BR102018005378B1

BR102018005378B1 - Componente estrutural de compósito, e, método para formar uma junta mecânica para um componente estrutural de compósito

Info

Publication number: BR102018005378B1
Application number: BR102018005378-7A
Authority: BR
Inventors: Tom BEALE
Original assignee: Crompton Technology Group Limited
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2023-02-14
Also published as: EP3382220A1; CA2992647A1; US10487869B2; BR102018005378A2; CA2992647C; US20180282992A1; EP3382220B1

Abstract

Componente estrutural de compósito 2 compreende um membro alongado feito de um material de compósito de matriz de polímero, o membro alongado geralmente se estendendo ao longo de um eixo do componente estrutural de compósito 2 a partir de uma porção final 5 deste. O componente estrutural de compósito 2 também compreende um conector de extremidade 8 que forma uma junta mecânica com a porção final 5. O elemento alongado compreende um primeiro membro 4 que se estende a partir da porção final 5 ao longo do eixo do componente estrutural composto 2 e um segundo membro 3 que se estende a partir da porção de extremidade 5 ao longo do eixo do componente estrutural de compósito 2. O conector de extremidade 8 é limitado na porção final 5 pelo primeiro e segundo membros 4, 3, de tal modo que o primeiro membro 4 é pré-carregado com uma tensão de compressão na direção axial e o segundo elemento 3 é pré-carregado com uma tensão de tração na direção axial.

Description

Campo da invenção

[001] A presente divulgação diz respeito a juntas mecânicas para compósitos, particularmente juntas mecânicas para componentes estruturais de compósitos feitos de material composto de matriz polimérica. Esta divulgação diz respeito a juntas mecânicas de tensão/compressão que podem transmitir cargas axiais de/para um componente estrutural de compósito.

Fundamentos da invenção

[002] Os componentes estruturais de compósitos são tipicamente feitos de um material de compósito de matriz de polímero, muitas vezes um material de compósito de matriz de polímero reforçado com fibra, utilizando reforço de fibra de vidro e/ou carbono, por exemplo, polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Os componentes estruturais de compósitos oferecem a oportunidade para soluções de transmissão de carga leves e econômicas. Os maiores benefícios geralmente são alcançados quando o percurso 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 compostos são cada vez mais usados em aeronaves comerciais, bem como na indústria automotiva e de construção. Esses componentes estruturais de compósitos geralmente requerem um acessório final com uma forma complexa para se conectar a outros componentes. Os metais são eficientes quanto ao peso e custo para formar um acessório final com geometria complexa. No entanto, juntar um componente estrutural de compósito a um acessório final metálico representa desafios significativos, especialmente na indústria aeroespacial, onde a junta deve ser formada de forma sólida e certificável.

[003] Juntar um acessório final a um componente estrutural de compósito requer um mecanismo confiável para transferir cargas axiais para o componente estrutural de compósito. Uma junta mecânica pode ser preferencial pelo menos para fins de certificação aeroespacial. No entanto, as juntas mecânicas podem frequentemente sofrer o problema de deterioração e desgaste devido ao movimento relativo entre o acessório final metálico e o material relativamente macio do componente estrutural de compósito. A capacidade de fabricação sofisticada também pode ser necessária para produzir uma junta mecânica adequada.

[004] A presente divulgação procura fornecer uma junta mecânica para um componente estrutural de compósito que não sofra desgaste e danos causados pela deterioração. A presente divulgação também procura prover uma junta mecânica para um componente estrutural de compósito que pode ter uma proporção de força para peso aumentada e uma proporção peso/força aumentada.

Resumo

[005] De acordo com a presente divulgação, é provido um componente estrutural de compósito que compreende: um membro alongado feito de um material de compósito de matriz polimérica, o elemento alongado geralmente se estendendo ao longo de um eixo do componente estrutural de compósito a partir de uma porção final dele e, um conector de extremidade que forma uma junta mecânica com a porção final; em que o membro alongado compreende: um primeiro membro se estendendo a partir da porção final ao longo do eixo do componente estrutural de compósito; um segundo elemento se estendendo a partir da porção final ao longo do eixo do componente estrutural de compósito e, em que o conector de extremidade é limitado na porção final pelo primeiro e segundo membros de tal modo que o primeiro membro é pré- carregado com uma tensão de compressão na direção axial e o segundo elemento é pré-carregado com uma tensão de tração na direção axial.

[006] Numa junta mecânica de tensão/compressão, um conector de extremidade é mantido mecanicamente limitado por um componente estrutural de compósito de membro duplo. Antes de a junta mecânica ser submetida a uma carga axial de tensão/compressão durante a utilização, o primeiro e o segundo elemento são pré-carregados com tensão de compressão/tração na direção axial do componente estrutural de compósito. Isto significa que o material compósito da matriz de polímero do primeiro e segundo membros experimenta uma tensão de compressão/tensão em vez de estar em um estado natural sem tensão. Esta pré-carga mantém o primeiro e o segundo membro em contato com o conector de extremidade durante o serviço, independentemente de a junta estar carregada com tensão ou com compressão.

[007] É uma vantagem da presente divulgação que a junta mecânica não requeira nenhuma forma de ligação (por exemplo, adesivo), nem um engate por atrito, nem uma forma mecânica complexa para que o acessório final forneça a carga ao componente estrutural de compósito. Não é necessária uma fabricação sofisticada para produzir os principais componentes da junta mecânica. Como o primeiro e o segundo membros são pré-carregados em compressão e tensão, respectivamente, a tensão axial líquida no componente estrutural de compósito é reduzida quando uma carga axial é transmitida pelo conector de extremidade, resultando em uma proporção peso/força muito alta para a junta. Economias de massa significativas podem ser feitas sem comparação com um componente estrutural de compósito de membro único convencional.

[008] Durante o serviço, uma carga axial é entregue à porção final do componente estrutural de compósito pelo conector de extremidade limitado na junta mecânica. O conector de extremidade pode ser limitado na porção final pelo primeiro e segundo membros de várias maneiras diferentes. Em vários exemplos, o segundo elemento compreende uma superfície, em contato com o conector de extremidade, que se estende em um ângulo com o eixo. Em vários exemplos, adicional ou alternativamente, o primeiro membro compreende uma face final em contato com o conector de extremidade. Isto significa que uma carga axial de tração aplicada ao conector de extremidade atuará sobre o segundo membro na porção final, enquanto uma carga axial compressiva aplicada ao conector de extremidade atuará sobre o primeiro membro na porção final. Consequentemente, o primeiro membro pode ser chamado de membro de compressão e o segundo membro pode ser chamado de membro de tensão.

[009] Outra vantagem de um componente estrutural de compósito de membro duplo é que a junta mecânica pode ser adaptada ao carregamento esperado durante o serviço. Por exemplo, um componente estrutural de compósito projetado para uma carga de compressão significativa em uso pode ter o segundo membro (de tensão) feito de maneira mais fina/menor, ou menos rígido, por exemplo, alterando a proporção de volume entre a fibra de reforço e a matriz de polímero e/ou alterando o tipo de fibra de reforço. Por outro lado, um componente estrutural de compósito projetado para uma carga de tensão significativa em uso pode ter o primeiro membro (de compressão) feito de maneira mais fina/menor ou menos rígido. Por exemplo, o segundo membro (de tensão) feito de maneira mais rígida, por exemplo, reforçadas com um módulo intermediário (IM), módulo alto (HM) ou módulo ultra-alto de fibras de carbono (UHM) e o primeiro membro (de compressão) feito de maneira menos rígida, por exemplo, reforçado com módulo padrão (como AS4) ou de fibras de carbono IM ou fibras de vidro. De maneira mais geral, um dentre o primeiro e segundo membros pode ser feito de material de compósito de matriz polimérica compreendendo fibras com um módulo elástico maior (ou menor) do que no material compósito do outro membro. A rigidez de cada membro é determinada pela sua geometria e módulo elástico da fibra de reforço. Dependendo da aplicação, os requisitos de tamanho para cada caso de carga permitem o ajuste da geometria de membro duplo para redução de massa.

[0010] Como resultado do primeiro elemento sendo pré-carregado com uma tensão compressiva na direção axial e o segundo elemento sendo pré-carregado com uma tensão de tração na direção axial, o movimento relativo entre o conector de extremidade e o componente estrutural de compósito pode ser evitado quando uma carga for aplicada à junta. Isso minimiza o risco de desgaste ou danos causados principalmente mediante carga cíclica. O desgaste é um problema frequente na conexão de um conector de extremidade metálico a um componente estrutural de compósito. Em vários exemplos, o conector de extremidade é um componente metálico. O conector de extremidade pode ser qualquer fixação mecânica adequada, por exemplo, uma haste de extremidade, uma manilha, uma tomada. Um fixador mecânico como uma manilha, pode incluir um equipamento para os olhos. O conector de extremidade pode conter um segundo conjunto, dependendo da aplicação (isto é, ajuste personalizado para ajuste). O conector de extremidade pode incluir uma rosca para fixação de parafuso ou um conector baioneta para fixar a junta a outro componente.

[0011] É desejável que o material de compósito da matriz polimérica do primeiro membro seja otimizado para suportar a compressão durante o serviço. Em vários exemplos, o primeiro membro tem simetria axial. Por exemplo, o primeiro membro pode ser substancialmente cilíndrico, por exemplo, um membro tubular. O primeiro membro pode assumir a forma de um tubo ou feixe oco. Preferencialmente, quando formando o primeiro membro em um processo de enrolamento de filamento, a fibra contínua que não está na direção axial pode ser usada, ou seja, as fibras helicoidais de ângulo alto/arqueado também podem ser enroladas. Tal fato aumenta drasticamente a proporção peso/força axial compressiva, evitando o micro- encaixe nas fibras (próximas) axialmente alinhadas. Por conseguinte, o primeiro membro pode ser uma estrutura de filamento enrolada compreendendo múltiplas camadas enroladas em diferentes ângulos, 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°).

[0012] Conforme mencionado acima, o primeiro membro pode compreender uma face final em contato com o conector de extremidade. Nos exemplos em que o primeiro membro é substancialmente cilíndrico, pode ser definida uma face final circunferencial num plano perpendicular ao eixo. A face final pode se estender 360° em torno de uma extremidade aberta do primeiro membro. Verificou-se que é desejável evitar o esmagamento/delaminação da face final ao carregar a face final em compressão. Em vários exemplos, adicional ou alternativamente, o primeiro membro pode compreender adicionalmente um componente anular externo disposto em contato com uma superfície externa, de modo a circunscrever o primeiro membro na face final. O componente anular externo, por exemplo, anel de aro, pode ser feito de um material mais rígido do que o material de compósito do primeiro membro. O componente anular externo é preferencialmente um anel metálico. Este componente anular pode garantir que a delaminação do material de compósito não ocorra na face final exposta.

[0013] Além disso, ou alternativamente, o componente pode compreender adicionalmente um membro elastomérico ou de borracha disposto em contato com a face final do primeiro membro (de compressão). O membro elastomérico ou de borracha pode ser disposto entre o primeiro membro e o conector de extremidade, a fim de absorver as tolerâncias e evitar a separação, impedindo assim o desgaste na carga cíclica e a falha na face final.

[0014] Conforme mencionado acima, o segundo membro pode compreender uma superfície, em contato com o conector de extremidade, que se prolonga em um ângulo em relação ao eixo. Em um primeiro conjunto de exemplos, o segundo membro (de tensão) tem uma forma tridimensional na porção final que se estende em mais de uma direção perpendicular ao eixo. Em um conjunto de exemplos, o segundo membro pode cercar totalmente o primeiro membro em uma direção circunferencial (ou seja, em torno do eixo do componente estrutural de compósito). Por exemplo, o segundo membro pode compreender uma abóboda simétrica axial na porção final. O segundo membro pode compreender uma estrutura simétrica axial, tal como um cilindro longe da porção final. Isso pode facilitar a fabricação da estrutura de membro duplo usando um processo de enrolamento de filamentos. O conector de extremidade também pode ser abobadado de modo a ser limitado dentro da abóboda simétrica axial do segundo membro. Nestes exemplos, o segundo membro (de tensão) pode ser enrolado diretamente no conector de extremidade e no primeiro membro pré-carregado (de compressão). Depois de curar o componente estrutural de compósito, a pré-carga no primeiro membro pode ser aliviada de modo que uma tensão de tração seja aplicada para pré- carregar o segundo membro. Tal processo de fabricação é descrito mais adiante.

[0015] É desejável que o material de compósito da matriz polimérica do primeiro membro seja otimizado para resistir a tensão durante o serviço. O segundo membro pode ser uma estrutura de enrolamento de filamento compreendendo uma ou mais camadas de fibra de vidro ou de carbono em ângulos baixos, por exemplo, 8-15° ao eixo. Mesmo em exemplos em que o segundo elemento compreende uma abóbada simétrica axial na porção final, a forma de abóbada pode ser formada principalmente de fibras de ângulo baixo. No entanto, usando um processo de enrolamento de filamentos padrão para formar o segundo membro, não é possível alcançar o alinhamento axial total das fibras. Verificou-se que as fibras fora do eixo não são necessárias e as fibras com um ângulo de 0° para o eixo resultarão na maior proporção peso/força para o segundo membro (de tensão).

[0016] Em um segundo conjunto de exemplos, o segundo membro (de tensão) geralmente se estende em uma direção que é perpendicular ao eixo. Por exemplo, o segundo membro pode compreender uma faixa de tensão que envolve o conector de extremidade numa direção que é perpendicular ao eixo. Opcionalmente, a tira de tensão pode formar um loop contínuo que se prolonga ao longo do eixo do componente estrutural de compósito e em torno de um conector de extremidade em cada extremidade do componente estrutural de compósito. Em tais exemplos, o conector de extremidade pode compreender uma ranhura numa superfície externa que se estende numa direção perpendicular à direção axial. Opcionalmente, o conector de extremidade pode ter uma superfície externa definida por uma cúpula simétrica axial. A tira de tensão pode ser recebida na ranhura. Isso pode facilitar a localização da faixa de tensão no conector de extremidade.

[0017] Em um ou mais destes exemplos, a tira de tensão pode compreender fibras axialmente alinhadas. A tira de tensão pode ser formada a partir de enrolamentos de filamentos ou uma fita pré-formada com reforço de fibra axial. Preferencialmente, a tira de tensão é feita de um material de compósito de matriz polimérica consistindo em reforço de fibra que se estende em um ângulo de 0-5° em relação ao eixo. Nestes exemplos, o segundo membro (de tensão) pode ser feito por meio da utilização de um processo de enrolamento de filamentos não padrão. Em vez de girar um mandril em torno de seu eixo longitudinal, o mandril é girado em um plano horizontal (por exemplo, em torno de seu ponto médio axial), enquanto as fibras são alimentadas através de uma altura horizontalmente percorrida. O primeiro membro (de compressão) pode ser feito usando uma técnica de enrolamento de filamentos padrão.

[0018] O primeiro e segundo membros podem ser dispostos um em relação ao outro no componente estrutural de compósito de várias maneiras diferentes. Preferencialmente, o segundo elemento (de tensão) se estende da porção final paralela ao primeiro membro ao longo do eixo. Em alguns exemplos, o segundo membro (de tensão) pode se estender ao longo do eixo em contato com uma superfície do primeiro membro (de compressão). Em outras palavras, o primeiro e o segundo membro podem estar se tocando. No entanto, não há movimento relativo causando atrito entre o primeiro e segundo membro, mesmo quando uma carga é aplicada ao componente estrutural de compósito, devido às pré-cargas contra-ativas. Em outros exemplos, o segundo elemento (de tensão) pode se estender ao longo do eixo e estar radialmente afastado de uma superfície do primeiro membro (de compressão). Em vários desses exemplos, o primeiro e o segundo membro podem ser coaxiais. O primeiro membro pode estar dentro ou fora do segundo membro, ou vice-versa.

[0019] Em alguns exemplos preferenciais existe um espaçamento radial entre o primeiro e segundo membro. Para um componente estrutural de compósito que supostamente deve experienciar uma resistência à tração maior do que as cargas de compressão, o diâmetro interno do segundo membro (de tensão) pode ser significativamente maior do que o diâmetro externo do primeiro membro (de compressão). Para um componente estrutural de compósito que supostamente de experienciar uma carga compressiva maior que a de tração, o diâmetro interno do primeiro membro (de compressão) pode ser significativamente maior que o diâmetro externo do segundo membro (de tensão). Isso permite reduzir a massa do componente ao adaptar sua estrutura à força esperada necessária durante o serviço. Nos exemplos em que há um espaçamento radial entre o primeiro e o segundo membro, um ou mais suportes radiais podem se estender entre o primeiro e segundo membros. Nos exemplos em que o segundo membro compreende uma tira de tensão, os suportes radiais podem evitar as vibrações da tira.

[0020] O componente estrutural de compósito pode compreender uma junta mecânica conforme divulgado neste documento em uma ou ambas as extremidades. É claro que a outra extremidade do componente pode ser anexada a um conector de extremidade por uma junta mecânica diferente. Em vários exemplos, o componente estrutural de compósito é substancialmente cilíndrico. O membro alongado é preferencialmente tubular. Um membro alongado conforme divulgado neste documento pode ser um suporte (por exemplo, projetado para resistir a compressão longitudinal) ou uma haste (por exemplo, projetada para resistir a tensão longitudinal). Em alguns exemplos preferenciais, o membro alongado é uma haste de pistão, por exemplo, uma haste de pistão para um atuador hidráulico ou elétrico. O membro alongado pode assumir a forma de qualquer viga ou tubo portador de carga axial. Embora um componente estrutural de compósito, conforme divulgado neste documento, seja principalmente destinado a transportar cargas de serviço axial, também se prevê que um momento de flexão possa ser aplicado ao componente estrutural de compósito durante o serviço.

[0021] Um membro alongado conforme descrito aqui pode ser feito de qualquer material compósito de matriz polimérica adequada. O material de compósito de matriz polimérica é preferencialmente um material de compósito de matriz polimérica reforçado com fibra, por exemplo, compreendendo fibras de vidro ou de carbono. Em muitos exemplos, o material de compósito da matriz polimérica é um polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Tais materiais são inerentemente resistentes à corrosão e proveem uma grande economia de peso e um desempenho de fadiga melhorado.

[0022] O membro alongado pode ser feito por meio da utilização de qualquer técnica de fabricação adequada. O primeiro e o segundo membros podem ser feitos utilizando as mesmas técnicas de fabricação composta ou técnicas diferentes. Um material de compósito de matriz polimérica reforçado com fibras pode ser formado por trançamento, colocação automática de fibras (AFP) ou técnicas de enrolamento pré-impregnado ou métodos de pultrusão. No entanto, em exemplos preferenciais, o membro alongado é uma estrutura enrolada de filamento. As técnicas de enrolamento de filamentos são particularmente adequadas para produzir membros compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC).

[0023] Entende-se que esta divulgação diz respeito principalmente a uma junta mecânica formada entre um conector de extremidade e uma porção final do membro alongado num componente estrutural de compósito. Outras porções do componente estrutural de compósito não são descritas em detalhes nesta divulgação. As outras porções do componente estrutural de compósito podem opcionalmente incluir um ou mais componentes adicionais montados interna ou externamente, por exemplo, uma manga interna metálica ou borracha e/ou reforço de aro (na forma de fibras enroladas em anel ou um anel separado feito de material de compósito ou metálico).

[0024] Em pelo menos alguns exemplos, o componente estrutural de compósito compreende um membro alongado que geralmente se estende ao longo de um eixo a partir de uma porção final do mesmo para outra parte final do mesmo. O componente estrutural de compósito pode compreender um conector de extremidade formando uma junta mecânica com uma ou toda a porção final. Os conectores de extremidades iguais ou diferentes podem ser anexados em qualquer extremidade do componente. O primeiro e segundo membros podem se estender ao longo do comprimento do membro alongado entre as porções finais. Além disso, ou, de maneira alternativa, cada porção final pode compreender uma extremidade aberta do membro alongado, por exemplo, nos exemplos em que o membro alongado é tubular.

[0025] De acordo com a divulgação da presente invenção, também é provida um método para formar uma junta mecânica para um componente estrutural de compósito compreendendo um membro alongado feito de um material de compósito de matriz polimérica, o elemento alongado geralmente se estendendo ao longo de um eixo a partir de uma porção final do mesmo, o método compreendendo: prover um primeiro membro do membro alongado; posicionar um conector de extremidade em contato com o primeiro membro na porção final do membro alongado de modo a pré- carregar o primeiro membro com uma tensão compressiva na direção axial; prover um segundo membro do membro alongado em contato com o conector de extremidade, a fim de formar uma junta mecânica com a porção final; posicionar o conector de extremidade de modo a ser limitado na porção final pelo primeiro e segundo membro e para pré-carregar o segundo membro com uma tensão de tração na direção axial.

[0026] Esse método de fabricação é incomum na medida em que o conector de extremidade é posicionado em contato com o primeiro e segundo membro de tal forma que os membros duplos sejam pré-carregados com tensão/compressão antes de serem aplicadas as cargas do serviço durante o uso. Quando o componente é carregado em tensão, a pré-carga será reduzida no primeiro membro (de compressão). Quando o componente é carregado em compressão, a pré-carga será reduzida no segundo membro (de tensão). O método pode, portanto, envolver a pré-carga do membro de compressão/tensão para uma quantidade necessária de deslocamento axial, de modo que este deslocamento não seja reduzido a zero por uma carga axial aplicada. O método pode compreender ainda: definir a pré-carga de modo a exceder as cargas axiais esperadas para o componente durante o serviço.

[0027] Em vários exemplos, o primeiro membro (de compressão) tem simetria axial. Prover o primeiro membro pode compreender fibras ou filamentos de reforço (por exemplo, carbono) em torno de um mandril, a fim de formar o primeiro membro.

[0028] Em um primeiro conjunto de exemplos, o segundo membro (de tensão) tem uma forma tridimensional na porção final que se estende em mais de uma direção perpendicular ao eixo. Por exemplo, o segundo membro pode compreender uma abóboda simétrica axial na porção final. Em tais exemplos, prover o segundo membro pode compreender fibras ou filamentos de reforço de enrolamento (por exemplo, carbono) ao redor do conector de extremidade. O primeiro membro pode ser enrolado por filamento e curado em uma primeira etapa de fabricação antes de formar a junta mecânica. Após apertar o conector de extremidade sobre o primeiro membro na porção final, o segundo membro pode ser enrolado por filamento e curado em uma segunda etapa de fabricação. O conector de extremidade pode ser ajustado para aliviar a pré-carga no primeiro membro e aplicar uma tensão de tração ao segundo membro. Compreende-se que o primeiro membro permanece pré-carregado com uma tensão de compressão na direção axial, uma vez foi envolto pelo segundo membro.

[0029] Em um segundo conjunto de exemplos, o segundo membro (de tensão) geralmente se estende em uma direção que é perpendicular à direção do eixo. Por exemplo, o segundo membro pode compreender uma faixa de tensão que envolve o conector de extremidade numa direção que é perpendicular ao eixo. Em tais exemplos, prover o segundo membro pode compreender aplicar uma faixa de tensão ao redor do conector de extremidade. O primeiro membro pode ser enrolado por filamento e curado em uma primeira etapa de fabricação antes de formar a junta mecânica. O primeiro membro pode ser um componente estrutural de compósito pré- formado feito de um material de compósito de matriz de polímero, especialmente um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra, por exemplo, polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Depois de apertar o conector de extremidade no primeiro membro na porção final, a tira de tensão pode ser enrolada em torno do conector de extremidade em uma segunda fase de fabricação. Isso pode ser assistido pela separação do conector de extremidade em duas ou mais partes enquanto se aplica a tira de tensão.

Descrição detalhada

[0030] Um ou mais exemplos não limitantes serão agora descritos, a título exclusivamente exemplificativo e com referência às figuras anexadas: As figuras 1A-1E mostram várias vistas parciais de um componente estrutural de compósito, de acordo com um primeiro exemplo; As figuras 2A-2E mostram várias vistas parciais de um componente estrutural de compósito, de acordo com um segundo exemplo; As figuras 3A-3D mostram várias vistas de um componente estrutural de compósito, de acordo com um terceiro exemplo; As figuras 4A-4C mostram várias vistas de um componente estrutural de compósito, de acordo com um quarto exemplo e, As figuras 5A-5D mostram várias vistas parciais de um componente estrutural de compósito, de acordo com outro exemplo.

[0031] Nas figuras 1A-1E há um primeiro exemplo de um componente estrutural de compósito 2. O componente estrutural de compósito 2 compreende um conector de extremidade 8 e um elemento alongado, o qual compreende em si um membro de compressão 4 e um membro de tensão 3, isto é, um "membro duplo". O membro de tensão 3 compreende uma porção de cilindro de PRFC oca e enrolada por filamento, juntamente com uma porção de simétrica axial em forma de abóboda numa porção final 5 do elemento alongado 3,4. O conector de extremidade 8 compreende uma porção de abóboda simétrica axial correspondente 6 que fica dentro da extremidade abobadada do membro de tensão 3 na porção final 5 do membro alongado 3,4. O conector de extremidade 8 pode ser um componente metálico, por exemplo, de aço. Outro elemento do conector de extremidade 8, neste exemplo, uma extremidade de haste, sobressai da porção final 5 do membro alongado 3,4 numa direção axial, através de uma abertura na porção abobadada do membro de tensão 3.

[0032] Pode-se observar na figura1A, que a porção abobadada na extremidade do membro de tensão 3 não se estende totalmente através dos 90°. Há um espaço 7 entre a face final da porção em forma de abóbada do membro de tensão 3 e o conector de extremidade 8.Isto garante que o material de compósito do membro de tensão 3 não entre em contato com a superfície do conector de extremidade metálica 8, especialmente uma superfície roscada. Será apreciado que a porção abobadada 6 pode ter uma conexão por parafusos com o conector de extremidade 8, o que pode auxiliar na aplicação de uma tensão de pré-carga.

[0033] O membro de compressão 4 compreende um cilindro PRFC de filamento enrolado oco com um diâmetro externo igual ao diâmetro interno do membro de tensão 3.O membro de compressão 4 fica no interior do membro de tensão 3 e é inteiramente embutido pelo membro de tensão 3 e o conector de extremidade 8, de modo que a porção abobadada 6 do conector de extremidade 8 é limitado entre o membro de tensão 3 e o membro de compressão 4.Isto forma uma junta mecânica entre a porção final 5 do membro alongado 3,4 e o conector de extremidade 8.

[0034] A extremidade interior da porção abobadada 6 do conector de extremidade 8 compreende uma seção cilíndrica mais estreita com um diâmetro externo que corresponde ao diâmetro interno do membro de compressão 4, e o membro de compressão 4 está disposto de tal modo que a seção mais estreita da porção abobadada 6 do conector de extremidade 8 se estenda para dentro do membro de compressão 4.Isso evita que o membro de compressão 4 e o conector de extremidade 8 se movam em relação um ao outro durante o fabricação e uso. A porção abobadada 6 do conector de extremidade 8 fica, portanto, em contato com uma face final do membro de compressão 4.

[0035] Durante a fabricação, o membro de compressão 4 é pré- carregado com tensão compressiva axial, e o membro de tensão 3 é pré- carregado com a tensão de tração axial. Como resultado, todos os componentes dentro do componente estrutural composto 2 são mantidos firmemente em contato uns com os outros, de modo que não podem se mover em relação um ao outro durante o uso, sem o uso de qualquer adesivo (embora isso não exclua o uso de adesivos).

[0036] Em uso, o conector de extremidade 8 entrega uma carga axial para a porção final 5 do membro alongado 3, 4, em que uma carga de compressão é resistida pelo membro de compressão 4 e uma carga de tração é resistida pelo membro de tensão 3. Embora neste exemplo o membro de compressão 4 e o membro de tensão 3 sejam ilustrados como tendo substancialmente a mesma espessura da parede, este, juntamente com a sua rigidez, pode ser ajustado para dar ao componente estrutural de compósito 2 a força de tração e/ou compressão necessária para uma aplicação específica.

[0037] Embora a figura 1 apenas mostre uma porção final 5 numa extremidade do membro alongado 3, 4, entende-se que o componente estrutural de compósito 2 pode ter a mesma estrutura em ambas as extremidades, com um conector de extremidade em qualquer uma das extremidades ou em ambas.

[0038] É observado nas figuras 2A-2E um segundo exemplo de um componente estrutural de compósito 22. O componente estrutural de compósito 22 compreende um conector de extremidade 28 e um membro alongado, o qual em si compreende um membro de compressão 24 e uma tira de tensão 23. O conector de extremidade 28 pode ser um componente metálico, por exemplo, de aço. O conector de extremidade 28 compreende uma primeira extremidade externa que tem a forma abobadada simétrica axial sólida com porções removidas de modo a formar um ilhó cilíndrico com eixo longitudinal perpendicular ao eixo de simetria da abóboda e duas superfícies planas na entrada e saída do ilhó. O conector de extremidade 28 compreende adicionalmente uma segunda extremidade interior, que tem a forma de um cilindro alinhado com o eixo de simetria da abóbada, mas tem um diâmetro menor que o diâmetro externa da abóbada.

[0039] O membro de compressão 24 compreende um cilindro PRFC de filamento enrolado oco com um diâmetro interno que corresponde ao diâmetro da porção do cilindro do conector de extremidade 28. O membro de compressão 24 está posicionado de tal modo que a porção do cilindro do conector de extremidade 28 se estende para dentro da extremidade do membro de compressão 24 de modo que não haja movimento relativo do membro de compressão 24 e do conector de extremidade 28 durante a fabricação ou a uso.

[0040] A tira de tensão do material de compósito (por exemplo, PRFC) 23 passa pela borda do membro de compressão 24 na direção longitudinal, em torno da extremidade curvada do conector de extremidade 28 e de volta pelo lado oposto do membro de compressão 24 na direção longitudinal. Como resultado, o conector de extremidade 28 é limitado entre o membro de compressão 24 e a tira de tensão 23, e uma junta mecânica é formada entre uma porção final 25 do membro alongado 23, 24 e o conector de extremidade 28.

[0041] Enquanto o elemento de compressão tubular 24 pode ser formado utilizando um processo de enrolamento de filamento padrão para incluir fibras de ângulo baixo e ângulo alto, o membro de tensão 23 é preferencialmente formado de fibras 0° que se prolongam axialmente, a fim de maximizar sua resistência à tração.

[0042] Durante a produção, o membro de compressão 24 é pré- carregado com tensão de compressão axial (longitudinal), e a tira de tensão 23 é pré-carregada com tensão de tração. Como resultado, todos os componentes dentro do componente estrutural de compósito 22 são mantidos firmemente em contato uns com os outros, de modo que não podem se mover em relação um ao outro durante o uso sem o uso de qualquer adesivo (embora isso não exclua o uso de adesivos).

[0043] Em uso, o conector de extremidade 28 entrega uma carga axial para a porção final 25 do membro alongado 23, 24, em que uma carga de compressão é resistida pelo membro de compressão 24 e uma carga de tração é resistida pela tira de tensão 23. Neste exemplo, a tira de tensão 23 tem a mesma espessura que a parede do membro de compressão 24, mas tem uma largura que é significativamente menor que a circunferência do membro de compressão 24. A espessura, a largura e a rigidez da tira de tensão 23, e a espessura e a rigidez do membro de compressão 24 podem ser adaptadas para cada aplicação específica, a fim de prover o componente estrutural de compósito 22 com a força de tração e/ou de compressão necessária.

[0044] Embora a figura 2 mostre apenas uma porção final 25 numa extremidade do membro alongado 23, 24, entende-se que o componente estrutural de compósito 22 pode ter a mesma estrutura em ambas as extremidades, com um conector de extremidade em qualquer uma das extremidades ou em ambas. Particularmente, a tira de tensão 23 pode formar um loop contínuo que se estende ao longo do eixo do componente 22 e em torno de um conector de extremidade 28 em cada extremidade do componente 22.

[0045] Nas figuras 3A-3D, é mostrado outro exemplo de um componente estrutural de compósito 32 que compreende um membro alongado e um conector de extremidade 38. O conector de extremidade 28 pode ser um componente metálico, por exemplo, de aço. A tira de tensão do PRFC) compreende uma tira de tensão 33 e um membro de compressão 34 e, de forma semelhante a outros exemplos, uma junta mecânica é formada entre uma porção final 35 do membro alongado e o conector de extremidade 38 devido à tira de tensão 33 e ao elemento de compressão 34 estar em tensão e compressão, respectivamente. Neste exemplo, o diâmetro do elemento de compressão 34 é menor que o do conector de extremidade 38, de modo que a tira de tensão 33 nunca fique em contato com o elemento de compressão 34. O conector de extremidade 38 tem uma forma diferente para acomodar o espaçamento radial entre o membro de compressão 34 e a tira de tensão 33. O diâmetro menor do membro de compressão 34 pode reduzir o peso do componente estrutural de compósito 32 em aplicações para as quais é necessário um grau menor de resistência à compressão.

[0046] Em tal exemplo, um ou mais elementos de reforço 49 podem ser utilizados para mitigar as vibrações da tira de tensão, como se visto nas figuras 4A-4C. Neste exemplo, é mostrado um componente estrutural de compósito 42 que compreende um conector de extremidade 48 e um membro alongado que compreende um tubo de compressão 44 e uma tira de tensão 43. A tira de tensão 43 segue a superfície externa do conector de extremidade 48, mas não se estende da porção final 45 ao longo da superfície do membro de compressão 44. Uma parte tão grande da tira 43 que não é suportada pode levar a vibrações radiais potencialmente prejudiciais da tira de tensão 43, conforme ilustrado pela seta de cabeça dupla na figura 4B. No exemplo ilustrado neste documento, o elemento de reforço 49 compreende um componente anular na forma de um encaixe do tipo de braçadeira colocado em torno do membro de compressão 44 e dois braços que se estendem radialmente que são moldados para restringir a posição radial da tira de tensão 43 em um ponto aproximadamente a meio da estrutura de compósito.

[0047] Nas figuras 3 e 4, todo o componente estrutural de compósito 32, 42 pode ser visto. O mesmo conector de extremidade 38, 48 é provido em ambas as extremidades do componente 32, 42.

[0048] As figuras 5A-5D ilustram outro exemplo de um componente estrutural de compósito 52.O componente estrutural de compósito 52 compreende um conector de extremidade 58 e um membro alongado, o qual compreende em si um membro de compressão 54 e uma tira de tensão 53.

[0049] O conector de extremidade 58 compreende uma tampa externa 57 e uma peça interior 56. O conector de extremidade 58 pode ser um componente metálico, por exemplo, de aço. A tampa externa 57 compreende um cilindro oco com uma extremidade aberta e é axialmente simétrica, enquanto que a peça interior 56 compreende uma porção cilíndrica sólida 56A com um eixo longitudinal perpendicular ao eixo longitudinal do membro de compressão 54. A tampa externa compreende duas seções, uma seção mais larga e uma seção mais estreita em que a seção mais estreita tem um diâmetro externo menor do que a seção mais larga. A porção cilíndrica sólida 56A está ligada numa extremidade a um braço de ligação 56B, o qual, por sua vez, está ligado à tampa externa 57 do conector de extremidade 58. A outra extremidade da porção cilíndrica sólida 56A não está ligada a nada, de modo que a porção cilíndrica 56A e o braço de ligação 56B formem um gancho. Como será explicado a seguir, o gancho da peça interno 56 permite que uma tira de tensão 53 fique ligada ao conector de extremidade 58. O diâmetro interno da tampa externa 57 é substancialmente constante ao longo do seu comprimento e pode ser roscado para permitir a ligação a outros componentes.

[0050] O membro de compressão 54 compreende um cilindro PRFC enrolamento de filamento oco, com um diâmetro interno que é igual ao diâmetro externo da seção mais estreita da tampa externa 57. O membro de compressão 54 é posicionado de tal modo que o conector de extremidade 58 se estende até a extremidade do membro de compressão 54 com apenas a seção mais larga da tampa externa 57 que se estende para além do membro de compressão 54. Isto evita o movimento relativo do membro de compressão 54 e do conector de extremidade 58 durante a fabricação e o uso.

[0051] A tira de tensão do material de compósito (por exemplo, PRFC) 53 fica dentro do membro de compressão 58 e é inteiramente embutido no membro de compressão 54 e pelo conector de extremidade 58. Uma porção da tira de tensão 53 fica em contato com a peça interna 56 do conector de extremidade 58. As porções da tira de tensão 53 que não ficam em contato com a peça interna 56 passam paralelamente à direção longitudinal do membro de compressão 54 e a porção que fica em contato segue a seção transversal cilíndrica da peça interna 56, de modo que a tira de tensão 53 fica ligada ao gancho da peça interior 56. Como resultado, o conector de extremidade 58 é limitado pelo membro de compressão 54 e a tira de tensão 53, e uma junta mecânica é formada entre a porção final 55 do membro alongado 53, 54 e o conector de extremidade 58.

[0052] Durante a produção, o membro de compressão 54 é pré- carregado com tensão de compressão axial (longitudinal), e a tira de tensão 53 é pré-carregada com tensão de tração. Como resultado, todos os componentes dentro do componente estrutural de compósito 52 são mantidos firmemente em contato uns com os outros, de modo que não podem se mover em relação um ao outro durante o uso, sem o uso de qualquer adesivo (embora isso não exclua o uso de adesivos).

[0053] Em uso, o conector de extremidade 58 entrega uma carga axial para a porção final 55 do membro alongado 53, 54, em que uma carga de compressão é resistida pelo membro de compressão 54 e uma carga de tração é resistida pela tira de tensão 53. Neste exemplo, a tira de tensão 53 tem a mesma espessura que a parede do membro de compressão 54, porém tem uma largura que é significativamente menor que a circunferência do membro de compressão 54. A espessura, a largura e a rigidez da tira de tensão 53, e a espessura e a rigidez do membro de compressão 54 podem ser adaptadas para cada aplicação específica, a fim de prover o componente estrutural de compósito 52 com a força de tração e compressão necessária.

[0054] Neste exemplo, a tira de tensão 53 não fica em contato com o membro de compressão 54, isto é, estão radialmente espaçados, mas em outros exemplos a tira de tensão 53 pode ficar em contato com a superfície interior do membro de compressão 54. Nos exemplos em que a tira de tensão 53 não fica em contato com o membro de compressão 54, um ou mais elementos de reforço, embora não ilustrados aqui, podem ser utilizados para mitigar as vibrações da tira de tensão 53 não suportada (por exemplo, como descrito acima).

[0055] Embora a figura 5 mostre apenas uma porção final 55 numa extremidade do membro alongado 53, 54, entende-se que o componente estrutural de compósito 52 pode ter a mesma estrutura em ambas as extremidades, com um conector de extremidade em qualquer uma das extremidades ou em ambas. Particularmente, a tira de tensão 53 pode formar um loop contínuo que se estende ao longo do eixo do componente 52 e em torno de um conector de extremidade 58 em cada extremidade do componente 52.

[0056] Embora não mostrado nas figuras, em qualquer um desses exemplos, o membro de compressão pode ser provido com um anel de aro externo na extremidade que forma a junta mecânica. O anel de aro externo, por exemplo, um anel de metal, pode atuar para resistir à delaminação do material de compósito onde a face final do elemento de compressão é submetida a cargas de compressão.

Claims

1. Componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52), caracterizado pelo fato de que compreende: um membro alongado feito de um material compósito de matriz de polímero, o elemento alongado geralmente se estendendo ao longo de um eixo do componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52) a partir de uma porção final (5, 25, 35, 45, 55) deste, um conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58) que forma uma junta mecânica com a porção final (5, 25, 35, 45, 55); e um membro elastomérico ou de borracha; em que o membro alongado compreende: um primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) se estendendo a partir da porção final (5, 25, 35, 45, 55) ao longo do eixo do componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52) e compreendendo uma face final, o elemento de borracha ou elastomérico disposto em contato com a face final, em que o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) é uma estrutura de filamento enrolado compreendendo múltiplas camadas enroladas em diferentes ângulos; um segundo membro (3, 23, 33, 43, 53) se estendendo a partir da porção final (5, 25, 35, 45, 55) ao longo do eixo do componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52); e em que o conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58) é limitado na porção final (5, 25, 35, 45, 55) pelo primeiro e segundo membros (4, 24, 34, 44, 54; 3, 23, 33, 43, 53), de tal modo que o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) é pré-carregado com uma tensão de compressão na direção axial e o segundo membro (3, 23, 33, 43, 53) é pré-carregado com uma tensão de tração na direção axial, e em que o membro de borracha ou elastomérico está disposto entre o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) e o conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58).

2. Componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) compreende adicionalmente um componente anular externo disposto em contato com uma superfície externa, de modo a circunscrever o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) na face final.

3. Componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) tem simetria axial.

4. Componente estrutural de compósito (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o segundo membro (3) compreende uma abóbada com simetria axial na porção final (5).

5. Componente estrutural de compósito (22, 32, 42, 52) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o segundo membro (23, 33, 43, 53) compreende uma banda de tensão que envolve o conector de extremidade (28, 38, 48, 58) numa direção que é perpendicular ao eixo.

6. Componente estrutural de compósito (22, 32, 42, 52) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tira de tensão forma um loop contínuo se estendendo ao longo do eixo e em torno de um conector de extremidade (28, 38, 48, 58) em cada extremidade do componente estrutural de compósito (22, 32, 42, 52).

7. Componente estrutural de compósito (22, 32, 42) de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o conector de extremidade (28, 38, 48) compreende uma ranhura numa superfície externa se estendendo numa direção perpendicular à direção axial e recebe a tira de tensão.

8. Componente estrutural de compósito (22, 32, 42, 52) de acordo com qualquer uma das reivindicações de 5 a 7, caracterizado pelo fato de que a tira de tensão é feita de um material de compósito de matriz polimérica consistindo em reforço de fibra que se estende em um ângulo de 0 a 5° em relação ao eixo.

9. Método para formar uma junta mecânica para um componente estrutural de compósito (2, 22, 32, 42, 52) que compreende um membro alongado feito de um material de compósito de matriz polimérica, o elemento alongado geralmente se estendendo ao longo de um eixo a partir de uma porção final (5, 25, 35, 45, 55) deste, o método caracterizado pelo fato de que compreende: enrolar fibras ou filamentos em torno de um mandril, a fim de formar o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) do membro alongado; posicionar um conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58) em contato com o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) na porção final (5, 25, 35, 45, 55) do membro alongado de modo a pré-carregar o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) com uma tensão compressiva na direção axial, e dispor um membro de borracha ou elastomérico em contato com uma face final do primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) e entre o primeiro membro (4, 24, 34, 44, 54) e o conector de extremidade (8 , 28, 38, 48, 58); prover um segundo membro (3, 23, 33, 43, 53) do membro alongado em contato com o conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58), a fim de formar uma junta mecânica com a porção final (5, 25, 35, 45, 55); posicionar o conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58) de modo a ser limitado na porção final (5, 25, 35, 45, 55) pelo primeiro e segundo membros (4, 24, 34, 44, 54; 3, 23, 33, 43, 53), e para pré-carregar o segundo membro (3, 23, 33, 43, 53) com uma tensão de tração na direção axial.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que prover o segundo membro (3, 23, 33, 43, 53) compreende enrolar fibras ou filamentos em torno do conector de extremidade (8, 28, 38, 48, 58).

11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que prover o segundo membro (23, 33, 43, 53) compreende a aplicação de uma tira de tensão em torno do conector de extremidade (28, 38, 48, 58).