使用形狀記憶合金的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開主要涉及能夠改變它們形狀的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體，并且更具體地，涉及具有適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體的控制表面(例如，飛行控制表面)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)飛機通常包括用于控制飛機的搖晃、偏航和晃動且用于改變飛機的升力特性(lift characteristic)的各種可移動的空氣動力學設(shè)備。例如，固定翼飛機可以包括安裝至機翼的后緣用于控制飛機的晃動的副翼。機翼也可以包括安裝至機翼前緣的襟翼或前緣縫翼，并且其在飛行的某些階段期間可以從機翼向下被展開或偏轉(zhuǎn)，從而以大迎角維持在機翼上方的氣流。
[0003]襟翼也可以安裝至機翼后緣以在飛機以相對慢的速度穿過大氣移動時增大通過機翼生成的升力的量。后緣襟翼通常在起飛期間向下偏轉(zhuǎn)以增加升力，并且然后在飛行巡航部分期間收起。襟翼可以在飛行的接近和著陸階段期間再次向下偏轉(zhuǎn)以降低飛機的著陸速度。
[0004]通常，飛行控制表面包括結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)(例如，致動)部件，其是單獨的并且未被以組件的程度被集成，這增加了飛機機翼后緣結(jié)構(gòu)的重量和成本。期望不需要單獨的致動的飛行控制表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本文中公開的主題涉及集成熱塑性材料和形狀記憶合金(SMA)材料以形成能夠改變其形狀的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體的系統(tǒng)和處理。例如，適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體可以被設(shè)計成用作多功能適應(yīng)性機翼飛行控制表面?？傮w來說，這樣的設(shè)計在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和飛行控制系統(tǒng)規(guī)格方面是多功能的。其他應(yīng)用包括在可變區(qū)域中將這樣的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體結(jié)合扇形噴嘴、小翼、整流片、升降舵、方向舵、或具有空氣動力學表面的任何其他飛機部件，該空氣動力學表面的形狀優(yōu)選是可控制的。本文中公開的系統(tǒng)和處理也可以被應(yīng)用于其他運輸工具(例如，用在汽車和賽車上的擾流器)以及風力葉片(wind blade)上。所有這些應(yīng)用使用控制表面，該控制表面能夠從使用形狀記憶合金的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體受益。可以通過用熱塑性和SMA材料兩者的纖維束外層編織(交織)可擴展心軸或?qū)⒚糠N材料的單獨的層(編織的或連續(xù)的)裹在可擴展的心軸的周圍或者一個或多個外層編織層和一個或多個單獨的材料層的任意組合，并且然后在感應(yīng)加熱加工組件中加固和形成圍繞可擴展心軸的層以制成不要求單獨制動的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體，來集成材料系統(tǒng)。利用智能基座的感應(yīng)加熱可以在制備處理期間用于加固(consolidat1n)和溫度控制。
[0006]當安裝在飛機上時，適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體具有外模線(outer mold line)，其隨著適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體響應(yīng)于SMA材料(本文中也稱為“SMA致動器”)的加熱或冷卻而變形來改變形狀。能夠以不同的方法加熱SMA致動器。根據(jù)一個實施方式，通過將電能供給與SMA致動器相鄰設(shè)置的加熱表面層而加熱SMA致動器。根據(jù)另一個實施方式，通過將電能直接供給SMA致動器而加熱SMA致動器。根據(jù)又一實施方式，通過與SMA致動器相鄰設(shè)置的智能基座而加熱SMA致動器，由于通過由結(jié)合在適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體中的感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場而在智能基座中感應(yīng)的禍流，智能基座由此被加熱。
[0007]以下詳細地公開的主題的一個方面是一種預成型件，該預成型件包括與由形狀記憶合金制成的帶或?qū)Ь€交織的由熱塑性材料制成的纖維束。
[0008]所公開的主題的另一個方面是一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括心軸，具有外表面；以及預成型件，所述預成型件與所述外表面接觸并且被心軸支撐，其中，預成型件包括熱塑性材料和形狀記憶合金。根據(jù)一個實施方式，預成型件包括與由形狀記憶合金制成的帶或?qū)Ь€交織的由熱塑性材料制成的纖維束。根據(jù)另一個實施方式，預成型件包括第一層和第二層，所述第一層包括形狀記憶合金，所述第二層包括沒有形狀記憶合金的熱塑性材料，第一層被設(shè)置在心軸的外表面和第二層之間。在后面的實施方式的一個實例中，第一層的形狀記憶合金處于連續(xù)的片或多條帶或?qū)Ь€的形式。在相同實施方式的另一個實例中，第一層包括與由形狀記憶合金制成的帶或?qū)Ь€交織的由熱塑性材料制成的纖維束。
[0009]以下詳細公開的主題的又一方面是空氣動力學設(shè)備，該空氣動力學設(shè)備包括第一蒙皮和第二蒙皮，第一蒙皮和第二蒙皮的每一個包括形狀記憶合金和熱塑性材料。根據(jù)一個實施方式，第一蒙皮包括熱塑性材料和嵌入在熱塑性材料中的由形狀記憶合金材料制成的帶或?qū)Ь€。根據(jù)另一個實施方式，第一蒙皮是層壓體，該層壓體包括內(nèi)層和外層，所述內(nèi)層包含形狀記憶合金，所述外層包含沒有形狀記憶合金的熱塑性材料，內(nèi)層被設(shè)置在外層的內(nèi)部。在后者實施方式的一個實例中，內(nèi)層包括熱塑性材料和至少部分嵌入在內(nèi)層的熱塑性材料中的由形狀記憶合金制成的帶或?qū)Ь€。
[0010]在前述段落中描述的空氣動力學設(shè)備進一步包括用于加熱形狀記憶合金的裝置。第一蒙皮的至少一些形狀記憶合金和第二蒙皮的至少一些形狀記憶合金被訓練(trained)為響應(yīng)于被加熱而以特定方式變形。根據(jù)一個實施方式，執(zhí)行加熱功能的結(jié)構(gòu)包括熱耦接至第一蒙皮的形狀記憶合金的第一加熱表面層和熱耦接至第二蒙皮的形狀記憶合金的第二加熱表面層。根據(jù)另一個實施方式，第一蒙皮的形狀記憶合金包括第一多條導線，并且第二蒙皮的形狀記憶合金包括第二多條導線；并且執(zhí)行加熱功能的結(jié)構(gòu)包括電連接至第一多條導線的相應(yīng)端部的第一導體和電連接至第二多條導線的相應(yīng)端部的第二導體。根據(jù)又一實施方式，執(zhí)行加熱功能的結(jié)構(gòu)包括感應(yīng)線圈和熱耦接至第一蒙皮的形狀記憶合金的智能基座，其中，所述智能基座相對于感應(yīng)線圈設(shè)置，使得當激活感應(yīng)線圈生成交變磁場時，在智能基座中感應(yīng)渦流。
[0011]又一方面是一種用于制造復合結(jié)構(gòu)體的方法，所述方法包括:用熱塑性材料的纖維束和由形狀記憶合金制成的帶或?qū)Ь€外層編織可熱擴展的心軸；將外層編織的心軸置于第一基座和第二基座之間，該第一基座和第二基座設(shè)置在感應(yīng)加熱工作單元的第一加工片和第二加工片之間；給感應(yīng)加熱工作單元的一個或多個感應(yīng)線圈通電以產(chǎn)生交變磁場，該交變磁場引起第一基座和第二基座產(chǎn)生熱量，該熱量由此熔化熱塑性材料、軟化形狀記憶合金、并且擴展心軸；在熱塑性材料已經(jīng)被加固至期望的程度并且已經(jīng)形成復合結(jié)構(gòu)體之后，使感應(yīng)加熱工作單元的感應(yīng)線圈斷電；從感應(yīng)加熱工作單元去除心軸和復合結(jié)構(gòu)體；以及從復合結(jié)構(gòu)體分離心軸。此方法可以進一步包括對結(jié)合在復合結(jié)構(gòu)體中的至少一些形狀記憶合金進行訓練。優(yōu)選地，心軸由可溶性材料制成，并且從復合結(jié)構(gòu)體分離心軸包括溶解心軸的可溶性材料。
[0012]本文中公開的主題的又一方面是一種用于制備復合結(jié)構(gòu)體的方法，該方法包括:使預成型件圍繞可熱擴展的心軸的外表面并且接觸可熱擴展的心軸的外表面地放置，其中，預成型件包括熱塑性材料和形狀記憶合金；將心軸和預成型件放置在第一基座和第二基座之間，該第一基座和第二基座被設(shè)置在感應(yīng)加熱工作單元的第一加工片和第二加工片之間；使感應(yīng)加熱工作單元的一個或多個感應(yīng)線圈通電以產(chǎn)生交變磁場，該交變磁場引起第一基座和第二基座產(chǎn)生熱量，該熱量由此熔化熱塑性材料、軟化形狀記憶合金、并且擴展心軸；在熱塑性材料已經(jīng)被加固至期望的程度并且已經(jīng)形成復合結(jié)構(gòu)體之后，使感應(yīng)加熱工作單元的感應(yīng)線圈斷電；從感應(yīng)加熱工作單元去除心軸和復合結(jié)構(gòu)體；以及從復合結(jié)構(gòu)體分離心軸。根據(jù)一些實施方式，預成型件包括與由形狀記憶合金制成的帶或?qū)Ь€交織的由熱塑性材料制成的纖維束。根據(jù)其他實施方式，預成型件包括第一層和第二層，所述第一層包含形狀記憶合金，所述第二層包含沒有形狀記憶合金的熱塑性材料，第一層被設(shè)置在心軸的外表面和第二層之間。
[0013]以下公開了集成了熱塑性材料和SMA材料的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體的其他方面。
【附圖說明】
[0014]圖1是示出了根據(jù)一個實施方式的用于集成熱塑性材料和形狀記憶合金材料以形成結(jié)合在飛機或其他系統(tǒng)中的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體的處理步驟的流程圖。
[0015]圖2是示出了根據(jù)在圖1中描述的實施方式的用于圍繞心軸外層編織纖維束材料的編織裝置一些部件的頂視圖的示圖。
[0016]圖3是示出了具有三維外層編織的外層編織的心軸的放大頂視圖的示圖，該三維外層編織可以使用在圖2中部分描述的類型的編織裝置生產(chǎn)。
[0017]圖4是示出了用于加固并且形成由熱塑性材料和形狀記憶合金材料制成的預成型件的計算機控制的系統(tǒng)的部件的框圖。
[0018]圖5A是表示用于加固并且形成置于可擴展的心軸上的由外層編織的熱塑性材料和形狀記憶合金材料制成的預成型件的感應(yīng)加熱匹配的加工組件的截面圖的示圖。
[0019]圖5B是表示用于加固并且形成置于可擴展的心軸上的預成型件的感應(yīng)加熱匹配的加工組件的截面圖的示圖，該預成型件包括熱塑性材料的外層和形狀記憶合金材料的內(nèi)層。
[0020]圖6A是表示根據(jù)一個實施方式的結(jié)合SMA致動器的機翼后緣飛行控制表面的等距視圖的示圖。
[0021]圖6B是表示在圖6A中示意性地描述的機翼后緣飛行控制表面的截面圖的示圖，該截面通過在圖6A中表示的平面6A-6A截取。
[0022]圖7A是表示根據(jù)另一個實施方式的結(jié)合SMA致動器的機翼后緣飛行控制表面的等距視圖的示圖。
[0023]圖7B是表示在圖7A中示意性地描述的機翼后緣飛行控制表面的截面圖的示圖，該截面通過在圖7A中表示的平面7A-7A截取。
[0024]圖8是示出了用于致動使用形狀記憶合金材料的飛機的控制表面的系統(tǒng)的部件的框圖。
[0025]圖9是示出了根據(jù)又一實施方式的適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體的部件的框圖，在該適應(yīng)性復合結(jié)構(gòu)體中，SMA致動器通過感應(yīng)加熱的智能基座加熱。
[0026]圖10是飛機制造和保養(yǎng)方法的流程圖。
[0027]圖11是示出了飛機系統(tǒng)的框圖。
[0028]將會在下文中參考附圖，其中，在不同附圖中相似