的错位度为0-B_c-c或U_c-c。

优选的，所述单向浅槽与单向深槽内填充有树脂，以此共同增强了三明治结构中芯材结构的强度，相对于无表面处理的平板泡沫芯材，压缩强度、模量提升300％，剪切强度、模量提升50％。

优选的，下表面的单向浅槽与上表面的单向深槽的切缝交汇深度为D_top-D_max＝0-t₂，其中t₂＝芯材50％厚度，交汇空隙便于树脂快速穿透芯材，实现树脂在芯材厚度方向上的流动，无需芯材进行额外的打孔作业处理，从而降低加工成本，并提升加工效率。

优选的，所述单向深槽与单向浅槽切缝开槽间隙呈ɑ角度，来实现芯材随型和树脂流动的最优表现，ɑ角度范围为45°-135°。

优选的，以ɑ角度为90°最佳。

本发明的结构，树脂利用结构芯材本身的开槽间隙进行自导流，快速的从产品中央灌注区域向四周扩展浸润，使得树脂在较短的凝胶工艺时间内完成整个产品的灌注；结构芯材的自导流特性，还在于相对于传统表面处理方式的结构芯材的真空灌注方式，免除了灌注导流辅材的大量使用，节约了大量树脂成本以及人工成本，具有显著的优势。

附图说明

图1A为泡沫芯材板开槽打孔表面处理方式的示意图；

图1B为泡沫芯材板开槽打孔表面处理方式的局部图；

图1C为泡沫芯材板开槽打孔表面处理方式的局部示意图；

图2为泡沫芯材板材和木纤维巴沙木的典型开槽打孔表面处理方式示意图；

图3A为聚氯乙烯泡沫芯材的示意图；

图3B为木纤维巴沙木芯材的示意图；

图3C为聚对苯二甲酸乙二醇脂芯材的示意图；

图3D为聚甲基丙烯酰亚胺芯材的示意图；

图4A为泡沫芯材样块灌注前期树脂流动的示意图；

图4B为泡沫芯材样块灌注中后期树脂流动的示意图；

图5为泡沫芯材板材的吸胶量测试样品的示意图；

图6A为泡沫芯材板材的机械性能测试样品加工压缩样块示意图；

图6B为泡沫芯材板材的机械性能测试样品加工剪切样块示意图；

图6C为泡沫芯材板材的机械性能测试样品加工拉伸样块示意图；

图7A为泡沫芯材板材的压缩性能测试意图；

图7B为泡沫芯材板材的剪切性能测试意图；

图7C为泡沫芯材板材的拉伸性能测试意图；

图8为泡沫芯材板材的滚筒剥离测试样品加工的示意图；

图9为泡沫芯材板材的滚筒剥离测试示意图(ASTM D1781)；

图10A为泡沫芯材板用于风电叶片上套材的腹板芯材套材示意图；

图10B为泡沫芯材板用于风电叶片上套材的低压片壳体PVC泡沫芯材套材示意图；

图10C为泡沫芯材板用于风电叶片上套材的高压片壳体PVC泡沫芯材套材示意图；

图11为风力发电叶片灌注过程示意图；

图12为风电叶片的典型灌注辅材布局示意图；

图13A为泡沫芯材在叶片上机械结构剖析的示意图；

图13B为泡沫芯材在叶片上玻纤包裹泡沫芯的示意图；

图13C为泡沫芯材在叶片上机械结构的示意图

图14A为叶片上受载荷分析以及叶片整体屈曲示意图；

图14B为叶片整体的示意图；

图15位采取灌注欧姆管布局以及导流网铺放方案的对比图；

图16A为叶片壳体表面凹形曲面类型的示意图；

图16B为叶片壳体表面凸形曲面类型的示意图；

图17A为现有技术中结构泡沫芯材样块的示意图；

图17B为现有技术中三明治结构由结构面层和结构芯材组成的示意图；

图18为实验例的结构示意图；

图19为实验例后结构芯材自导流特性与树脂流动状态浅析试验对照图；

图20为压缩样块3c方向示意图；

图20A为剪切样块G₂₃：样块长度沿叶片弦向示意图；

图20B为剪切样块G₁₃：样块长度沿叶片展向示意图；

图20C为剪切样块G₂₃破坏示意图；

图20D为剪切样块G₁₃破坏示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明公开了一种用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构，在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木芯材的表面切沿产品曲面展向的单向深槽以及在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽，所述单向浅槽垂直于单向深槽。

实施例一：

如图1-16所述，在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木的芯材上表面切沿产品曲面展向的单向深槽，在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽。

本发明描述的各尺寸参数在描述时具有如下特征：

1、芯材与模具面弯曲贴合程度

由于产品模具表面一般具有较复杂曲面形状，泡沫材料为整块平板状，故对其进行开槽处理时其可以在材料铺放过程中与模具表面曲面有良好的贴合状况。风力发电叶片机壳体表面曲线多呈现单曲面状况，即曲面弯曲后沿着叶片展向方向延伸。结构泡沫材料自身的弯曲程度主要与该厚度类型的材料切深槽状况，结构泡沫材料本身韧性以及夹芯材料铺放时正反方向铺放有明显关系。故本发明在描述结构芯材与模具贴合程度的描述上做了如下研究：

深槽槽宽参数W₁；深槽槽间距S_c-c；深槽留厚D_max

深槽相互平行且保持深槽间距范围在S_c-c在20～80mm，深槽留厚D_max在0～t₁(t₁＝芯材80％厚度)，深槽槽宽W₁范围在0.1～1.5mm。

叶片壳体表面凹形曲面类型，如图16A；叶片壳体表面凸形曲面类型，如图16B，其中：

α＝2*arcsin(0.5*W₁/(T_core-D_bottom))

ρ＝1/r＝1/[0.5*(S_c-c+W₁)*cotα]

W<sub>1</sub>(mm)	α	Curvatureρ
			0.6	1.53	1.149
0.9	2.29	0.056
			1.3	3.31	0.008

备注:已明确参数D_bottom为2.5mm、T_core为25mm以及S_c-c为40mm

2、芯材上表面单向浅槽

芯材上表面单向浅槽槽间距固定且相互平行，本发明中上表面单向浅槽的开槽方向沿着叶片弦向方向，主要作用是帮助树脂在夹芯材料上能够快速流动扩张开来，可以更加广泛更加均匀的进行树脂下渗流动(通过微孔穿透夹芯材料)，从而可以更迅速更良好的与下层玻璃纤维增强材料浸润。

上表面单向浅槽主要三个参数：

单向浅槽槽间距U_c-c；槽宽W₂；浅槽槽深D_top。其中，上表面单向浅槽槽宽W₂，浅槽槽宽范围0.1-1.5mm，浅槽槽间距U_c-c范围在20-80mm，浅槽槽深D_top范围在0-t₂(t₂＝芯材50％厚度)。

3、芯材下表面浅槽

夹芯材料下表面单向浅槽槽间距固定且相互平行，本发明中下表面浅槽的开槽方向沿着叶片弦向方向，主要作用是帮助树脂在透过夹心材料后能够快速流动扩张开来，可以更好的与下层玻璃纤维增强材料浸润。

下表面浅槽槽深需要大于深槽留厚，使得上表面深槽与下表面浅槽有重叠交汇，树脂可以顺利从夹芯材料上表面通过交汇处的空腔渗透至下表面的芯材区域。

下表面浅槽主要三个参数：

单向浅槽槽间距B_c-c；槽宽W₃；浅槽槽深D_bottom，其中，下表面浅槽槽宽W₃，浅槽槽宽范围在0.1-1.5mm。浅槽槽间距B_c-c范围在20-80mm，浅槽槽深D_bottom范围在0-t₂(t₂＝芯材50％厚度)。

4、下表面贴网布面

结构芯材材料下表面在制作过程中增加粘接无捻薄粗纱网布，网布与夹芯材料贴合平整紧密。保证夹芯材料整块在运输以及现场铺放过程中不出现掉块破损状况，当然，贴网布工序作为可选工艺。

5、本发明的几种特征类型处理方式

5.1本发明推荐最优化处理形式

1、沿叶片展向方向开深槽，深槽间槽间距固定且相互平行：

深槽槽宽W₁＝0.9mm、深槽槽间距S_c-c＝40mm、深槽留厚D_max＝2.5mm。

2、沿叶片弦向方向上下表面开浅槽，浅槽间槽间距固定且相互平行：

上表面浅槽槽宽W₂＝1.3mm、上表面浅槽槽间距U_c-c＝20mm、上表面浅槽深度D_top＝2.5mm；下表面浅槽槽宽W₃＝1.3mm、下表面浅槽槽间距B_c-c＝20mm、下表面浅槽深度D_bottom＝3.5mm。

3、槽间相互关系：

深槽与浅槽开槽方向为正交，上表面浅槽与下表面浅槽开槽方向为相互平行。上表面浅槽和下表面浅槽错位度为0mm。上表面深槽和下表面浅槽交汇深度D_bottom–D_max＝1mm，避免结构芯材再次进行打孔操作。

4、结构芯材下表面选择贴网布工艺，如图2所示。

5.2其他典型特征类型芯材开槽处理方式—深槽槽间距60mm

1、沿叶片展向方向深槽，深槽间槽间距固定且相互平行：

深槽槽宽W₁＝0.9mm、深槽槽间距S_c-c＝60mm、深槽留厚D_max＝2.5mm。

2、沿叶片弦向方向上表面浅槽，浅槽间槽间距固定且相互平行：

上表面浅槽槽宽W₂＝1.3mm、上表面浅槽槽间距U_c-c＝20mm、上表面浅槽深度D_top＝2.5mm；下表面浅槽槽宽W₃＝1.3mm、下表面浅槽槽间距B_c-c＝20mm、下表面浅槽深度D_bottom＝3.5mm。

3、槽间相互关系，深槽与浅槽开槽方向为正交，上表面浅槽与下表面浅槽开槽方向为相互平行：

上表面浅槽和下表面浅槽错位度为0mm；上表面深槽和下表面浅槽交汇深度D_bottom–D_max为1mm。

6、结构芯材自导流特性：树脂流动状态浅析

以本发明推荐最优化处理形式作案例进行树脂流动的真空灌注试验分析，在试验中观察研究树脂在结构芯材槽间流动状况以及芯材上下表面的展开以及玻璃纤维增强材料的浸润状况，并记录其时间。

7、结构芯材吸胶量测试结果

以本发明推荐最优化处理形式作案例进行树脂流动的真空灌注试验分析，按照结构芯材吸胶量测试标准操作流程，进行按照本发明处理的结构芯材的灌注后树脂吸收量与常用的开槽处理方式的壳体结构芯材灌注后树脂吸收量进行数据对比。

8、结构芯材灌注样块机械结构性能校核

以本发明推荐最优化处理形式作案例进行树脂流动的真空灌注试验分析，按照国际标准对灌注后结构芯材样块进行机械性能测试校核，测试内容为：压缩样块测试，参照ASTM C1621标准；剪切性能测试，参照ASTM C273；拉伸性能测试，参照ASTM D297。本试验还进行按照本发明处理的结构芯材的灌注后的结构泡沫样块与常用的开槽处理方式的壳体结构芯材灌注后的结构泡沫样快进行机械系性能数据的横向对比。

9、结构芯材灌注样块与结构面层界面剥离性能测试

以本发明推荐最优化处理形式作案例进行树脂流动的真空灌注试验分析，按照国际标准对灌注后结构芯材样块进行界面剥离性能测试校核，参照ASTM D1781标准。本试验还进行按照本发明处理的结构芯材的灌注后的结构泡沫样块与常用的开槽处理方式的壳体结构芯材灌注后的结构泡沫样快进行界面剥离性能测试数据的横向对比。

10、叶片灌注工艺浅析：灌注管道布局以及取消导流辅材方案调整

以本发明推荐最优化处理形式作案例在国内某60米叶型叶片进行整支叶片壳体结构芯材的套裁铺放试验，并在充分考虑到本发明优异的结构芯材自导流特性，对叶片进行真空灌注工艺时的表面灌注辅材布局重新调整，主要体现在叶片表面灌注欧姆管布局优化以及叶片表面大面区域大规模取消导流网铺放。

11、结构芯材在叶片结构上受力状态以及叶片整体屈曲描述

目前大型风电叶片的结构都为蒙皮主梁形式，蒙皮主要由双轴复合材料层增强，提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽，采用夹芯结构，提高其抗失稳能力，这与夹芯结构大量在汽车上应用类似。主梁主要为单向复合材料层增强，是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构，对主梁起到支撑作用。

在为国内外叶片和整机客户提供“综合成本优化”项目的芯材槽孔处理方式优化的实践过程中，了解到芯材的槽孔处理方式的不同不仅会影响芯材铺放随形和灌注工艺，也会影响到叶片铺层结构校核的结果。这是因为，在早期的50米以下中、小型叶片上，叶片铺层结构设计采用泡沫芯材本体性能作为计算参数，但近两年来，随着叶片长度增加，铺层结构校核时，大多使用灌注后的泡沫芯材的力学性能(剪切、压缩和拉伸)作为芯材性能参数代入有限元软件。因此，芯材切槽打孔中的树脂的性能也参与了叶片结构校核之中。

以本发明推荐最优化结构芯材处理形式作案例进行整支叶片壳体结构芯材的套裁铺放试验，进行真空灌注以及高压片和低压片粘接固化工艺等完成的整支叶片试验，了解其受力状况以及叶片整体屈曲状态。

12、整支叶片综合效益分析

以本发明推荐最优化结构芯材处理形式作案例进行整支叶片壳体结构芯材的套裁铺放试验，进行真空灌注以及高压片和低压片粘接固化工艺等完成的整支叶片试验。其整支叶片树脂节省重量，导流网节省成本以及叶片制造周期效率提升，人工成本降低等综合经济效益的分析。

附表说明

表1为整支叶片全芯材厚度的本发明优先推荐表面槽孔槽处理方式泡沫相较于传统双向深槽表面处理方式的泡沫在树脂流动速率差异对比。

表2为整支叶片全芯材厚度的本发明优先推荐表面槽孔槽处理方式泡沫相较于传统双向深槽表面处理方式的泡沫在吸胶量对比数据。

表3为单向深槽处理方式泡沫机械结构性能测试数据。

压缩性能测试:样品尺寸60*60*50mm，3c方向性能数据

剪切性能测试：样品尺寸250*50*25mm,G₁₃方向为样品长度方向平行于叶片展向：

剪切性能测试：样品尺寸250*50*25mm,G₂₃方向为样品长度方向平行于叶片弦向：

剪切性能测试：样品尺寸250*30*25mm,G₁₃方向为样品长度方向平行于叶片展向：

剪切性能测试：样品尺寸250*30*25mm,G₂₃方向为样品长度方向平行于叶片弦向：

灌注后剪切样品性能测试于未灌注样品剪切性能对比：

表4为本发明优先推荐表面槽孔槽处理方式泡沫相较于传统双向深槽表面处理方式的泡沫测叶片工艺优化树脂用量，时间节省结果对比数据。

注：通过实验芯材厚度数据推广至整支叶片进行初步树脂量节省测算。

注：通过整支叶片各厚度类型分布面积进行理论激素那估算整支叶片树脂节省量测算。

某国产60米叶片型号车间试验数据：

注：1,通过车间叶片生产实践，记录这三支叶片实际使用树脂含量并根据历史经验数据，测算树脂节省量：

2,通过比较整支叶片理论数据节省用量以及实际车间树脂节省用量，我们分析其误差原因在于实际芯材使用为曲面造型(开槽展开角度)，壳体玻纤树脂含量，工艺操作调整等因素。

表5为本发明优先推荐表面槽孔槽处理方式泡沫相较于传统双向深槽表面处理方式的泡沫测叶片综合经济效益分析结果平行对比数据；

实验例一，如图18-20所示，

1、结构芯材自导流特性，即树脂流动状态浅析试验实施方式：

具体所用材料如下：100份035c环氧树脂、32份037环氧树脂固化剂、2块25mm厚500×500mm 60kg/m³密度IPN泡沫60g/m³(分别为本发明推荐最优化处理形式的泡沫和常用的开槽处理方式的壳体结构芯材)、上下各2层808kg/m²双轴玻纤布3、脱模布4、180g/m²导流网5、60μm尼龙真空袋6、12m内经蓝石LDPE管7、3x12mm真空密封胶带8、100mm x400mmVAP半透膜袋9、50mm x1000mm透气棉条10、注胶管11。

试验作两组进行对比：本发明推荐最优化处理形式的泡沫，具体步骤如下：测量灌注前的泡沫芯材板材的尺寸和重量，并记录；裁剪真空袋6、导流网5、脱模布4和LDPE管7；在玻璃工作台面1上自上而下依次铺设：180g/m²导流网、60g/m²脱模布、2层808kg/m²双轴玻纤布、500×500mm 60kg/m³密度IPN泡沫2、2层808kg/m²双轴玻纤布3、60g/m²脱模布、连接抽气管和注胶管，抽气管连接到外部树脂收集器在真空袋区域四周贴上密封胶带，胶带将跨过抽气和注胶管，使用密封胶8带将真空袋6密封起来抽真空，并检查真空袋6气密性。

常用的开槽处理方式的壳体结构芯材，具体步骤如下：测量灌注前的泡沫芯材板材的尺寸和重量，并记录裁剪真空袋、导流网、脱模布和LDPE管，在玻璃工作台面上自上而下依次铺设：180g/m²导流网、60g/m²脱模布、2层808kg/m²双轴玻纤布、500×500mm 60kg/m³密度IPN泡沫、2层808kg/m²双轴玻纤布、60g/m²脱模布、180g/m²导流网、连接抽气管和注胶管，抽气管连接到外部树脂收集器在真空袋区域四周贴上密封胶带，胶带将跨过抽气和注胶管，使用密封胶带将真空袋密封起来抽真空，并检查真空袋气密性。

按照重量比100：32，混合搅拌100份035c环氧树脂，32份037环氧树脂固化剂，将注胶管放入混合后的树脂桶中，灌注树脂。

本发明推荐最优化处理形式的泡沫灌注试验表面无导流网铺放，常用的开槽处理方式的壳体结构芯材试验表面全覆盖导流网。树脂灌注过程进行试验表面树脂流动形态观察和分析并记录样品灌注时间，直至上下面脱模布及导流网全部浸润完成后停止灌注时间计时，并夹断注胶管待树脂固化完成后脱模，依次剥离导流网和脱模布将表面固化树脂的泡沫芯材板材。

2、结构芯材吸胶量测试试验实施方式：

具体所用材料如下：100份035c环氧树脂，32份037环氧树脂固化剂、2块25mm厚、500×500mm 60kg/m³密度IPN泡沫60g/m³(分别为本发明推荐单向槽最优化处理形式的泡沫和传统双向开槽处理方式的壳体结构芯材)、脱模布、180g/m²导流网、60μm7400尼龙真空袋、12m内经蓝石LDPE管、3mm x12mm真空密封胶带。

试验作两组进行对比：本发明推荐单向槽最优化处理形式的泡沫，具体步骤如下：测量灌注前的泡沫芯材板材的尺寸和重量，并记录裁剪真空袋、导流网、脱模布和LDPE管，在玻璃工作台面上自上而下依次铺设：180g/m²导流网、60g/m²脱模布、500×500mm 105kg/m³密度IPN、60g/m²脱模布、连接抽气管和注胶管，抽气管连接到外部树脂收集器在真空袋区域四周贴上密封胶带，胶带将跨过抽气和注胶管使用密封胶带将真空袋密封起来抽真空，并检查真空袋气密性:

传统双向开槽处理方式结构泡沫芯材，具体步骤如下：测量灌注前的泡沫芯材板材的尺寸和重量，并记录裁剪真空袋、导流网、脱模布和LDPE管，在玻璃工作台面上自上而下依次铺设：180g/m²导流网、60g/m²脱模布、500×500mm 105kg/m³密度PET封孔板、60g/m²脱模布、180g/m²导流网、连接抽气管12和注胶管11，抽气管连接到外部树脂收集器在真空袋区域四周贴上密封胶带，胶带将跨过抽气和注胶管，使用密封胶带将真空袋密封起来抽真空，并检查真空袋气密性。

本发明推荐单向槽最优化处理形式的泡沫灌注试验表面无导流网铺放，常用的开槽处理方式的壳体结构芯材试验表面全覆盖导流网。

按照重量比100：32，混合搅拌100份035c环氧树脂，32份037环氧树脂固化剂，将注胶管放入混合后的树脂桶中，灌注树脂，直至上下面脱模布及导流网全部浸润完成后，夹断注胶管待树脂固化完成后脱模，依次剥离导流网和脱模布。将表面固化树脂的泡沫芯材板材进行裁切和称重，并记录数据

计算吸胶量，即泡沫树脂吸收量＝灌注后的芯材面密度–灌注前的芯材面密度

具体吸胶量测试结果如表1所示。

3、机械结构性能校核试验实施方式：

具体材料如下：2块25mm厚、500×500mm60kg/m³密度IPN泡沫芯材(为本发明推荐最优化处理形式的泡沫和常用的开槽处理方式的壳体结构芯材)、100份035C环氧树脂、32份037环氧树脂固化剂、60g/m²脱模布、180g/m²导流网、75μm尼龙真空袋、3mm x12mm真空密封胶带。

试验作分别进行两组*3对试验，分别进行对比，仅更换结构芯材，分别制作样块进行剪切性能测试和压缩性能测试。

本发明推荐单向槽最优化处理形式的泡沫，具体步骤如下：测量灌注前的泡沫芯材板材的尺寸和重量，并记录裁剪真空袋、导流网、脱模布和LDPE管，在玻璃工作台面上自上而下依次铺设：180g/m²导流网、60g/m²脱模布、500×500mm 60kg/m³密度IPN泡沫、60g/m²脱模布连接抽气管和注胶管，抽气管连接到外部树脂收集器在真空袋区域四周贴上密封胶带，胶带将跨过抽气和注胶管使用密封胶带将真空袋密封起来抽真空，并检查真空袋气密性。

按照重量比100：32，混合搅拌100份035C环氧树脂，32份037环氧树脂固化剂，将注胶管放入混合后的树脂桶中，灌注树脂，过程进行树脂流动趋势观察分析并记录灌注时间，直至上下面脱模布及导流网全部浸润完成后停止灌注时间计时，并夹断注胶管待树脂固化完成后脱模，依次剥离导流网和脱模布将表面固化树脂的泡沫芯材板材。

参照ASTM D1621制作样块进行压缩性能测试:

压缩性能测试：按照ASTM D1621标准进行取样测试，目的在于考察泡沫表面加工的槽孔在灌注树脂后样块的压缩性能。将灌注好的泡沫板去除上下表面脱模布层，然后根据压缩样块的网格划线要求，并参照ASTM D1621标准将芯材制作6个尺寸60*60*50mm的压缩样块。

参照ASTM C273制作样块进行剪切性能测试：

剪切性能测试：按照ASTM C273标准进行取样测试，考察泡沫表面加工的槽孔在灌注树脂后样块的剪切性能。将灌注好的泡沫板去除上下表面脱模布层，考虑到剪切样块单向槽的取样方向问题，在根据剪切样块的网格划线要求，参照ASTM C273标准的基础上，将芯材制作成四组剪切样块。

分别为：

样品尺寸250*50*25mm，深槽方向平行于叶片展向；

样品尺寸250*50*25mm，深槽方向平行于叶片弦向；

样品尺寸250*30*25mm，深槽方向平行于叶片展向；

样品尺寸250*30*25mm，深槽方向平行于叶片弦向。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.用于芯材表面切割开槽打孔加工的结构，其特征在于，在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木芯材的表面切沿产品曲面展向的单向深槽以及在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽，所述单向浅槽垂直于单向深槽，所述孔泡状高分子聚合物泡沫芯材包括但不限于聚氯乙烯泡沫、聚对苯二甲酸乙二醇脂泡沫、聚醚砜泡沫、聚氨酯泡沫和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，所述孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木的芯材厚度为5-80mm，孔泡状高分子聚合物泡沫的芯材密度为35-400kg/m³，木纤维巴沙木的平均板块密度为60-250kg/m³，所述单向浅槽与单向深槽内填充有树脂；

在孔泡状高分子聚合物泡沫和木纤维巴沙木的芯材上表面切沿产品曲面展向的单向深槽，在其上、下表面分别切沿产品曲面弦向的单向浅槽，所述单向深槽可实现芯材对大型曲面模具的贴合，单向深槽相互平行且保持深槽间距S_c-c为20-80mm，深槽留厚D_max为0-t₁，其中t₁＝芯材80％厚度，深槽槽宽W₁为0.1-1.5mm，位于上表面的单向浅槽的槽宽为W₂，位于下表面的单向浅槽的槽宽为W₃，单向浅槽的槽宽为0.1-1.5mm，位于上表面的单向浅槽的间距为U_c-c，位于下表面的单向浅槽的间距为B_c-c，单向浅槽的间距为20-80mm，位于上表面的单向浅槽的槽深为D_top，位于下表面的单向浅槽的槽深为D_bottom，单向浅槽的槽深为0-t₂，其中t₂＝芯材50％厚度，上、下表面的单向浅槽相互平行，开槽的错位度为0-B_c-c或U_c-c，下表面的单向浅槽与上表面的单向深槽的切缝交汇深度为D_top-D_max＝0-t₂，其中t₂＝芯材50％厚度，所述单向深槽与单向浅槽切缝开槽间隙呈ɑ角度，ɑ为90°。

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