BR102018005376B1 - Componente estrutural compósito, e, método para formação de uma junta mecânica - Google Patents

Componente estrutural compósito, e, método para formação de uma junta mecânica Download PDF

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Abstract

Um componente estrutural composto 1 compreende um membro alongado 2 feito de um material composto de matriz de polímero. O membro alongado 2 compreende uma porção principal 2A que se estende ao longo de um eixo A e uma porção de extremidade 2B com uma superfície interna 2C que se estende desde a porção principal 2B até uma extremidade aberta do membro 2. O componente estrutural composto 1 também compreende um acessório de extremidade 6 que forma uma junta mecânica 4 com a porção de extremidade 2B, o acessório de extremidade 6 compreendendo uma porção interna 8 posicionada cativa dentro do membro alongado 2 em contato com a superfície interna 2C da porção de extremidade 2B; uma porção externa 10 posicionada em contato com uma superfície externa 2D da porção de extremidade 2B; e um fixador ajustável 12, 14 que se estende axialmente entre as porções interna e externa 8, 10 para fixar a porção de extremidade 2B entre as porções interna e externa 8, 10. A superfície interna 2C da porção de extremidade 2B em contato com a porção interna 8 se estende para o eixo A com um ângulo crescente em relação ao eixo A.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente divulgação refere-se a juntas mecânicas para compósitos, particularmente juntas mecânicas para componentes estruturais compósitos feitos de material compósito de matriz polimérica. Esta divulgação diz respeito a juntas mecânicas cativas que podem ser usadas para transmitir cargas axiais de/para um componente estrutural compósito.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002] Os componentes estruturais compósitos são tipicamente feitos de um material compósito de matriz de polímero, muitas vezes um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra, usando reforço de fibra de vidro e/ou carbono, por exemplo, polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Os componentes estruturais compósitos oferecem a oportunidade para soluções de transmissão de carga leves e econômicas. Os maiores benefícios geralmente são alcançados quando o trajeto de carga e a geometria são simples. Os componentes de transmissão de carga axial, por exemplo, vigas, hastes, tubos e suportes, são candidatos ideais para material compósito de matriz de polímero e tais componentes estruturais compósitos são cada vez mais usados em aeronaves comerciais, além de indústrias automotivas e de construção. Esses componentes estruturais compósitos geralmente requerem um acessório de extremidade com uma forma complexa para se conectar a outros componentes. Os metais são eficientes em termos de peso e custo para formar um acessório de extremidade com geometria complexa. No entanto, juntar um componente estrutural compósito a um acessório de extremidade metálica representa desafios significativos, especialmente na indústria aeroespacial, onde a junção deve ser formada de forma sólida e certificável.
[003] Juntar um acessório de extremidade a um componente estrutural compósito requer um mecanismo confiável para transferir a carga axial para o componente estrutural compósito. Uma junta mecânica pode ser preferida pelo menos para fins de certificação aeroespacial. No entanto, as juntas mecânicas podem sofrer frequentemente o problema de deterioração e desgaste devido ao movimento relativo entre o acessório de extremidade de metal e o material relativamente macio do componente estrutural compósito. Uma capacidade de fabricação sofisticada também pode ser necessária para fazer uma junta mecânica adequada.
[004] A presente divulgação procura fornecer uma junta mecânica para um componente estrutural compósito que pode não sofrer desgaste e danos causados pela deterioração. A presente divulgação também procura proporcionar uma junta mecânica para um componente estrutural compósito que pode ter uma razão força-peso aumentada e uma razão força-custo aumentada.
SUMÁRIO
[005] De acordo com a presente divulgação, é proporcionado um componente estrutural compósito que compreende: um membro alongado feito de um material compósito de matriz polimérica, o membro alongado compreendendo uma porção principal que se estende ao longo de um eixo e uma porção de extremidade com uma superfície interna que se estende a partir da porção principal para uma extremidade aberta do membro; e um acessório de extremidade que forma uma junta mecânica com a porção de extremidade, o acessório de extremidade compreendendo: uma porção interna posicionada cativa dentro do membro alongado em contato com a superfície interna da porção de extremidade; uma porção externa posicionada em contato com uma superfície externa da porção de extremidade; e um fixador ajustável que se estende axialmente entre as porções interna e externa para fixar a porção de extremidade entre as porções interna e externa; em que a superfície interna da porção de extremidade em contato com a porção interna se estende para o eixo em um ângulo crescente ? para o eixo.
[006] Em tal junta mecânica cativa, a porção de extremidade do membro alongado é limitada entre as porções interna e externa do acessório de extremidade. Durante o serviço, a tensão distribuída através do acessório de extremidade é transferida para a porção de extremidade através da porção interna cativa, enquanto a compressão é fornecida desde o acessório de extremidade até a porção de extremidade através da porção externa. As juntas mecânicas convencionais dependem da resistência à fricção para evitar o deslizamento entre um membro de material compósito e um acessório de extremidade. Será apreciado que o ângulo crescente da superfície interna significa que é curvada ao invés de ser afunilada e, portanto, a junta mecânica depende menos da resistência à fricção para evitar o deslizamento ou o movimento relativo entre o acessório de extremidade e a porção de extremidade feita de um compósito de material compósito de matriz polimérica, evitando danos e desgaste devido à deterioração, especialmente sob carga cíclica. Quanto maior a curvatura da superfície interna, menor a força de reação na superfície interna quando uma carga axial é aplicada ao acessório de extremidade. É uma vantagem da presente divulgação que a junta mecânica não requer nenhuma forma de ligação (por exemplo, adesivo), nem uma forma mecânica complexa para o acessório de extremidade para fornecer carga ao componente estrutural compósito. Não é necessária uma capacidade de fabricação sofisticada para fabricar os principais componentes da junta mecânica. Por exemplo, pode haver significativamente menos resíduos de material compósito da fabricação em comparação as juntas de metal para compósitos existentes, já que o material compósito não precisa ser removido após o processo de laminação.
[007] O requerente reconheceu que é benéfico reduzir o tamanho/comprimento da extremidade de extremidade de modo a minimizar a contribuição de peso para o componente estrutural compósito. No entanto, os processos de fabricação típicos para um membro compósito alongado, por exemplo, enrolamento de filamentos, não são adequados para um ângulo de conicidade alta. Por exemplo, uma porção de extremidade cônica de um membro compósito tubular não é afunilada em um ângulo superior a 25° e tipicamente não afunilada em um ângulo superior a 15°, porque os filamentos utilizados para produzir o material compósito da matriz polimérica podem escorregar pelas superfícies anguladas durante a fabricação. O requerente apreciou que estas questões podem ser evitadas quando a superfície interna da porção de extremidade tem um ângulo crescente ao eixo, ou seja, a superfície interna é pelo menos parcialmente curva em perfil, quando vista em um plano perpendicular ao eixo. O material compósito pode ser depositado mais facilmente em uma superfície curva do que em uma superfície afunilada com um ângulo constante, especialmente quando se utiliza um processo de enrolamento de filamentos. De preferência, o ângulo ? para o eixo aumenta para um máximo de pelo menos 30°, 35° ou 45° para a superfície interna da porção de extremidade em contato com a porção interna. Em alguns exemplos, o ângulo ? para o eixo pode aumentar até um máximo de 80°, 85° ou 90°° para a superfície interna da porção de extremidade em contato com a porção interna. Em tais exemplos, a junta mecânica pode não ser baseada em qualquer resistência de fricção para evitar movimentos relativos, uma vez que uma carga de serviço ao longo do eixo é então perpendicular à superfície interna. Podem ser feitas economias de massa significativas em comparação com uma junta convencional.
[008] Além disso ou alternativamente, o fixador ajustável que se estende axialmente entre as porções interna e externa pode ser usado para pré- carregar a porção de extremidade. Por exemplo, as porções interna e externa podem ser fixadas juntas de modo que a porção de extremidade seja pré- carregada com uma força compressiva de espessura contínua, o que resulta em uma tensão do aro na porção de extremidade parcialmente curvada. A junta pode, portanto, ser pré-carregada para uma carga de fixação prática, uma vez que o componente normal está em linha com a carga de serviço quando a junta é usada para transmissão de força axial. Assim, em pelo menos alguns exemplos, o dispositivo de fixação aplica uma pré-carga de compressão de espessura contínua para a porção de extremidade (que é fixada entre as porções interna e externa). Uma vez que a porção de extremidade é pré- carregada com uma compressão de espessura contínua, a tensão de rede radial no material compósito do membro alongado é diminuída quando uma tensão de tração é aplicada por uma carga axial que está sendo transmitida pelo acessório de extremidade, resultando em uma razão resistência/peso muito alta para a junta. A pré-carga de fixação pode ser de maior magnitude do que as cargas de tensão ou compressão axiais que o componente experimenta em uso e, portanto, pode haver nenhum movimento relativo entre as superfícies da porção de extremidade e o acessório de extremidade, o que pode provocar deterioração durante o serviço. Isto pode permitir que o perfil curvo da porção de extremidade seja escolhido de modo a reduzir o tamanho e o peso do acessório de extremidade.
[009] Em alguns exemplos, a superfície interna da porção de extremidade em contato com a porção interna se estende para o eixo em um ângulo de aumento contínuo ? para o eixo. A superfície interna pode ser substancialmente abobadada. A porção de extremidade do componente estrutural compósito pode ter qualquer forma tridimensional adequada que seja pelo menos parcialmente curvada em um plano perpendicular à direção axial para formar a superfície interna que se estende para o eixo em um ângulo crescente ? para o eixo. A porção de extremidade pode compreender uma forma tridimensional que se estende em mais de uma direção que é perpendicular ao eixo. A fim de obter uma distribuição de força uniforme, preferencialmente a porção de extremidade é axissimétrica. Por exemplo, a porção de extremidade pode compreender uma abóbada axissimétrica. A abóbada pode ser hemisférica, toroesférica ou tomar qualquer outra forma curvada tridimensional que se estenda entre as superfícies que são anguladas uma em relação à outra.
[0010] A porção externa do acessório de extremidade é posicionada em contato com uma superfície externa da porção de extremidade que é preferencialmente oposta à porção interna que se estende em um ângulo crescente ? para o eixo. Em alguns exemplos, a superfície externa da porção de extremidade pode se estender substancialmente no mesmo ângulo de aumento ? para o eixo como a superfície interna. A porção de extremidade pode, portanto, ter uma espessura substancialmente constante. Em alguns exemplos, a superfície externa pode seguir um perfil ou contorno diferente para a superfície interna. Isso pode permitir a variação na espessura da porção de extremidade.
[0011] Para que o acessório de extremidade transmita a carga uniformemente na porção de extremidade do componente estrutural compósito, é preferível que a porção interna e/ou a porção externa do acessório de extremidade seja moldada pelo menos parcialmente para corresponder às superfícies da porção de extremidade. Por exemplo, a porção interna do acessório de extremidade pode ter uma superfície externa que é moldada, por exemplo, de forma abobadada para coincidir com a superfície interna da porção de extremidade. Além disso ou alternativamente, a porção externa do acessório de extremidade pode ter uma superfície interna que é moldada, por exemplo, de forma abobadada para coincidir com a superfície externa da porção de extremidade. Em outras palavras, a porção interna de um acessório de extremidade pode ser pelo menos parcialmente curvada para formar uma superfície externa que se estende em um ângulo crescente ? para o eixo e/ou a porção externa de um acessório de extremidade pode ser pelo menos parcialmente curvada para formar uma superfície interna que se estende em um ângulo crescente ? para o eixo.
[0012] Em vários exemplos, a porção interna e/ou a porção externa do acessório de extremidade podem ser feitas de um material que é mais rígido do que o material compósito da matriz polimérica do membro alongado. Por exemplo, a porção interna e/ou a porção externa podem ser feitas de metal. Será apreciado que as cargas de serviço são transmitidas do acessório de extremidade para o membro alongado pela porção externa e porção interna em contato com, respectivamente, as superfícies externa e interna da porção de extremidade. A porção interna suporta a porção de extremidade composta quando a junta é carregada em compressão e a porção externa suporta a porção de extremidade composta quando a junta é carregada em tensão. Pode ser mais importante que a parte externa seja feita de metal do que a parte interna. A porção externa transmite uma carga aplicada ao acessório de extremidade em compressão e restringe a porção de extremidade composta de flexionar quando uma carga é aplicada ao acessório de extremidade em tensão.
[0013] É desejável evitar qualquer contato entre o encaixe de extremidade e a extremidade aberta do membro alongado, uma vez que as forças aplicadas a uma face de extremidade podem enfraquecer o material compósito e, potencialmente, resultar em delaminação, especialmente quando o acessório de extremidade é feito de um material mais rígido. Em alguns exemplos, a porção de extremidade define uma face de extremidade em um plano perpendicular à superfície interna e a face de extremidade está disposta em um espaço entre a porção interna e a porção externa do acessório de extremidade. A face de extremidade pode se estender por 360° em torno da extremidade aberta do membro alongado. O espaço entre a porção interna e a porção externa também pode se estender 360° em torno da extremidade aberta do membro alongado. O material compósito do membro alongado é protegido deixando um uma lacuna de ar entre a face de extremidade aberta da porção de extremidade e o acessório de extremidade cativo.
[0014] Em vários exemplos, a porção de extremidade do membro alongado compósito pode ser enrolada por filamento diretamente na porção interna do acessório de extremidade. Depois de curar o membro alongado, a porção externa do acessório de extremidade pode então ser colocada em posição e o fixador adicionado para completar o componente estrutural compósito. Tal processo de fabricação é descrito mais adiante.
[0015] O acessório de extremidade compreende três componentes principais: a porção interna, a porção externa e o fixador ajustável que se estendem axialmente entre as porções interna e externa. Em um conjunto de exemplos, o fixador pode compreender um parafuso, por exemplo, que se estende através de um orifício roscado nas porções interna e externa. Mais preferencialmente, o elemento de fixação pode compreender uma porca, por exemplo, permitindo que as porções interna e externa sejam apertadas em conjunto com a porção de extremidade do material compósito fixo entre elas. Em pelo menos alguns exemplos, a porção externa pode compreender uma anilha disposta entre a porca e a superfície externa da porção de extremidade, por exemplo, para propagar a carga. Como é descrito acima, a anilha pode ser moldada pelo menos parcialmente para coincidir com a superfície externa da porção de extremidade. Por exemplo, a anilha pode compreender uma abóbada axissimétrica, por exemplo, moldada do mesmo modo como descrito acima em relação à porção de extremidade do material compósito. Outros exemplos são contemplados em que o fixador ajustável é um fixador diferente de um parafuso e porca.
[0016] Mais geralmente, a porção externa do acessório de extremidade é preferencialmente formada de modo a propagar a carga aplicada pelo acessório de extremidade através da superfície da porção de extremidade, preferencialmente em uma área que é suportada pela porção interna cativa. A porção interna e/ou a porção externa podem se estender para o eixo em um ângulo ? que aumenta para um valor máximo que é maior do que o ângulo máximo ? da porção de extremidade para o eixo. Por exemplo, a parte interna e/ou a porção externa podem se estender para o eixo em um ângulo ? que aumenta para um máximo de 70°, 75°, 80°, 85° ou 90°. Por outras palavras, a porção interna e/ou a porção externa podem fechar substancialmente a extremidade aberta do membro compósito alongado.
[0017] Independentemente da forma tomada pelo fixador, em vários exemplos, o acessório de extremidade pode compreender ainda uma gaxeta disposta entre a porção externa e a superfície externa da porção de extremidade. A gaxeta pode fornecer uma vedação entre as superfícies, permitindo um acasalamento menos do que perfeito, especialmente quando uma ou ambas as superfícies podem incluir irregularidades. Isto pode ser particularmente importante porque a porção de extremidade é feita de um material compósito de matriz polimérica e técnicas típicas de fabricação, tais como o enrolamento de filamentos, podem deixar um acabamento de superfície irregular. A gaxeta pode ser pelo menos parcialmente moldada para coincidir com a superfície externa da porção de extremidade. Nos exemplos em que a porção de extremidade compreende uma abóbada axissimétrica, a gaxeta também pode assumir a forma de uma abóbada axissimétrica. Em pelo menos alguns exemplos, a gaxeta pode compreender uma vedação de silicone elastomérica, por exemplo.
[0018] O requerente percebeu que pode ser benéfico proporcionar uma camada de material elastomérico ou de borracha entre a porção externa e a superfície externa da porção de extremidade composta, não só para auxiliar na fixação, mas também para resistir ao movimento relativo entre as superfícies quando uma carga axial é aplicada ao componente. Isto também pode ser útil entre a porção interna e a superfície interna da porção de extremidade composta. Em pelo menos alguns exemplos, o componente pode compreender ainda uma camada de material elastomérico ou de borracha entre a porção externa e a superfície externa da porção de extremidade composta e/ou entre a porção interna e a superfície interna da porção de extremidade composta. Tais arranjos podem aumentar o coeficiente de fricção e, portanto, atuar ainda para mitigar o movimento relativo entre a porção de extremidade e porções internas/externas do acessório de extremidade. O desgaste é um problema frequente na conexão de um acessório de extremidade de metal a um componente estrutural compósito. Em vários exemplos, o acessório de extremidade é um componente metálico. Isto significa que preferencialmente pelo menos os componentes principais do acessório de extremidade, a porção interna, a porção externa e o fixador ajustável são feitos de um material metálico. O acessório de extremidade pode ser qualquer fixação mecânica adequada, por exemplo, uma extremidade de haste, uma manilha, uma tomada. Um acessório mecânico, como uma manilha, pode incluir um equipamento para os olhos. O acessório de extremidade pode conter um segundo conjunto, dependendo da aplicação (isto é, ajuste personalizado para ajuste). O acessório de extremidade pode incluir uma rosca para fixação de parafuso ou um acessório de baioneta para fixar a junta a outro componente.
[0019] O componente estrutural compósito pode ter uma espessura de parede uniforme ou não uniforme na porção principal e na porção de extremidade. Por exemplo, a porção de extremidade pode ser mais espessa do que a porção principal. Isso pode resultar de um processo de fabricação, como o enrolamento de filamentos para formar uma porção de extremidade em abóbada. Paredes mais grossas na porção de extremidade também podem ajudar a absorver uma pré-carga aplicada pelo acessório de extremidade.
[0020] O componente estrutural compósito pode compreender uma porção de extremidade e uma junta mecânica como divulgado neste documento em uma ou ambas as extremidades da porção principal. É claro que a outra extremidade da porção principal pode ser anexada a um acessório de extremidade por uma junta mecânica diferente. A porção principal pode ter uma superfície interna que se estende em um ângulo de 0° em relação ao eixo. A porção principal do componente estrutural compósito pode ser substancialmente cilíndrica. Em um conjunto de exemplos, a porção principal pode compreender um tubo ou viga oco. A porção principal pode se estender entre um par de porções de extremidade. A porção principal entre as porções de extremidade pode ter um raio interno constante. O componente estrutural compósito é preferencialmente um componente tubular. A porção principal e/ou a porção de extremidade do componente estrutural compósito podem ser substancialmente axissimétricos. Uma ou mais dessas características podem facilitar a fabricação da junção usando processos de enrolamento de filamentos, conforme discutido mais adiante.
[0021] Deve-se entender que a junta mecânica compreende uma porção de extremidade do componente estrutural compósito. Outras porções do componente estrutural compósito, que podem não estar em alinhamento axial com a porção de extremidade e/ou a porção principal, não são descritas em detalhes nesta divulgação. As outras porções do componente estrutural compósito podem opcionalmente incluir um ou mais componentes adicionais montados internamente ou externamente, por exemplo uma manga interna de metal ou borracha.
[0022] Um componente estrutural compósito como divulgado neste documento pode ser um suporte (por exemplo, projetado para resistir à compressão longitudinal) ou uma haste (por exemplo, projetada para resistir à tensão longitudinal). Em alguns exemplos preferidos, o componente estrutural compósito é uma haste de pistão, por exemplo, uma haste de pistão para um acionador hidráulico ou elétrico. O membro alongado pode assumir a forma de qualquer viga ou tubo de suporte axial.
[0023] Em um componente estrutural compósito como descrito neste documento, o membro alongado pode ser feito de qualquer material compósito de matriz polimérica adequado. O material compósito de matriz de polímero é preferencialmente um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra, por exemplo, compreendendo fibras de vidro ou de carbono. Em muitos exemplos, o material compósito da matriz de polímero é um polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Tais materiais são inerentemente resistentes à corrosão e proporcionam uma grande economia de peso e um desempenho de fadiga melhorado.
[0024] O membro alongado pode ser feito usando qualquer técnica de fabricação adequada. Um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibras pode ser formado por trançamento, colocação automática de fibras (AFP) ou técnicas de enrolamento pré-impregnado. No entanto, em exemplos preferidos, o membro alongado é uma estrutura enrolada de filamento. As técnicas de enrolamento de filamentos são particularmente adequadas para fazer membros tubulares de polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC).
[0025] Um membro alongado enrolado de filamento pode ser formado de modo a otimizar sua força axial pelo menos na porção principal. Em um processo de enrolamento de filamentos típico para um componente de transmissão de força axial, as fibras de vidro ou de carbono são enroladas em torno de um mandril de forma helicoidal em um ângulo baixo, por exemplo.8- 15°, em pelo menos algumas das camadas. Consequentemente, um membro alongado como divulgado neste documento ou pelo menos sua porção principal, pode ser uma estrutura enrolada de filamento compreendendo uma ou mais camadas de fibra de vidro ou carbono em ângulos de 8-15° ao eixo longitudinal do membro alongado. O membro alongado ou pelo menos sua porção principal pode adicionalmente compreender uma ou mais camadas de fibra de vidro ou fibra de carbono em ângulos superiores para proporcionar força de aro. Por exemplo, uma ou mais camadas de vidro ou fibra de carbono enroladas em ângulos de pelo menos 75° ou 80° ao eixo longitudinal do membro alongado. Será apreciado que a porção principal se estende ao longo de um eixo longitudinal enquanto a porção de extremidade se estende para o eixo longitudinal em um ângulo crescente ?, em outras palavras, a porção principal tem um perfil reto enquanto a porção de extremidade tem um perfil curvo. A porção de extremidade do membro alongado, em comparação com a porção principal pode portanto compreender mais camadas de vidro ou fibra de carbono enroladas em ângulos de pelo menos 75° ou 80° ao eixo longitudinal do membro alongado. Em muitos exemplos, a porção de extremidade tem uma forma de abóbada e pode ser uma estrutura enrolada de filamento compreendendo múltiplas camadas enroladas em ângulos diferentes, por exemplo, uma ou mais camadas de fibra de ângulo baixo (por exemplo, fibra enrolada a 8-20°) e uma ou mais camadas de fibra de ângulo alto (por exemplo, fibra enrolada a 70-89°).
[0026] De acordo com a presente divulgação, é fornecido ainda um método para formação de uma junta mecânica em um componente estrutural compósito que compreende um membro alongado feito de um material compósito de matriz polimérica, o membro alongado compreendendo uma porção principal que se estende ao longo de um eixo e uma porção de extremidade com uma superfície interna que se estende a partir da porção principal para uma extremidade aberta do membro, o método compreendendo: fornecimento de uma porção interna de um acessório de extremidade com uma superfície externa que se estende para o eixo em um ângulo crescente ? para o eixo; formação da superfície interna da porção de extremidade para se estender em direção ao eixo no ângulo crescente ? ao eixo, em contato com a superfície externa da porção interna, de modo que a porção interna seja colocada cativa dentro do membro alongado; fornecimento de uma porção externa do acessório de extremidade em contato com uma superfície externa da porção de extremidade; e fixação de um fixador ajustável que se estende axialmente entre as porções interna e externa para fixar a porção de extremidade entre as porções interna e externa.
[0027] Em tal método, a porção de extremidade do membro alongado compósito é formada em torno da superfície externa da porção interna e a porção externa do acessório de extremidade é fixa em contato com uma superfície externa da porção de extremidade, de modo que uma carga axial pode ser transmitida desde o acessório de extremidade até a porção de extremidade, tanto na tensão como na compressão. Conforme descrito acima, a etapa de fixação do fixador pode aplicar uma pré-carga de compressão de espessura contínua a porção de extremidade. O método pode compreender ainda: definição da pré-carga de modo a exceder as cargas axiais esperadas para o componente durante o serviço.
[0028] A etapa de formação da superfície interna da porção de extremidade em contato com a superfície externa da porção interna pode compreender o posicionamento da porção interna dentro da porção de extremidade de um membro alongado pré-fabricado, por exemplo, a porção interna e a porção de extremidade sendo feitos para ter perfis de superfície correspondentes. No entanto, as tolerâncias de fabricação provavelmente evitarão que as superfícies se unam de forma exata e isso pode resultar em movimento relativo entre elas quando a junta é carregada. Em um conjunto de exemplos, a formação da superfície interna da porção de extremidade em contato com a superfície externa da porção interna pode compreender fibras ou filamentos de reforço de enrolamento (por exemplo, vidro ou carbono) ao redor da porção interna. Por exemplo, a porção interna pode compreender uma abóbada axissimétrica e a porção de extremidade pode ser formada como uma abóboda axissimétrica. Tal processo de enrolamento pode envolver múltiplas camadas enroladas em diferentes ângulos, por exemplo, enrolando uma ou mais camadas de fibra de ângulo baixo (por exemplo, fibra enrolada a 8-20°) e uma ou mais camadas de fibra de ângulo alto (por exemplo, fibra enrolada em 70-89°).
[0029] É uma vantagem dos métodos descritos neste documento que o membro alongado pode ser enrolado pelo filamento em torno da porção interna do acessório de extremidade em um único processo de fabricação. Por exemplo, a porção interna pode ser proporcionada em um mandril e a porção principal formada por fibras ou filamentos de reforço de enrolamento (por exemplo, vidro ou carbono) ao redor do mandril.
[0030] O membro alongado do componente estrutural compósito pode ser enrolado e curado em uma primeira fase de fabricação. Depois de curar o membro alongado, a porção externa do acessório de extremidade pode então ser colocada em posição e o fixador adicionado para completar a junta. Em outros exemplos, a porção externa do acessório de extremidade pode ser colocada na posição antes da cura do membro alongado e, opcionalmente, o fixador ajustável também colocado na posição. O acessório de extremidade pode, portanto, ser usado para aplicar pressões de compactação durante o processo de cura para melhorar a qualidade do laminado do membro alongado compósito. Em uma etapa de fabricação final, o fixador pode ser apertado para fixar a porção de extremidade entre as porções interna e externa.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0031] Um ou mais exemplos não-limitantes serão agora descritos, com fins exclusivamente exemplificativos e com referência às figuras anexas em que: As Figuras 1a-1d mostram várias vistas de uma junta mecânica de um componente estrutural compósito de acordo com um exemplo da presente divulgação; As Figuras 2a-2b demonstram esquematicamente como uma superfície interna se estende para um eixo em um ângulo crescente ao eixo; e As Figuras 3a-3d mostram várias vistas de uma junta mecânica em um componente estrutural compósito de acordo com outro exemplo da presente divulgação.
[0032] A Fig. 1a proporciona uma vista em perspectiva de um componente estrutural compósito 1 compreendendo um membro alongado 2 feito de material compósito PRFC, neste exemplo uma haste cilíndrica oca, com uma junta mecânica 4 em uma extremidade. A outra extremidade da haste 2 não é mostrada, embora também possa ter uma junta mecânica 4. A junta mecânica 4 compreende um acessório de extremidade de metal 6, 8, 10, mostrado neste documento como compreendendo uma extremidade de haste, unida a uma porção de extremidade 2B da haste 2. As Figs.1b e 1c fornecem vistas cortadas da haste 2 e sua junta mecânica 4. A Fig. 1d fornece uma vista lateral em corte transversal. A partir destas várias vistas, pode ser observado que o acessório de extremidade 6 compreende uma porção interna cativa 8, uma porção de anilha externa 10 e um fixador compreendendo um parafuso 12 e uma porca 14. A haste tubular 2 compreende uma porção principal 2A e a porção de extremidade 2B vista aqui em uma extremidade. A outra extremidade da haste tubular 2, não mostrada, pode também ter uma porção de extremidade 2B com um acessório de extremidade 6, 8, 10.
[0033] Neste exemplo, a porção interna cativa 8 assume a forma de uma cúpula axissimétrica sólida. O material compósito da porção de extremidade 2B é formado em torno da porção interna cativa 8 na forma de um invólucro com cúpula axissimétrica. A porção de extremidade 2B tem uma superfície interna em forma de abóboda 2C em contato com a superfície externa da porção interna 8. Pode ver-se que a porção de anilha externa 10 assume a forma de uma abóbada axissimétrica oca de modo que corresponda à superfície externa 2D da porção de extremidade 2B. A porção de anilha externa 10 e a porção interna cativa 8 compreendem um orifício rosqueado para que o parafuso 12 passe. A porca 14 é apertada contra a superfície externa da porção de anilha 10. Além disso, neste exemplo, uma gaxeta elastomérica ou de borracha opcional 16 (por exemplo, silicone) está posicionada entre a porção de lavagem externa 10 e a superfície externa 2D da porção de extremidade 2B. Além disso ou alternativamente, uma gaxeta elastomérica ou de borracha opcional pode ser colocada entre a porção interna cativa 8 e a superfície interna 2C da porção de extremidade 2B. Isto pode aumentar o coeficiente de fricção e, portanto, atuar ainda para mitigar o movimento relativo entre o material compósito da haste 2 e as poções internas/externas 8, 10 do conjunto de extremidade de metal 6.
[0034] Será apreciado que a porção de extremidade 2B da haste de material compósito 2 é fixada entre a porção interna 8 e a porção externa 10 do acessório de extremidade 6, com o componente normal da força de fixação em linha com uma carga de serviço axial. Durante o serviço, a tensão entregue através do acessório de extremidade 6 é transferida para a porção de extremidade do material compósito 2B através da porção interna cativa 8. Em compressão, a carga é entregue através da anilha externa 10 para a porção de extremidade de material compósito 2B. A junta mecânica 4 não precisa confiar em um adesivo ou outra ligação permanente para transferir cargas ou evitar desgaste (embora o adesivo ou outros tipos de ligação possam ser adicionados se desejado).
[0035] A vista em corte transversal da Fig. 1d mostra que existe uma lacuna 18 entre a face de extremidade da porção de extremidade 2B e o acessório de extremidade 6. Isto assegura que o material compósito da porção de extremidade 2B não entre em contato com a superfície rosqueada do parafuso 12.
[0036] Pode ser visto nas Figuras 2a e 2b como a porção de extremidade em abóboda 2B tem uma superfície interna 2C que se estende para o eixo A do membro alongado 2 em um ângulo crescente ? para o eixo A. Na Fig. 2a, a porção de extremidade 2B está começando a se curvar para dentro a partir da superfície interna da porção principal 2A, que se estende paralelamente ao eixo longitudinal da haste 2. Na Fig. 2a, a superfície interna 2C se estende em direção ao eixo A com uma tangente à superfície 2C que define um ângulo ?1 que é inferior a 45°. Na Fig. 2b, a superfície interna 2C se estende ainda em direção ao eixo A com uma tangente à superfície 2C que define um ângulo ?2 que é mais do que 45°. O ângulo ? pode aumentar até um máximo de quase 90°. No entanto, pode ver-se que a porção de extremidade em forma de abóbada 2B não se estende completamente para cruzar o eixo a 90° de modo a deixar a lacuna 18 vista na Figura 1.
[0037] A Fig. 3a proporciona uma vista em perspectiva de outro componente estrutural compósito 100 compreendendo um membro alongado ou seja, a haste oca 102 e um acessório de extremidade 106 em uma extremidade. A outra extremidade da haste 102 não é mostrada. Uma junta mecânica é formada substancialmente da mesma maneira como descrito acima em relação às Figuras 1 e 2. Neste exemplo, pode ver-se que a porção de extremidade 102B também é parcialmente curvada, mas não se estende tão longe em relação ao eixo da haste como no exemplo anterior. A superfície interna da porção de extremidade 102B se estende para o eixo com uma tangente à superfície que define um ângulo ? que aumenta até um máximo de cerca de 35° ou 45°. A porção de anilha externa 110 corresponde à porção de extremidade parcialmente em abóboda 102B sendo curvada na sua periferia, mas agora uma área central da porção de anilha 110 é plana. A parte achatada da porção de anilha 110 recebe a porca 114 que engata com o orifício rosqueado 112 do acessório de extremidade 106 de modo que a porção de extremidade 102B pode ser fixada entre a porção de anilha externa 110 e uma porção interna cativa 108. A porção interna cativa 108 assume a forma de uma abóboda axissimétrica truncada. Como antes, uma lacuna 118 é deixada entre a face de extremidade da porção de extremidade 102B e o acessório de extremidade 106.
[0038] Quando uma carga axial é aplicada ao acessório de extremidade 6 no exemplo da Figura 1, a porção de extremidade completamente abobadada 3 experimenta uma força de tração ou compressão em uma direção radial que está quase em linha com o eixo. Isto significa que existe uma força de reação insignificante que tem um componente ao longo da superfície interna/externa em contato com a porção interna/externa 8, 10 e a junta mecânica não depende da resistência de fricção ao deslizamento entre o acessório de extremidade 6 e a porção de extremidade 3 da haste de material compósito 2, eliminando assim o desgaste de fricção. Quando uma carga axial é aplicada ao acessório de extremidade 106 no exemplo da Figura 3, a porção de extremidade parcialmente em abóboda 102B experimenta uma força de tração ou compressão com uma força de reação que tem um componente ao longo da superfície interna/externa em contato com a porção interna/externa 108, 110. A junta mecânica pode portanto depender de um grau de resistência à fricção ao movimento relativo; no entanto, isso é reduzido em comparação a uma superfície cônica que tem um ângulo menor de 20° ou 25° para o eixo.

Claims (15)

1. Componente estrutural compósito (1, 100), compreendendo: um membro alongado (2, 102) feito de um material compósito de matriz polimérica, o membro alongado (2, 102) compreendendo uma porção principal (2A, 102A) que se estende ao longo de um eixo geométrico (A) e uma porção de extremidade (2B, 102B) com uma superfície interna curvada (2C, 102C) que se estende a partir da porção principal (2A, 102A) para uma extremidade aberta do membro (2, 102); e um acessório de extremidade (6, 106) que forma uma junta mecânica com a porção de extremidade (2B, 102B), o acessório de extremidade (6, 106) compreendendo: uma porção interna (8, 108) posicionada cativa dentro do membro alongado (2, 102) em contato com a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B); uma porção externa (10, 110) posicionada em contato com uma superfície externa (2D) da porção de extremidade (2B, 102B); e em que a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B) em contato com a porção interna (8, 108) se estende para o eixo geométrico (A) em um ângulo crescente ? para o eixo geométrico (A); caracterizado pelo fato de que o acessório de extremidade (6, 106) compreende adicionalmente um fixador ajustável (12, 112, 14, 114) que se estende axialmente entre as porções interna e externa (8, 108, 10, 110) para fixar a porção de extremidade (2B, 102B) entre as porções interna e externa (8, 108, 10, 110).
2. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ângulo ? para o eixo geométrico (A) aumenta para um máximo de pelo menos 30°, 35° ou 45° para a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B) em contato com a porção interna (8, 108).
3. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o ângulo ? para o eixo geométrico (A) aumenta para um máximo de pelo menos 80°, 85° ou 90° para a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B) em contato com a porção interna (8, 108).
4. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a porção de extremidade (2B, 102B) compreende uma abóbada axissimétrica.
5. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 4, caracterizado pelo fato de que o fixador (12, 112, 14, 114) aplica uma pré-carga de compressão de espessura contínua para a porção de extremidade (2B, 102B).
6. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 5, caracterizado pelo fato de que a porção de extremidade (2B, 102B) define uma face de extremidade em um plano perpendicular à superfície interna (2C, 102C) e a face de extremidade está disposta em um espaço (18, 118) entre a porção interna (8, 108) e a porção externa (10, 110) do acessório de extremidade (6, 106).
7. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 6, caracterizado pelo fato de que: a porção interna (8, 108) do acessório final tem uma superfície externa (2D) que é moldada para combinar com a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B); e/ou a porção externa (10, 110) do acessório de extremidade (6, 106) possui uma superfície interna (2C, 102C) que é moldada para combinar com a superfície externa (2D) da porção de extremidade (2B, 102B).
8. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 7, caracterizado pelo fato de que a porção de extremidade (2B, 102B) do membro alongado (2, 102) é enrolada por filamento diretamente sobre a porção interna (8, 108) do acessório de extremidade (6, 106).
9. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesl a 8, caracterizado pelo fato de que o fixador (12, 112, 14, 114) compreende um parafuso (12, 112) e uma porca (14, 114), e opcionalmente a porção externa (10, 110) compreende uma anilha disposta entre a porca (14, 114) e a superfície externa (2D) da porção de extremidade (2B, 102B)
10. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma camada de material elastomérico ou de borracha entre a porção externa (10, 110) e a superfície externa (2D) da porção de extremidade (2B, 102B) composta e/ou entre a porção interna (8, 108) e a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B) composta.
11. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o acessório de extremidade (6, 106) é um componente metálico.
12. Componente estrutural compósito (1, 100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o membro alongado (2, 102) é um tubo ou viga de suporte axial.
13. Método para formação de uma junta mecânica em um componente estrutural compósito (1, 100), compreendendo um membro alongado (2, 102) feito de um material compósito de matriz polimérica, o membro alongado (2, 102) compreendendo uma porção principal que se estende ao longo de um eixo geométrico (A) e uma porção de extremidade (2B, 102B) com uma superfície interna curvada (2C, 102C) que se estende a partir da porção principal para uma extremidade aberta do membro, o método compreendendo: fornecer uma porção interna (8, 108) de um acessório de extremidade (6, 106) com uma superfície externa (2D) que se estende para o eixo geométrico (A) em um ângulo crescente ? para o eixo geométrico (A); formar a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B) para se estender em direção ao eixo geométrico (A) no ângulo crescente ? ao eixo geométrico (A), em contato com a superfície externa (2D) da porção interna (8, 108), de modo que a porção interna (8, 108) seja colocada cativa dentro do membro alongado (2, 102); fornecer uma porção externa (10, 110) do acessório de extremidade (6, 106) em contato com uma superfície externa (2D) da porção de extremidade (2B, 102B); e caracterizado pelo fato de compreender fixar um fixador ajustável (12, 112, 14, 114) que se estende axialmente entre as porções interna e externa para fixar a porção de extremidade (2B, 102B) entre as porções interna e externa (8, 108, 1, 110).
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que formar a superfície interna (2C, 102C) da porção de extremidade (2B, 102B) em contato com a superfície externa (2D) da porção interna (8, 108) compreende enrolar fibras ou filamentos de reforço em torno da porção interna (8, 108).
15. Método de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que fixar o fixador ajustável compreende: aplicar uma pré-carga de compressão de espessura contínua para a porção de extremidade (2B, 102B).
BR102018005376-0A 2017-03-31 2018-03-19 Componente estrutural compósito, e, método para formação de uma junta mecânica BR102018005376B1 (pt)

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