專利名稱：復(fù)合翼梁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及復(fù)合翼梁。更具體地，本發(fā)明涉及具有變化的厚度的復(fù)合翼梁，
例如，用于諸如推進(jìn)器翼梁、翼桁架等的多種航空應(yīng)用中的復(fù)合翼梁。
背景技術(shù)：
翼梁是許多產(chǎn)品的整體構(gòu)件。這種翼梁通常為承重的結(jié)構(gòu)性元件，用于給此類產(chǎn) 品增加支撐。例如，翼桁架提供在飛機(jī)中用于將機(jī)翼固定到飛機(jī)上，并且將機(jī)翼產(chǎn)生的升力 傳遞到飛機(jī)的機(jī)身上。
已知翼梁常采用以實(shí)心或框架結(jié)構(gòu)提供的金屬材料制成。例如，已知多種用于推 進(jìn)器葉片[1-5]中的金屬翼梁為形成在其附近的翼型件提供結(jié)構(gòu)性支撐。
然而，現(xiàn)在有時(shí)采用復(fù)合材料制造翼梁(例如，通過采用諸如玻璃和/或碳等的多 種纖維的機(jī)織或編織材料)，因?yàn)榇祟悘?fù)合材料[6-8]通常比常規(guī)的金屬翼梁更輕更硬。
但是，盡管基于常規(guī)復(fù)合材料的翼梁對(duì)于許多應(yīng)用都更好，但是它們?cè)诶缧枰?形成具有變化厚度的復(fù)雜形狀時(shí)(如用于翼桁架/推進(jìn)器翼梁等時(shí))并不理想。
因此，為了解決用復(fù)合材料形成復(fù)雜的翼梁形狀的需要，采用了多種制造技術(shù)。
例如，當(dāng)制造用于推進(jìn)器的翼梁時(shí)，已知采用了削層(ply-drop)技術(shù)，其中切割 布片材料的成形部分是手工敷層的，以產(chǎn)生對(duì)翼梁的理想三維形狀的階梯狀邊緣近似。然 后在注入樹脂以提供成品的翼型件狀的推進(jìn)器之前，用復(fù)合纖維材料對(duì)階梯狀邊緣翼梁進(jìn) 行外層編織(over-braid)。 盡管這種技術(shù)提供高質(zhì)量的推進(jìn)器，但是存在與這種制造技術(shù)相關(guān)的某些缺點(diǎn)。 例如，布/纖維材料昂貴，并且在可以使用之前必須進(jìn)行質(zhì)量檢查，此外該技術(shù)嚴(yán)重依賴于 操作員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)來正確地將多個(gè)層組裝成多層的階梯狀翼梁部件。這也進(jìn)一步減緩了 制造過程，并使得生產(chǎn)相對(duì)昂貴。 而且，成品翼型件的強(qiáng)度依賴于單個(gè)成形部分彼此之間的粘結(jié)，以保證形成翼梁 的各層在使用時(shí)不會(huì)層離。另外，單個(gè)層或削層的階梯狀邊緣部分會(huì)在多層翼梁與上覆的 編織蒙皮之間引入間隙，在成品推進(jìn)器中這里會(huì)容易逐步形成樹脂包。這些樹脂包又會(huì)在 推進(jìn)器葉片的翼梁中產(chǎn)生皺折，結(jié)合編織纖維的不對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致隨之而來可能的應(yīng)力點(diǎn)的產(chǎn) 生，結(jié)構(gòu)破裂可能會(huì)從這些應(yīng)力點(diǎn)處開始。 因此，需要提供一種制造復(fù)合翼梁，特別是具有變化厚度的復(fù)合翼梁的改進(jìn)的方 法。

發(fā)明內(nèi)容
因而針對(duì)上述與常規(guī)翼梁及其相關(guān)制造技術(shù)相關(guān)的缺陷，設(shè)計(jì)了本發(fā)明的多個(gè)方
面和實(shí)施例。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種制造至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的 方法。該方法包括在非圓柱體心軸上編織多根纖維以形成厚度可變的成形纖維預(yù)成型件
3(preform)，弄平該成形纖維預(yù)成型件，切割弄平的成形纖維預(yù)成型件以獲得至少一個(gè)非均 勻厚度的復(fù)合翼梁部件。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于制造非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的裝 置。該裝置包括編織機(jī)、位置可變的梭子和非圓柱體心軸。位置可變的梭子可操作以改變非 圓柱體心軸相對(duì)于編織機(jī)的相對(duì)位置，使得圍繞該非圓柱體心軸編織翼梁層(spar ply)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于根據(jù)本發(fā)明的第二方面的裝置中的心 軸。 本發(fā)明的多個(gè)方面和實(shí)施例使得能夠不需要使用削層技術(shù)而制造厚度可變的翼 梁部件。因而加快了生產(chǎn)，同時(shí)降低了成本和生產(chǎn)缺陷的數(shù)量。


現(xiàn)在將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的多個(gè)方面和實(shí)施例進(jìn)行描述，附圖中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于制造非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的裝
置； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的厚度可變的成形纖維預(yù)成型件； 圖3示出了如何根據(jù)本發(fā)明的一種方法對(duì)圖2的厚度可變的成形纖維預(yù)成型件進(jìn)
行加工； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例由圖3的方法制造的非均勻厚度的復(fù)合翼梁 部件和廢棄的切除部件；以及 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種制造至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼 梁部件的方法。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種用于制造非均勻厚度的復(fù)合翼梁部 件152的裝置100。該裝置包括編織機(jī)120，位置可變的梭子142和非圓柱體心軸140。
非圓柱體心軸140可用泡沫、鋁、塑料等形成，并且長(zhǎng)度可為大約1.3米以形成推 進(jìn)器葉片。在不同的實(shí)施例中，可采用多個(gè)(例如，多達(dá)三個(gè))直徑增大的心軸來制造翼梁。 翼梁部件152的厚度的變化可例如從大約10mm到大約15或20mm，而成品翼梁部件152可 具有例如大約1300mm x 250mm x 9mm的尺寸。 在一個(gè)實(shí)施例中，編織機(jī)120是Herzog RF1/192-100型編織機(jī)，該編織機(jī)可以 從Herzog Maschinenfabrik GmbH & Co. KG， AmAlexanderhaus 160， D-26127, Oldenburg, Germany [9]處獲得。 編織機(jī)120包括可旋轉(zhuǎn)鼓筒122，在該鼓筒上安裝了多個(gè)巻筒124。在圖1中，為 了清晰起見，僅示出了 8個(gè)這樣的巻筒124。然而，在實(shí)際中，可提供更多(例如，192個(gè)) 這樣的巻筒。在運(yùn)行中，通過控制器/驅(qū)動(dòng)器130驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)鼓筒122圍繞圓柱體軸線144 旋轉(zhuǎn)，控制器/驅(qū)動(dòng)器130可包括由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(未示出)控制運(yùn)行的電動(dòng)馬達(dá)。巻 筒124以S形圖案圍繞著編織的圓周獨(dú)立地在承載器(carrier)上移動(dòng)，從一個(gè)承載器移 向下一個(gè)承載器。 巻筒124裝載不同的纖維126，這些纖維最終被編織以生產(chǎn)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件152。纖維126可包括例如玻璃纖維、e_玻璃、凱夫拉tm、硼、S-玻璃、熱塑性塑料、 碳纖維等。纖維126可由多個(gè)各自單獨(dú)的股組成。在一個(gè)實(shí)施例中，玻璃纖維和碳纖維均 以4 : 1的比例提供，合適的碳和玻璃纖維可從多個(gè)制造商處商業(yè)獲得。
在多個(gè)實(shí)施例中，纖維126提供為數(shù)千根單獨(dú)的細(xì)絲組成的纖維束。這種單獨(dú)的 細(xì)絲可具有大約0. 005到大約0. 010mm級(jí)別的直徑。例如，可使用3K，6K， 12K，24K等的纖 維束。在一個(gè)實(shí)施例中，纖維126是12K HTA型的，其相對(duì)扁平，并具有從大約3mm到大約 5mm的寬度。 纖維126被穿過編織引導(dǎo)件128，并臨時(shí)地附到非圓柱體心軸140上。非圓柱體心 軸140在形狀上可為漸縮的，例如，成形為如截錐，平截頭體等。非圓柱體心軸140聯(lián)接到 位置可變的梭子142上，使得當(dāng)位置可變的梭子142被操作時(shí)，非圓柱體心軸140的相對(duì)位 置相對(duì)于編織機(jī)120沿軸線144的方向側(cè)向移動(dòng)。非圓柱體心軸140由合適的輕且硬的材 料制成，使得其可在每一端被支撐而沒有彎曲。 在運(yùn)行期間，當(dāng)可旋轉(zhuǎn)鼓筒122旋轉(zhuǎn)時(shí)，非圓柱體心軸140沿著圓柱體軸線144側(cè) 向移動(dòng)，且纖維126在非圓柱體心軸140的表面上編織在一起以形成翼梁層150。此過程例 如可通過外層編織一層或多層附加的翼梁層，同時(shí)沿相反的方向移動(dòng)非圓柱體心軸140而
被重復(fù)。 通過移動(dòng)非圓柱體心軸，例如沿著圓柱體軸線144以恒速移動(dòng)，同時(shí)也以恒速放 下纖維126，由于非圓柱體心軸的徑向尺寸上的變化，翼梁層150沿著其長(zhǎng)度在圓柱體軸 144的方向上被賦予了變化的厚度。因此可以簡(jiǎn)單地制造非均勻厚度的翼梁層150，并且不 需要使用削層或者其它類似的技術(shù)。而且，這種技術(shù)易于自動(dòng)化，不需要熟練的操作工而獲 得理想翼梁層厚度的非均勻性。 翼梁層可包括三軸線編織，其中為了提供最優(yōu)的抗扭強(qiáng)度，纖維126相對(duì)于圓柱 體軸線144以+45度，O度和-45度布置。例如，碳纖維可與圓柱體軸線144大體上平行地 布置(即，在相對(duì)其成大約O度的角度)以在成品非均勻厚度復(fù)合翼梁部件152中形成承 重結(jié)構(gòu)性部件，與偏移的玻璃纖維(例如，以對(duì)圓柱體軸線144成大約+45度和-45度的角 度)交織，以便在成品非均勻厚度復(fù)合翼梁部件152中提供扭轉(zhuǎn)剛度。在不同的實(shí)施例中， 也可以改變纖維的相對(duì)編織角度以進(jìn)一步控制層厚度。 用于制造非均勻厚度復(fù)合翼梁部件152的裝置100也可包括多個(gè)其它元件，例如 輥?zhàn)印⒄婵諗D壓系統(tǒng)，壓件等(未示出)，它們形成用于將翼梁層弄平整的平整器。也可提 供樹脂供料和固化器件(未示出)用于在剪切前穩(wěn)定平整的翼梁層，以及還可提供切割器 (未示出)用于切割翼梁層。為了非均勻厚度復(fù)合翼梁部件152的充分自動(dòng)化生產(chǎn)，可提供 這些元件。 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的厚度可變的成形纖維預(yù)成型件150。厚度 可變的成形纖維預(yù)成型件150可采用圖1中所示類型的裝置100進(jìn)行制造。
厚度可變的成形纖維預(yù)成型件150由形成為圓錐截面形狀的翼梁層制成。厚度可 變的成形纖維預(yù)成型件150的直徑從第一端153沿著縱軸線向位于第二端151處的最窄區(qū) 域減少。翼梁層的厚度從第一端153向第二端151增加。這種增加本質(zhì)上可為線性的，或 者可根據(jù)特定的所需的成品非均勻厚度復(fù)合翼梁部件152的要求使得其與多種其它預(yù)定 的厚度輪廓(例如，拋物線形，漸近線形等)相一致。
翼梁層可以三軸線編織圖案通過編織三股纖維而成。例如，縱向纖維束可提供成 通常從第一端153向第二端151延伸，帶有與其交織的交叉纖維束(例如，以對(duì)其成大約 ±45° ， ±60° ， ±70°的角度，或這些角度的組合等。)從而可定制成品翼梁部件的抗扭 性能。另外，通過提供交織的纖維而不是常規(guī)散布的單獨(dú)的層，根據(jù)本發(fā)明提供的各種非均 勻厚度的復(fù)合翼梁部件被提供成具有改善的內(nèi)部載荷分布特性。 圖3示出了如何根據(jù)本發(fā)明的方法加工圖2的厚度可變的成形纖維預(yù)成型件150。 厚度可變的成形纖維預(yù)成型件150的翼梁層被弄平。 可選地，在被弄平前可以通過例如縫合、粘結(jié)等方式對(duì)其進(jìn)行固定或穩(wěn)定。在一個(gè) 實(shí)施例中，翼梁層被弄平，且側(cè)邊部分154， 156被通過將它們注入樹脂而粘結(jié)，并且固化樹 脂以將厚度可變的成形纖維預(yù)成型件150保持在充分穩(wěn)定的平坦位置。最終形成兩個(gè)非均 勻厚度復(fù)合翼梁部件152的中央部分不進(jìn)行粘結(jié)，以便兩個(gè)相對(duì)的翼梁層元件可很容易地 分開。備選地，中央部分可例如通過將相對(duì)的翼梁層元件縫合在一起而臨時(shí)地合攏。
在不同的實(shí)施例中，纖維126可在其表面上提供有粘合劑。典型地此粘合劑為環(huán) 氧或熱塑性粘合劑，其在熱和/或壓力下可用于強(qiáng)化各層。然后預(yù)成型件150可簡(jiǎn)單地弄 平，接著稍微加熱、冷卻，然后進(jìn)行切割。備選地，可手工涂敷板狀的粘合劑材料。另一種備 選方式為進(jìn)行切割時(shí)利用真空來將預(yù)成型件保持就位。這可以用打孔的桌子和真空發(fā)生器 來實(shí)現(xiàn)。 —旦弄平了厚度可變化的成形纖維預(yù)成型件150，就沿著兩條切割線155， 157進(jìn)
行切割。例如，可以使用閘刀型切割器或計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字式(CNC)切割臺(tái)。 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例通過圖3的方法制造的非均勻厚度的復(fù)合翼
梁部件和廢棄的切除部件。由兩個(gè)處理過的側(cè)邊部分154， 156形成了廢棄的切除部件，并
因此例如可注入固化的樹脂。 非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件152可制成無間隙的編織件，且纖維連續(xù)地貫穿其主 體而分布。非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件152在厚度上漸縮，朝第一端153越來越厚，而朝第 二端151越來越薄。 可將多種非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件152應(yīng)用到推進(jìn)器、機(jī)翼等中，在使用時(shí)這 些應(yīng)用需要沿著翼梁的長(zhǎng)度具有不同的厚度，以考慮不同的載荷。例如，朝向第二端151的 較厚的部分可靠近推進(jìn)器根部/到機(jī)身的內(nèi)側(cè)連接等需要增強(qiáng)的強(qiáng)度和/或剛度連接的地 方。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件 的一種方法200。 該方法包括在非圓柱體心軸上編織多束纖維以形成厚度可變的成形纖維預(yù)成型 件的步驟202。 在編織完成后，下一個(gè)步驟204是將成形纖維預(yù)成型件弄平?？蛇x地，弄平的預(yù)成 型件接著在步驟206進(jìn)行穩(wěn)定。 最后，該方法200包括對(duì)弄平的(可選地穩(wěn)定的)成形纖維預(yù)成型件進(jìn)行切割以 獲得至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的步驟208。 盡管本文描述了本發(fā)明的多個(gè)方面和實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，根 據(jù)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的多種技術(shù)，可制造具有多種應(yīng)用的非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件許多不同實(shí)施例。例如，可將非圓柱體心軸提供為成形的泡沫芯，其可形成成品部件的整體部
分，從而無需為了生產(chǎn)成品而從心軸上移除與弄平任何外層編織的纖維。 參考文獻(xiàn) l.CA 401 686(Caldwel1) 2.GB 2 084 507 (Nutter) 3. US 4， 789， 304(Gustafson) 4.GB 2， 237, 532(Fecto) 5. US 5， 269， 658 (Carlson) 6. US 5， 222， 297 (Graf f) 7.GB 2， 443， 482(Pentony) 8. WO 2008/087443 (Bate叩) 9. http://www. herzog-online. com 在允許的情況下，以上提及的參考文獻(xiàn)的內(nèi)容由此也整體地通過引用而結(jié)合在本 發(fā)明申請(qǐng)中。
權(quán)利要求
一種制造至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的方法，所述方法包括在非圓柱體心軸上編織多股纖維以形成厚度可變的成形纖維預(yù)成型件；弄平所述成形纖維預(yù)成型件；以及對(duì)弄平的成形纖維預(yù)成型件進(jìn)行切割，以獲得所述至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在切割之前使所述弄平的 成形纖維預(yù)成型件穩(wěn)定。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，編織包括以三軸線編織圖形編織三股纖維。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括以45。 -0° -45°的布置編 織所述纖維。
5. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括彼此覆蓋地連續(xù)編織 多個(gè)層，以增加所述厚度可變的成形纖維預(yù)成型件的平均厚度。
6. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法制造的一種非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件。
7. 結(jié)合了如權(quán)利要求6所述的非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的一種產(chǎn)品，其中，所述產(chǎn) 品為推進(jìn)器翼梁或翼桁架。
8. —種用于制造非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的裝置，所述裝置包括 編織機(jī)；位置可變的梭子；以及 非圓柱體心軸；其中，所述位置可變的梭子可操作以改變所述非圓柱體心軸相對(duì)于所述編織機(jī)的相對(duì) 位置，使得圍繞所述非圓柱體心軸編織翼梁層。
9. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于將所述翼梁層弄平的 平整器，所述平整器包括輥?zhàn)?、真空發(fā)生器，壓緊機(jī)構(gòu)等。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于穩(wěn)定弄平的翼梁層的 樹脂供料及固化器件。
11. 如權(quán)利要求8到10中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于切割 所述翼梁層的切割器。
12. 如權(quán)利要求8到11中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述位置可變的梭子可操 作以沿至少兩個(gè)不同的方向移動(dòng)。
13. —種用于根據(jù)權(quán)利要求8到12中的任一項(xiàng)所述的裝置中的非圓柱體心軸。
14. 一種大體上如以上參考附圖描述的制造至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的方法。
15. —種大體上如以上參考附圖描述的非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件。
16. —種結(jié)合了大體上如以上參考附圖描述的所述非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的產(chǎn)PR o
17. —種制造大體上如以上參考附圖描述的非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件的裝置。
18. —種大體上如以上參考附圖描述的非圓柱體心軸。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)合翼梁，具體而言，根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種制造至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件(152)的方法(200)。該方法包括在步驟(202)在非圓柱體心軸(140)上編織多股纖維(126)以形成厚度可變的成形纖維預(yù)成型件(150)，弄平成形纖維預(yù)成型件(150)，并且對(duì)弄平的成形纖維預(yù)成型件(150)進(jìn)行切割，以獲得至少一個(gè)非均勻厚度的復(fù)合翼梁部件(152)。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例制成的翼梁(152)比傳統(tǒng)的復(fù)合翼梁部件制造更快且更便宜。
文檔編號(hào)B64C3/18GK101767646SQ20101000395
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月7日
發(fā)明者T·懷布羅 申請(qǐng)人:通用電氣航空系統(tǒng)有限公司