專利名稱：由復(fù)合材料制造的復(fù)雜幾何體和所述幾何體的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由復(fù)合材料制造的、用于飛行器的疊層復(fù)雜幾何體和用于成型所述幾
何體的成型方法。
背景技術(shù)：
在主結(jié)構(gòu)中大量地引入新型復(fù)合材料已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化(基于重量的減輕和機 械性能的改善)的基本方法，是在新一代飛行器的設(shè)計和制造中的主要目標之一。大量引 入的可能性得益于用于鋪設(shè)和自動切割疊層的技術(shù)及設(shè)備的改進以及半自動成型技術(shù)的 引進，其中疊層由包含預(yù)浸漬有聚合樹脂的連續(xù)增強纖維帶形成，這允許以越來越短的時 間獲得越來越大且更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)元件。 然而，通過預(yù)浸漬疊層的層壓技術(shù)來制造、并隨后切割和成型疊層具有重大的局 限性在層壓和切割操作之后得到的疊層的成型能力是有限的。由非常長的嵌在樹脂基體 中的增強纖維成型的疊層僅在下述情形中才可成型其允許在直接受到成型作用的區(qū)域和 位于成型的影響區(qū)域內(nèi)的毗鄰增強纖維滑移，其中成型的影響區(qū)域延伸到含有在長度方向 上任一位置受成型影響的增強纖維的疊層的整個表面。然而，滑移受到樹脂粘度和黏性與 纖維非常長的長度(幾乎是部件的長度)兩者結(jié)合所導(dǎo)致的摩擦的限制，這意味著小的成 型具有非常大的影響區(qū)域——幾乎是待成型疊層的尺度。 已知有兩種基于對影響可成型性的變量——樹脂的粘度和增強纖維的長度—— 進行改進來利于疊層的成型的方法。 —種已知的成型技術(shù)基于熱量和壓力的結(jié)合，其中熱量用于降低樹脂的粘度，壓 力一方面用來在所希望的區(qū)域中成型疊層、并另外一方面在間接受到成型影響的疊層區(qū)域 上加壓以弓I導(dǎo)增強纖維的滑移和避免形成褶皺及扭曲。對于大部件來說這項技術(shù)是復(fù)雜和 昂貴的，因為其必須在整個受影響的表面上加壓并施加熱量。 第二種已知的技術(shù)包括降低增強纖維或原料的長度、或在自動鋪帶過程中于預(yù) 浸帶中形成具有合適寬度的切口。該項技術(shù)利用足夠長的定向纖維來得到所需的疊層，因 此成型的影響區(qū)域大，同時受到成型影響的增強纖維的長度也非常的大。
本發(fā)明致力于解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述問題，本發(fā)明提出了一種用于成型由復(fù)合材料形成的疊層復(fù)雜幾何體 的方法，其可以獲得非常復(fù)雜的彎折幾何體，減少成型區(qū)域的影響范圍，并使得增強纖維的 滑移相對于所述成型來說是局部的。本發(fā)明還涉及根據(jù)所述方法獲得的由復(fù)合材料制造的 疊層復(fù)雜幾何體。 本發(fā)明描述了一種成型處理方法，其用彎折幾何體(即，通過形成彎折、過渡區(qū)域 和半徑變化來獲得可展表面的或幾乎可展的表面的幾何體)代替成型幾何體，因此迫使成 型的影響區(qū)域是局部的，由此使得受所述成型影響的增強纖維的長度最小。
本發(fā)明因此描述了一種處理疊層幾何體的方法，其中疊層由連續(xù)或非常長的不連
續(xù)的、預(yù)浸漬有熱固性或熱塑性樹脂的增強纖維構(gòu)成，用于制造由復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu)部 件，用可展的或幾乎可展的彎折幾何體代替成型幾何體，因此迫使成型的影響區(qū)域是局部 的，由此使得受所述成型影響的增強纖維的長度最小。 因此，盡管在結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計和制造方法中，部件的成型直到部件的最終幾何形 狀要求其最終功能時才進行；但是，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計和制造方法中，部件的幾何形狀便 于該方法的進行，以便通過彎折操作進行最終成型，該彎折操作形成最終的可展或幾乎可 展的部件，并且其中增強纖維的滑移僅會對部件造成局部的影響。 本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將通過下文參照附圖對實施例的詳細描述得以說明。


圖la、lb、lc和ld示出了根據(jù)先前已知的技術(shù)成型疊層的成型方法。 圖2示出了圖lb的細節(jié)4，其示出根據(jù)先前已知技術(shù)的成型方法的疊層的片層
(ply)之間的滑移效應(yīng)。 圖3示意性地示出了復(fù)合材料蒙皮的正視圖和側(cè)視圖，該復(fù)合材料蒙皮具有加強 元件和根據(jù)先前已知技術(shù)的、帶有厚度變化的上蒙皮。 圖4示意性地示出了當需要根據(jù)先前已知技術(shù)成型疊層以獲得圖3的幾何體時在 疊層中引起的效應(yīng)。 圖5示出了圖3的細節(jié)，其示出根據(jù)先前已知技術(shù)發(fā)生滑移的過渡區(qū)域的放大視 圖。 圖6示出了圖3的剖面概略圖，示出根據(jù)先前已知技術(shù)的局部截面變化和由于該 局部截面變化強迫導(dǎo)致的局部滑移。 圖7示意性地示出由根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的復(fù)合材料制成的蒙皮的輪廓。 圖8示出了圖6的細節(jié)，其示出根據(jù)本發(fā)明的截面變化的過渡區(qū)域的放大圖。 圖9示意性地示出圖7的截面概略圖，其示出根據(jù)本發(fā)明保持其周長的局部截面變化。 圖IO示出了飛行器機翼的翼肋的三維模型，其中蒙皮的一個支承基座需要平面 變化。 圖11示出了用于圖10的蒙皮的平面變化的傳統(tǒng)解決方案。 圖12示出了基于本發(fā)明的用于圖10的蒙皮的平面變化的解決方案。
具體實施例方式
因此，如前所述，本發(fā)明的目的是用于成型復(fù)合材料疊層的成型方法，該疊層通過 手工或自動地層壓帶得到，所述帶包括具有限定取向的、預(yù)浸漬有聚合樹脂的增強纖維，該 方法可以獲得非常復(fù)雜的彎折幾何體，通過使部件的幾何形狀與可展或幾乎可展的幾何形 狀相適配來減少成型區(qū)域的影響范圍，使得增強纖維的滑移與成型局部相關(guān)。通過高壓和 高溫進行的壓固過程可以實現(xiàn)材料的壓實，除去多余的樹脂和揮發(fā)物質(zhì)，同時，壓固(如果 樹脂是熱固性樹脂則通過樹脂的交聯(lián)，或如果其是熱塑性樹脂則通過熔接)提供了具有高 機械性能的面板。
5
圖la、lb、lc和ld示意性地示出了根據(jù)已知技術(shù)的用于成型疊層的成型方法，該 疊層通過多個未固化的預(yù)浸漬層形成。有多種方法可達到相同的目的通過熱壓盤壓制 成型、彈性陰模、彈性膜、雙膜、真空袋等，所有的這些均與提出的幾何構(gòu)造和成型方法相兼容。 圖la示出了在熱成型過程前的疊層l，其剛好位于被放置到成型模具2上以獲得 一 Q形的幾何形狀之前——在此特定情形中，成型模具2是一具有恒定剖面的模具。圖lb 示出了在成型過程期間的同一疊層1，其中疊層與模具2逐漸地適配3。圖lc示出了在模 具2上完全成型的疊層l，圖ld示出了從模具2上取出現(xiàn)在已成型的疊層1。最終的幾何 形狀是一可展曲面，且成型件為一彎折結(jié)構(gòu)，其中所有的預(yù)浸漬層在與彎折方向垂直的任 何截面上都具有一致并相同的相對位移。 不管所選的成型技術(shù)如何，用于成型預(yù)浸漬疊層的成型方法可以實施是得益于蠕
變現(xiàn)象熱降低樹脂的粘度、并因此減少增強纖維之間的摩擦，并且壓力以緩慢和受引導(dǎo)方
式施加(以實現(xiàn)纖維在其平面內(nèi)的滑移而不會導(dǎo)致褶皺)。圖2示出了圖lb細節(jié)4中的疊
層l在厚度方向因為成型輪廓狀況的層間滑移因為該滑移，最初垂直于疊層l厚度的平面 不再與其垂直。 疊層成型以提供可展的幾何形狀是相對簡單的，且在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的領(lǐng) 域中是公知的由此制造直的元件或具有小曲線——例如C、L、 Q等曲線——的元件、成形 翼梁、縱向構(gòu)件和加強件。圖3示意性地示出由復(fù)合材料10形成的蒙皮以及上蒙皮12的 正視圖、側(cè)視圖和透視圖，該蒙皮具有與圖l之一類似的Q形狀的加強件11，該上蒙皮12 具有一厚度變化13，該厚度變化13迫使在Q形加強件11內(nèi)的局部截面變化14。
圖4示意性地示出了當疊層需要被成型為圖3的幾何形狀時在疊層中導(dǎo)致的效 應(yīng)。預(yù)浸漬疊層的位移對于各個截面而言不再一致和相同，存在一個過渡區(qū)域15，在該過渡 區(qū)域15中，在毗鄰的截面之間存在滑移，其與增強纖維取向不同的層結(jié)合而強迫導(dǎo)致增強 纖維的褶皺和扭曲。 截面變化的影響區(qū)域然后延伸至疊層17的截面的整個寬度——這些區(qū)域被標記
為15和16，導(dǎo)致在整個成型影響區(qū)域內(nèi)疊層17邊緣的突起(詳見圖5)。 局部截面變化18和由其強迫導(dǎo)致的局部位移被示意性地示于概略圖6中。 圖7示出了本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)，其中截面變化如此地進行彎折疊層并且因此形
成一過渡區(qū)域18，該過渡區(qū)域18使得可以沿整個變形長度保持變形區(qū)域的周長(詳見圖
8)，獲得最終的可展或幾乎可展的形狀。因此，所有的預(yù)浸漬疊層在與彎折方向垂直的任何
截面上都具有幾乎一致的和近乎相同的相對位移。因此在毗鄰截面之間沒有滑移，并且截
面改變的影響區(qū)域不會延伸到疊層的剩余部分，而是被限制在成型區(qū)域內(nèi)。 維持其周長并且消除了疊層的扭曲區(qū)域的截面變化被示于圖9中。 本發(fā)明可以擴展到任何需要成型的元件和結(jié)構(gòu)，如圖10中所示，其中示出了飛行
器機翼的翼肋，具有一個腹板19、被用作與空氣動力學蒙皮20的界面的基座、以及一需要
平面變化以吸收蒙皮厚度變化的基座21，該變化類似于圖3加強件的截面變化14。 圖11示出了傳統(tǒng)的解決方案，保持翼肋的腹板位于一個平面內(nèi)并迫使疊層22的
局部扭曲位于支撐基座的平面變化區(qū)域內(nèi)。 圖12示出了基于本發(fā)明提出的解決方案，強迫翼肋23的腹板平面變化和半徑變化24，從而使得通過彎折獲得支撐基座的平面變化而沒有扭曲。 包括在由所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)的變型可引入上述的實施例中。
權(quán)利要求
一種成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其用于獲得用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何體，所述疊層通過層疊包括增強纖維的帶獲得，所述增強纖維具有限定的取向并預(yù)浸漬有聚合樹脂，所述成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法通過施加壓力和溫度進行，其特征在于，由復(fù)合材料制造的疊層的成型如此地進行彎折疊層而不使所述疊層扭曲，形成折痕、過渡區(qū)域(18)和半徑變化(24)，所述折痕、過渡區(qū)域和半徑變化使得能夠沿整個變形長度保持變形截面的周長，由此使得所有的預(yù)浸漬疊層在垂直于彎折方向的任何截面內(nèi)具有大致一致并相同的相對位移。
2. 如權(quán)利要求1所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在于，所述的 成型方法通過緩慢并以受引導(dǎo)的方式施加壓力而進行，以實現(xiàn)纖維在其平面內(nèi)的滑移而不 引起褶皺。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維是連續(xù)纖維。
4 如權(quán)利要求1或2所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維是非常長的不連續(xù)纖維。
5. 如前述任一項權(quán)利要求所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在 于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維預(yù)浸漬有熱固性聚合樹脂。
6. 如權(quán)利要求1至4任一項所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在 于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維預(yù)浸漬有熱塑性聚合樹脂。
7. 如前述任一項權(quán)利要求所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在 于，用于成型所述由復(fù)合材料制造的疊層的帶的層疊手工地進行。
8. 如權(quán)利要求1至6任一項所述的成型由復(fù)合材料制造的疊層的成型方法，其特征在 于，用于成型所述由復(fù)合材料制造的疊層的帶的層疊自動地進行。
9. 由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何體，所述結(jié)構(gòu)部件包括疊層，所述 疊層具有層疊的帶，所述帶又包括預(yù)浸漬有聚合樹脂的限定取向的增強纖維，其特征在于， 所述幾何體通過彎折獲得，并與一大致可展的形狀相適配，包括折痕、過渡區(qū)域(18)和半 徑變化(24)，所述折痕、過渡區(qū)域和半徑變化使得能夠沿整個變形長度保持變形截面的周 長，由此使得所有的預(yù)浸漬疊層在垂直于彎折方向的任何截面內(nèi)具有大致一致并相同的相 對位移。
10. 如權(quán)利要求9所述的由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何體，其特征 在于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維是連續(xù)纖維。
11. 如權(quán)利要求9所述的由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何體，其特征 在于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維是非常長的不連續(xù)纖維。
12. 如權(quán)利要求9至11任一項所述的由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何 體，其特征在于，由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維預(yù)浸漬有熱固性聚合樹脂。
13. 如權(quán)利要求9至11任一項所述的由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何 體，其特征在于，所述由復(fù)合材料制造的疊層的增強纖維預(yù)浸漬有熱塑性聚合樹脂。
14. 如權(quán)利要求9至13任一項所述的由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何 體，其特征在于，用于成型所述由復(fù)合材料制造的疊層的帶的層疊手工地進行。
15. 如權(quán)利要求9至13任一項所述的由復(fù)合材料制造的用于飛行器的結(jié)構(gòu)部件的幾何體，其特征在于，用于成型所述由復(fù)合材料制造的疊層的帶的層疊自動地進行c
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于成型由復(fù)合材料形成的復(fù)雜幾何疊層的成型方法，其可以獲得非常復(fù)雜的彎折幾何體，減少成型區(qū)域的影響范圍并使得其影響局部化，在待成型區(qū)域附近處理疊層的幾何形狀，用彎折幾何體代替成型幾何體，由此迫使成型的影響區(qū)域局部化，以使得受所述成型影響的增強纖維的長度最小。本發(fā)明還涉及通過上述成型方法獲得的由復(fù)合材料制造的復(fù)雜疊層幾何體。
文檔編號B29C70/34GK101795851SQ200780052798
公開日2010年8月4日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者J·M·梅嫩德斯馬丁, J·桑切斯費爾南德斯 申請人:空客運營有限公司