BR102018005519A2 - conexão de extremidade, componente estrutural compósito, e, método para formar uma conexão de extremidade - Google Patents
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Abstract
uma conexão de extremidade (20) para um componente estrutural compósito (1) feito de um material compósito de matriz de polímero. a conexão de extremidade (20) compreende uma porção de extremidade (1c) numa extremidade do componente estrutural compósito (1) compreendendo uma superfície interna (8) compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma primeira superfície de engate ao longo de uma direção axial (a). a conexão de extremidade (20) também compreende um componente de interface de metal (2) compreendendo uma superfície externa (7) compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma segunda superfície de engate ao longo da direção axial (a) e uma superfície interna (5) definindo uma superfície de montagem para fixação de um acessório de extremidade (6). o componente de interface de metal (2) é engatado com a superfície interna (8) do componente estrutural compósito (1) combinando a primeira e a segunda superfícies de engate. um componente anular externo (3) é encaixado em torno da porção de extremidade (1c) em alinhamento axial com a combinação da primeira e segunda superfícies de engate e este componente anular externo 3 forma um encaixe de interferência com a porção de extremidade (1c) de modo a pré-carregar a conexão de extremidade (20) com forças radiais compressivas.
Description
(54) Título: CONEXÃO DE EXTREMIDADE, COMPONENTE ESTRUTURAL COMPÓSITO, E, MÉTODO PARA FORMAR UMA CONEXÃO DE EXTREMIDADE (51) Int. Cl.: F16C 7/02; B32B 5/02; B32B 1/08 (30) Prioridade Unionista: 31/03/2017 EP 17164427.1 (73) Titular(es): CROMPTON TECHNOLOGY GROUP LIMITED (72) Inventor(es): JAMES BERNARD (85) Data do Início da Fase Nacional:
20/03/2018 (57) Resumo: Uma conexão de extremidade (20) para um componente estrutural compósito (1) feito de um material compósito de matriz de polímero. A conexão de extremidade (20) compreende uma porção de extremidade (1C) numa extremidade do componente estrutural compósito (1) compreendendo uma superfície interna (8) compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma primeira superfície de engate ao longo de uma direção axial (A). A conexão de extremidade (20) também compreende um componente de interface de metal (2) compreendendo uma superfície externa (7) compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma segunda superfície de engate ao longo da direção axial (A) e uma superfície interna (5) definindo uma superfície de montagem para fixação de um acessório de extremidade (6). O componente de interface de metal (2) é engatado com a superfície interna (8) do componente estrutural compósito (1) combinando a primeira e a segunda superfícies de engate. Um componente anular externo (3) é encaixado em torno da porção de extremidade (1C) em alinhamento axial com a combinação da primeira e segunda superfícies de engate e este c(...)
/ 20 “CONEXÃO DE EXTREMIDADE, COMPONENTE ESTRUTURAL COMPÓSITO, E, MÉTODO PARA FORMAR UMA CONEXÃO DE EXTREMIDADE”
Campo da Técnica [001] A presente descrição refere-se a conexões de extremidade compósitas, em particular conexões de extremidade de um componente estrutural compósito produzido a partir de um material compósito de matriz de polímero. Esta descrição diz respeito a conexões de extremidade que podem transmitir cargas axiais para/de um componente estrutural compósito. Antecedentes [002] Os componentes estruturais compósitos são tipicamente produzidos a partir de um material compósito de matriz de polímero, geralmente um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra com o uso de reforço de fibra de vidro e/ou de carbono, por exemplo, polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). Os componentes estruturais compósitos oferecem a oportunidade para soluções de transmissão de carga leves e econômicas. Os maiores benefícios geralmente são alcançados quando o caminho de carga e a geometria são simples. Componentes de transmissão de carga axial, por exemplo, hastes e escoras, são candidatos ideais para material compósito de matriz de polímero, e tais componentes estruturais compósitos são cada vez mais usados em aeronaves comerciais, bem como nas indústrias automotiva e de construção. Esses componentes estruturais compósitos geralmente exigem uma conexão de extremidade com uma forma complexa para fazer interface com outros componentes. Os metais são eficientes em termos de peso e custo para formar uma conexão de extremidade com uma geometria complexa. No entanto, unir um componente estrutural compósito a um componente metálico para formar uma conexão de extremidade representa desafios significativos, especialmente na indústria aeroespacial, em que a junta deve ser formada de maneira robusta e
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 33/59 / 20 certificável.
[003] É conhecida a formação de uma conexão de extremidade de suporte de carga para um componente de material compósito reforçado com fibra com o uso de uma inserção de metal embutida em uma estrutura cilíndrica produzida a partir de um material compósito de matriz de polímero. Para fabricar tal conexão de extremidade, a inserção de metal pode ser posicionada sobre um mandril, e a estrutura de material compósito, então, enrolada em filamento na montagem. Após a cura, o mandril é removido, deixando a inserção de metal embutida na estrutura de material compósito. A inserção de metal pode incluir um furo roscado que fornece um ponto de montagem para fixar a conexão de extremidade a outros componentes para a transmissão de cargas geralmente axiais. Tal conexão de extremidade é vista no documento n° US 6.379.763.
[004] Tal conexão de extremidade se apoia em ondulações em uma superfície de engate entre a inserção de metal e uma superfície interna da estrutura de material compósito. A inserção de metal inclui um corpo alongado com uma pluralidade de ondulações formadas ao longo de seus lados longitudinais. As ondulações entram em contato com as fibras na matriz de polímero da estrutura de material compósito de modo a transmitir cargas da inserção de metal para o corpo da estrutura de material compósito. No entanto, o requerente reconheceu que esse tipo de conexão de extremidade é propenso a danos por gripagem causados por fadiga ou carregamento cíclico, o que pode resultar em falha. À medida que a junta sofre um carregamento axial cíclico, o desgaste do material compósito reforçado com fibra relativamente macia contra as ondulações metálicas é inevitável.
[005] A presente descrição busca fornecer uma conexão de extremidade de um componente estrutural compósito que possa não sofrer desgaste e danos causados por gripagem. A presente descrição também busca fornecer uma conexão de extremidade de um componente estrutural
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 34/59 / 20 compósito que possa ter uma maior razão entre resistência e peso, e uma maior razão entre resistência e custo.
Sumário [006] De acordo com a presente descrição, é fornecido:
Uma conexão de extremidade para um componente estrutural compósito feito de um material compósito de matriz de polímero;
a conexão de extremidade compreendendo:
uma porção de extremidade numa extremidade do componente estrutural compósito compreendendo uma superfície interna compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma primeira superfície de engate ao longo de uma direção axial;
um componente de interface de metal compreendendo uma superfície externa compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma segunda superfície de engate ao longo da direção axial e uma superfície interna definindo uma superfície de montagem para fixação de um acessório de extremidade;
em que o componente de interface de metal é engatado com a superfície interna do componente estrutural compósito combinando a primeira e a segunda superfícies de engate; e um componente anular externo equipado em torno da porção de extremidade em alinhamento axial com a combinação da primeira e da segunda superfícies de engate;
em que o componente anular externo forma um encaixe de interferência com a porção de extremidade de modo a pré-carregar a conexão de extremidade com forças radiais compressivas.
[007] Será apreciado que uma conexão de extremidade de acordo com a presente divulgação aproveita um componente anular externo que forma um encaixe de interferência com a porção de extremidade do componente estrutural compósito de modo a pré-carregar a porção de
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 35/59 / 20 extremidade com forças radiais compressivas. Quando uma carga axial é aplicada à conexão de extremidade durante o serviço, as forças de reação na primeira e na segunda superfícies de engate proporcionam resistência de carga axial (igual ao componente horizontal da força de atrito que é igual à força de reação multiplicada pelo coeficiente de atrito entre o superfícies de engate). Esta resistência de carga axial mitiga o desgaste nas superfícies de engate. O pré-carregamento, portanto, age para proibir movimento relativo entre a primeira e segunda superfícies de engate de modo a evitar danos causados por fricção, especialmente sob carregamento cíclico.
[008] Além disso, será apreciado que o pré-carregamento da conexão de extremidade com forças radiais compressivas resulta em tensão de engate na porção de extremidade do componente estrutural compósito. Como o componente anular externo pré-carrega a junção na compressão de engate, a tensão de engate resultante é mais baixa quando uma carga axial é transmitida pela conexão de extremidade, resultando em uma alta razão de resistência para peso.
[009] Também será reconhecido que o componente anular externo equipado em torno da porção de extremidade pode ser distinguido de uma camada circunferencial de compósito reforçado com fibra que pode ser formada, por exemplo, enrolando uma ou mais camadas de fibra de engate sobre uma conexão de extremidade durante a fabricação da porção de extremidade. Durante o aquecimento e a cura necessários da matriz de polímero reforçada com fibra, qualquer compressão de engate aplicada pela fibra de engate será liberada. Em contraste, um componente anular externo que é aplicado numa etapa de fabricação subsequente para formar um encaixe de interferência com a porção de extremidade pode aplicar forças radiais compressivas e, daí, compressão de engate. Esta pré-carga age, então, para evitar movimentos de fricção quando a conexão de extremidade é submetida a uma tensão axial ou carga de compressão em uso.
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 36/59 / 20 [0010] Ao montar o componente anular externo em torno da porção de extremidade do componente estrutural compósito, o grau de ajuste de interferência pode ser escolhido para aplicar um nível desejado de pré-carga à primeira e à segunda superfícies de engate. O grau de encaixe de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores operacionais, tal como as cargas axiais esperadas ou que se pretende transmitir durante o uso. Além disso, ou, alternativamente, o grau de encaixe de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores estruturais, tal como o diâmetro e/ou a espessura de parede do componente estrutural compósito. Além disso, ou, alternativamente, o grau de encaixe de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores estruturais, tal como o ângulo das nervuras e ranhuras na superfície externa do componente de interface de metal. Além disso, ou, alternativamente, o grau de encaixe de interferência pode ser escolhido levando em consideração fatores que afetam a resistência compressiva radial do componente estrutural compósito, tal como o conteúdo de vazios, a fração volumétrica de fibra, a rigidez de fibra, por exemplo, módulo elástico e/ou disposição selecionada do material compósito de matriz polimérica - um ou mais dos quais podem ditar o nível de pré-carga que pode ser suportada. Em pelo menos alguns exemplos, o componente anular externo forma um encaixe de interferência de cerca de 0,1 mm com a porção de extremidade do componente estrutural compósito. Em exemplos preferidos, o encaixe de interferência é de pelo menos 80 mícrons, de preferência pelo menos 100 mícrons, mais preferencialmente pelo menos 150 mícrons. Esta distância representa a diferença de tamanho (isto é, sobreposição) entre o diâmetro interno do componente anular externo e o diâmetro externo da porção de extremidade.
[0011] O componente anular externo pode assumir qualquer forma adequada desde que ele forme uma estrutura circunferencial contínua em torno da porção de extremidade do componente estrutural compósito. O
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 37/59 / 20 componente anular externo pode ser geralmente de forma cilíndrica. O componente anular externo pode ser sólido ou parcialmente segmentado. Em pelo menos alguns exemplos, o componente anular externo pode assumir a forma de um anel de engate, colar ou luva.
[0012] O componente anular externo pode ser feito de qualquer material rígido adequado que seja capaz de formar e manter um encaixe de interferência com a porção de extremidade do componente estrutural compósito. Em alguns exemplos, o componente anular externo é feito de um material metálico. Em alguns exemplos, o componente anular externo é feito de um material compósito de matriz de polímero, por exemplo, um material polimérico reforçado com fibra. Em alguns exemplos, o componente anular externo pode compreender um ou mais materiais escolhidos de:compósitos de matriz de polímero; metais, ligas (com ou sem reforço de fibras). Em pelo menos alguns exemplos, o componente anular externo pode ser feito de um material mais rígido que o material compósito de matriz polimérica do componente estrutural compósito.
[0013] Em pelo menos alguns exemplos, o componente anular externo pode ser equipado em torno da porção de extremidade em contato direto com o material compósito de matriz polimérica. No entanto, o requerente reconheceu que, tipicamente, um componente projetado para suportar cargas axiais é colocado com reforço de fibra longitudinal (por exemplo, fita de fibra 0°) ou filamento enrolado com fibra de reforço que é enrolada helicoidicamente em um ângulo baixo (por exemplo,8 a 15°), pelo menos nas porções principais do componente estrutural compósito longe da conexão de extremidade. Pode ser desejável fornecer uma camada externa de reforço de fibra que esteja enrolada circunferencialmente em um ângulo alto (por exemplo, 75 a 89°) de modo a ajudar a transmitir a compressão de engate que resulta de pré-carregamento da conexão de extremidade e a tensão de engate que resulta de cargas de tensão axial/compressivas aplicadas à conexão de
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 38/59 / 20 extremidade durante o serviço. Em pelo menos alguns exemplos, a porção de extremidade do componente estrutural compósito compreende uma camada de reforço de fibra circunferencial em torno da qual o componente anular externo é instalado. O reforço de fibra circunferencial de preferência compreende fibras enroladas em ângulos de 75-89° em torno da direção axial. Esta camada de reforço de fibra circunferencial também pode estar em alinhamento axial com a combinação da primeira e da segunda superfícies de engate. Essas fibras de engate também podem ser benéficas durante um processo de enrolamento de filamento usado para formar o componente estrutural compósito, uma vez que o reforço de fibra circunferencial pode preencher quaisquer fendas resultantes da superfície interna compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras. Após a cura do componente estrutural compósito, a camada de reforço de fibra circunferencial pode ser usinada de novo para formar uma superfície externa não ondulada à qual o componente anular externo pode ser instalado. Tais etapas de fabricação são divulgadas em detalhes adicionais abaixo.
[0014] Como é discutido acima, o componente anular externo aplica uma compressão de engate que pode neutralizar as tensões de engate geradas no componente estrutural compósito quando a conexão de extremidade é submetida a tensão axial e/ou compressão em uso. . A fim de que as forças radiais compressivas pré-carregadas sejam convertidas em forças de reação e fricção nas superfícies de engate, as ranhuras e nervuras devem se estender cada uma pelo menos parcialmente com um ângulo θ em relação à direção axial da superfície de engate onde 0 <θ <90 °. As nervuras e ranhuras podem ser anguladas ou onduladas, por exemplo. Um benefício adicional do componente anular externo agindo para pré-carregar a porção de extremidade é que o ângulo das nervuras e ranhuras pode ser feito mais baixo, embora ainda fixando o componente de interface de metal na superfície interna do componente estrutural compósito combinando a primeira e a segunda
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 39/59 / 20 superfícies de engate. Um ângulo mais baixo para as nervuras e ranhuras definindo a primeira superfície de engate significa que o componente estrutural compósito, em particular um componente de material reforçado com fibra e especialmente um componente enrolado de filamento, pode ser fabricado com melhor consistência e qualidade de laminado. Por sua vez, isto resulta em resistência axial mais alta para o componente estrutural compósito. Em alguns exemplos preferidos, as nervuras e ranhuras definindo a primeira e/ou a segunda superfícies de engate se estendem num ângulo θ em relação à direção axial da primeira e/ou segunda superfície de engate, em que θ < 20°. Mais preferencialmente, as nervuras e ranhuras definindo a primeira e/ou segunda superfícies de engate se estendem num ângulo θ de cerca de 15°. Tais ângulos baixos ajudam com o enrolamento e a qualidade de laminado para um componente estrutural compósito enrolado por filamento, por exemplo, feito de CFRP. As nervuras e ranhuras podem ter qualquer perfil angulado adequado na direção axial, por exemplo, cada nervura e ranhura tendo uma forma geralmente triangular ou senoidal em seção transversal.
[0015] Será apreciado que a função das nervuras e ranhuras que definem a primeira e a segunda superfícies de engate é proporcionar um intertravamento positivo que fixe o componente de interface de metal na superfície interna do componente estrutural compósito. A combinação da primeira e da segunda superfícies de encaixe proporciona um engate de fricção. Quando uma carga axial é aplicada na conexão de extremidade ela é transmitida pelas nervuras e ranhuras de intertravamento. Em exemplos preferidos, as nervuras e as ranhuras não assumem a forma de estrias axiais, como seria usado para transmissão de torque. Nos exemplos preferidos, as nervuras e ranhuras assumem a forma de nervuras e ranhuras circunferenciais, de modo a auxiliarem na transmissão de carga axial. Em alguns exemplos, as nervuras e ranhuras podem assumir a forma de dentes circunferenciais. Em alguns exemplos, as nervuras e sulcos podem assumir a forma de roscas
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 40/59 / 20 helicoidais. Tais roscas helicoidais podem circunscrever um eixo longitudinal dos componentes em qualquer ângulo.
[0016] O Requerente percebeu que pode ser desejável aumentar o coeficiente de atrito entre a primeira e a segunda superfícies de engate, daí, para uma dada força compressiva radial pré-carregada, mais resistência axial quando o acessório de extremidade experimentar uma carga axial durante o serviço. Em alguns exemplos, a conexão de extremidade pode compreender uma camada de material de borracha ou elastômero entre a primeira e a segunda superfícies de engate. Obviamente, outro material de alta fricção pode ser usado em vez disso.
[0017] A superfície interna da porção de extremidade do componente estrutural compósito que transporta a pluralidade de nervuras e ranhuras pode ser uma superfície circunferencial ou cônica. A superfície interna pode se estender geralmente paralela a um eixo longitudinal do componente estrutural compósito, ou a superfície interna pode afunilar globalmente em relação ao eixo longitudinal do componente estrutural compósito. Da mesma forma, a superfície externa do componente de interface de metal que carrega a pluralidade de nervuras e ranhuras pode ser uma superfície circunferencial ou cônica. A superfície externa pode se estender geralmente paralela a um eixo longitudinal do componente de interface de metal ou a superfície externa pode estreitar em relação ao eixo longitudinal do componente de interface de metal. De preferência, a superfície interna do componente estrutural compósito e a superfície externa do componente de interface de metal coincidem substancialmente na conexão de extremidade. É claro que o componente estrutural compósito pode ter uma superfície interna que continua além do componente de interface de metal da conexão de extremidade.
[0018] Para facilidade de fabricação, especialmente para um componente estrutural compósito enrolado de filamento (por exemplo, feito de CFRP), pode ser desejável que o componente de interface de metal tenha
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 41/59 / 20 um diâmetro interno que combine substancialmente com, ou seja ligeiramente maior que, o diâmetro interno do componente estrutural compósito longe da conexão de extremidade. Isto significa que o componente de interface de metal pode ser colocado no mesmo mandril que o componente estrutural compósito durante um processo de enrolamento de filamento e incorporado no componente estrutural compósito para formar a conexão de extremidade. Assim, em alguns exemplos preferidos, um componente estrutural compósito compreende a porção de extremidade como revelado acima e uma porção principal, em que a porção de extremidade tem um primeiro diâmetro interno e a porção principal tem um segundo diâmetro interno menor que o diâmetro interno que combina substancialmente com o diâmetro interno do componente de interface de metal. Em pelo menos alguns exemplos, a superfície interna do componente estrutural compósito estreita radialmente para dentro da porção de extremidade para a porção principal. Alternativamente, ou adicionalmente, a superfície interna do componente estrutural compósito pode ser escalonada entre a porção final e a porção principal.
[0019] Em alguns exemplos preferidos, o componente de interface de metal tem um diâmetro interno que combina substancialmente com o segundo diâmetro interno da porção principal do componente estrutural compósito. Mais preferencialmente, o diâmetro interno do componente de interface de metal é substancialmente constante. O diâmetro interno pode ser definido pela superfície de montagem que fornece fixação de um acessório de extremidade. Isto significa que o componente de interface de metal é bem adequado para ser montado em um mandril, de modo que o componente estrutural compósito possa ser formado em torno do componente de interface de metal em um processo de enrolamento de filamento. Em pelo menos alguns exemplos, a superfície exterior do componente de interface de metal compreende uma porção afunilada e uma porção de engate compreendendo a pluralidade de nervuras e ranhuras, em que a porção afunilada afunila radialmente para fora
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 42/59 / 20 a partir de uma extremidade do componente de interface de metal para a porção de engate. A porção de engate pode compreender a segunda superfície de engate.
[0020] Será entendido que de preferência o componente de interface de metal é fixado permanentemente na superfície interna do componente estrutural compósito na conexão de extremidade. Assim, o componente de interface de metal aqui descrito pode ser distinguido de um acessório de extremidade removível que pode ser montado e desmontado de uma conexão de extremidade. Em alguns exemplos preferidos, o componente de interface de metal é incorporado na conexão de extremidade durante a fabricação, como será descrito mais adiante.
[0021] É aqui divulgada uma conexão de extremidade de um componente estrutural compósito, também conhecida como uma junta. Esta conexão de extremidade ou junta pode ser usada para fixar um acessório de extremidade ao componente estrutural compósito. Em vários exemplos, a presente divulgação se estende para uma conexão de extremidade, ou um componente estrutural compósito, compreendendo um acessório de extremidade fixado à superfície de montagem do componente de interface de metal. Consequentemente, um acessório de extremidade pode ser fixado a uma porção de extremidade do componente estrutural compósito e cargas axiais, sejam em tensão ou compressão, transmitidas através da conexão de extremidade. O acessório de extremidade é tipicamente metálico, embora ele possa ser formado de qualquer material adequado. O acessório de extremidade pode ser um componente de metal. O acessório de extremidade pode ser qualquer prendedor mecânico adequado, por exemplo, uma extremidade de haste, uma forquilha, um encaixe. A superfície de montagem do componente de interface de metal pode compreender uma rosca para fixação de parafuso de um acessório de extremidade. É claro que podem ser fornecidas outras formas de fixação em vez de, por exemplo, uma fixação de
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 43/59 / 20 baioneta.
[0022] O componente estrutural compósito pode compreender uma conexão de extremidade como aqui divulgada em uma ou ambas as extremidades. Em vários exemplos, o componente estrutural compósito é substancialmente cilíndrico. Um componente estrutural compósito como aqui divulgado pode ser um suporte (por exemplo, projetado para resistir a compressão longitudinal) ou uma haste (por exemplo, projetado para resistir a tensão longitudinal). Em alguns exemplos preferidos, o componente estrutural compósito é uma haste de pistão, por exemplo, uma haste de pistão para um atuador hidráulico ou elétrico. O componente estrutural compósito pode assumir a forma de qualquer viga ou tubo de transporte de carga axial.
[0023] Um componente estrutural compósito como aqui divulgado pode ser feito de qualquer material compósito de matriz polimérica adequado. O material compósito de matriz polimérica é de preferência um material compósito de matriz polimérico 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 (CFRP). Tais materiais são inerentemente resistentes à corrosão e proporcionam uma grande economia de peso e um desempenho de fadiga melhorado.
[0024] O componente estrutural compósito pode ser feito usando qualquer técnica de fabricação adequada. Um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra pode ser formado por tranças, colocação automática de fibra (AFP), técnicas de enrolamento prepreg ou métodos de pultrusão. No entanto, em exemplos preferidos, o componente estrutural compósito é uma estrutura enrolada de filamento. Técnicas de enrolamento de filamento são particularmente bem adequadas para fabricar componentes estruturais compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). [0025] Um componente estrutural compósito enrolado de filamento
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 44/59 / 20 pode ser formado de modo a otimizar sua resistência axial em ambas tensão e compressão. Num processo típico de enrolamento de filamento para um componente de transmissão de força axial, fibras de carbono ou de vidro são enroladas em torno de um mandril de forma helicoidal. Para resistência à tração, as fibras são enroladas em ângulos próximos de 0° em pelo menos algumas das camadas. Para a resistência compressiva, as fibras são enroladas em ângulos próximos de 90° em pelo menos algumas das camadas. Consequentemente, um componente estrutural compósito como aqui divulgado pode ser um componente enrolado de filamento compreendendo uma ou mais camadas de fibra de ângulo baixo (por exemplo, fibras em ângulos de 8 a 15° na direção axial) e uma ou mais camadas de fibra de alto ângulo (por exemplo, fibras em ângulos de 75 a 89° na direção axial). Em outros exemplos, um componente estrutural compósito como aqui divulgado pode ser formado por trança ou colocação de fibra automatizada (AFP).
[0026] Deve ser entendido que a conexão de extremidade compreende uma porção de extremidade do componente estrutural compósito. Outras porções do componente estrutural compósito, por exemplo, aquelas porções que não estão em alinhamento axial com a conexão de extremidade e seus componentes, 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 luva interna de metal ou borracha e/ou outro reforço de engate (na forma de fibras enroladas de engate ou um anel separado feito de material compósito ou metálico).
[0027] De acordo com a presente divulgação ainda é fornecido: Um método para formar uma conexão de extremidade para um componente estrutural compósito feito de um material compósito de matriz de polímero, o método compreendendo:
fornecer um componente de interface de metal compreendendo
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 45/59 / 20 uma superfície externa compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma superfície de engate ao longo da direção axial e uma superfície interna definindo uma superfície de montagem para fixação de um acessório de extremidade;
formar uma porção de extremidade do componente estrutural compósito em torno da superfície de engate do componente de interface de metal de modo que o componente de interface de metal seja engatado com uma superfície interna do componente estrutural compósito em uma extremidade do componente estrutural compósito; e encaixar um componente anular externo em torno da porção de extremidade em alinhamento axial com a superfície de engate de modo a formar um encaixe de interferência com a porção de extremidade e précarregar a conexão de extremidade com forças radiais compressivas.
[0028] Será apreciado que a etapa de formar o componente estrutural compósito compreenderá tipicamente aquecer/curar o material compósito de matriz de polímero. Consequentemente, o componente anular externo é encaixado em torno do componente estrutural compósito numa etapa de fabricação subsequente. Como é discutido acima, o encaixe do componente anular externo em torno do componente estrutural compósito pode incluir a escolha do grau de ajuste de interferência de modo a aplicar um nível desejado de pré-carga na superfície de engate. A escolha do grau de encaixe de interferência pode levar em consideração fatores operacionais, tal como as cargas axiais esperadas ou que se pretende transmitir pela conexão de extremidade durante o uso. Além disso, ou, alternativamente, a escolha do grau de encaixe de interferência pode levar em consideração fatores estruturais, tal como o diâmetro e/ou a espessura de parede do componente estrutural compósito. Além disso, ou, alternativamente, a escolha do grau de encaixe de interferência pode levar em consideração fatores estruturais, tal como o ângulo das nervuras e ranhuras na superfície externa do componente
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 46/59 / 20 de interface de metal. Além disso, ou, alternativamente, a escolha do grau de encaixe de interferência pode levar em consideração fatores que afetam a resistência compressiva radial do componente estrutural compósito, tal como o conteúdo de vazios, a fração volumétrica de fibra, a rigidez de fibra, por exemplo, módulo elástico e/ou disposição selecionada do material compósito de matriz de polímero. Em pelo menos alguns exemplos, o encaixe do componente anular externo em torno do componente estrutural compósito podei incluir formar um encaixe de interferência de cerca de 0,1 mm com o componente estrutural compósito. Em exemplos preferidos, o encaixe de interferência é de pelo menos 80 mícrons, de preferência pelo menos 100 mícrons, mais preferencialmente pelo menos 150 mícrons. Esta distância representa a diferença de tamanho (isto é, sobreposição) entre o diâmetro interno do componente anular externo e o diâmetro externo da porção de extremidade.
[0029] Métodos de acordo com a presente divulgação podem ser realizados utilizando qualquer técnica de fabricação adequada. Um material compósito de matriz de polímero reforçado com fibra pode ser formado por tranças, colocação automática de fibra (AFP), técnicas de enrolamento prepreg. No entanto, em exemplos preferidos, a formação do componente estrutural compósito compreende enrolar filamentos. Técnicas de enrolamento de filamento são particularmente bem adequadas para fabricar componentes estruturais compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). [0030] Em pelo menos alguns exemplos, o material compósito de matriz de polímero compreende polímero reforçado com fibras e o método compreende ainda: fornecer o componente de interface de metal em um mandril; e enrolar fibras de vidro ou carbono em torno do mandril para formar o componente estrutural compósito e incorporar o componente de interface de metal na porção de extremidade do componente estrutural compósito. Mais preferencialmente, a formação do componente estrutural compósito
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 47/59 / 20 compreende enrolar uma ou mais camadas de fibras de vidro ou de carbono em torno do mandril em um ângulo baixo θ (por exemplo, 8° < θ< 15°) e enrolar uma ou mais camadas de fibras de vidro ou carbono em torno do mandril em um ângulo alto θ (por exemplo, 75° < θ< 89°).
[0031] Como é mencionado acima, pode ser desejável proporcionar uma camada externa de reforço de fibra que seja enrolada circunferencialmente de modo a ajudar a transmitir compressão de encaixe aplicada pelo componente anular externo. Por conseguinte, o método pode compreender ainda: circunferencialmente enrolar fibras de vidro ou carbono em torno da porção de extremidade do componente estrutural compósito em alinhamento axial com a superfície de engate de modo a formar uma ou mais camadas de reforço de fibra de encaixe. Enrolamento de filamento ou AFP pode ser usado para isto. Um benefício adicional de tal etapa de fabricação é que o reforço de fibra de encaixe pode preencher as fendas entre as nervuras e ranhuras que inevitavelmente serão formadas no componente estrutural compósito onde ele foi enrolado em torno do componente de interface de metal. Após curar o componente estrutural compósito, a camada de reforço de fibra circunferencial pode ser usinada de novo de modo a formar uma superfície externa substancialmente plana (isto é, não ondulada) em torno da qual o componente anular externo pode, então, ser instalado. Por conseguinte, o método pode compreender ainda: curar o componente estrutural compósito; e remover pelo menos parte da camada de reforço de fibra de engate antes de montar o componente anular externo. A etapa de remover pelo menos parte da camada de reforço de fibra de encaixe pode compreender qualquer técnica adequada, por exemplo, usinagem, esmerilhamento, abrasão, etc.
[0032] Em vários exemplos da presente divulgação, o método pode ainda compreender fixar um encaixe de extremidade à superfície de montagem do componente de interface de metal. A etapa de fixar o encaixe de extremidade pode ocorrer durante a fabricação da conexão de extremidade.
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Alternativamente, a etapa de fixar o acessório de extremidade pode ocorrer em um ponto no tempo posterior, por exemplo, durante o uso do componente estrutural compósito para transmitir cargas de tensão/compressão axiais. Descrição Detalhada [0033] Um ou mais exemplos não limitantes serão agora descritos, a título de exemplo apenas, e com referência às figuras anexas nas quais:
A Figura 1 mostra uma junta de extremidade de uma haste compósita de acordo com um exemplo típico daqueles encontrados na técnica anterior; e
A Figura 2 é um exemplo de uma conexão de extremidade para um componente estrutural compósito de acordo com a presente divulgação.
[0034] Com referência, em primeiro lugar, à Figura 1, uma seção transversal de uma junta de extremidade de uma haste compósita 76 é mostrada de acordo com um exemplo típico daqueles encontrados na técnica anterior, compreendendo uma seção principal de uma haste 55, uma porção de articulação ondulada 90 e uma inserção embutida 10b. A seção de haste principal 55 afunila para dentro em direção à porção de articulação ondulada de diâmetro substancialmente constante na sua extremidade 90. O diâmetro externo da inserção embutida 10b combina com as ondulações da haste e uma porção do seu diâmetro interno é roscada 24 apropriada para fixar o conjunto a outras estruturas. Um invólucro 88 preenche os canais anulares na porção de articulação 90 enrolando camadas de fibras de encaixe sobre o conjunto antes de aquecer/curar o material de resina.
[0035] A Figura 2 mostra um exemplo de acordo com a presente divulgação, em que um componente estrutural compósito (por exemplo, compósito reforçado com fibra de carbono) compreende uma haste compósita 1 que, por sua vez, compreende uma porção principal 1A, uma porção afunilada 1B e uma porção de extremidade 1C. A porção de extremidade 1C
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 49/59 / 20 tem uma superfície interna 8 compreendendo uma série de nervuras e ranhuras que se estendem num ângulo θ em relação à direção axial A geralmente definida pela superfície interna 8. As nervuras e as ranhuras se estendem circunferencialmente em torno da direção axial A. A haste compósita 1 pode assumir a forma de um tubo.
[0036] Uma conexão de extremidade 20 para a haste compósita 1 compreende a porção de extremidade 1C e uma inserção de metal embutida 2, que está posicionada no interior da porção afunilada 1B e a porção de extremidade 1C da haste compósita 1. A inserção de metal incorporada 2 tem um diâmetro interno constante ao longo do seu comprimento igual ao diâmetro interno da porção de haste principal 1A e uma superfície externa 7 que segue o afunilamento da porção afunilada 1B e compreende uma série de nervuras e ranhuras que combinam com as nervuras e ranhuras da porção de extremidade 1C. A superfície externa 7 da inserção de metal incorporada 2 combina com a superfície interna 8 da haste compósita 1, de modo que a inserção de metal embutida 2 seja engatada com a superfície interna 8 da haste compósita 1. A superfície externa 7 e a superfície interna 8 são primeira e segunda superfícies de engate da conexão de extremidade 20.
[0037] O diâmetro interno da inserção 2 é igual ou ligeiramente maior que o diâmetro interno da seção principal 1A da haste compósita 1. Uma superfície de montagem 5 definida por uma superfície interna da inserção embutida 2 é roscada, neste exemplo, para permitir a fixação a um acessório de extremidade adequadamente roscado 6, por exemplo, uma extremidade de haste, conforme ilustrado aqui. Claro, a superfície de montagem 5 poderia assumir outras formas.
[0038] As fibras de engate 4 são enroladas circunferencialmente em torno da porção de extremidade 1C e, subsequentemente, um anel de engate 3 é encaixado num ajuste de interferência sobre as fibras de engate 4 e a porção de extremidade 1C, de modo que a porção de extremidade 1C da haste
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 50/59 / 20 compósita 1 seja pré-carregada com forças radiais de compressão, resultando em compressão de engate. A compressão da conexão de extremidade 20 resulta numa força de contato normal maior entre a haste 1 e a inserção 2, de modo que a força de fricção resistindo ao movimento relativo da superfície externa 7 da inserção embutida 2 e da superfície interna 8 da porção de extremidade 1C seja melhorada. Uma maior capacidade para resistir a movimento relativo minimiza o desgaste quando a haste 1 é colocada sob tensão ou compressão axial.
[0039] Quando o acessório de extremidade 6 é colocado sob carga de tração na direção axial, a porção roscada 5 age para transferir esta carga para a inserção embutida 2. As nervuras e ranhuras da porção de extremidade 1C na superfície 8 e as nervuras e ranhuras associadas na superfície 7 da inserção embutida 2 transferem esta força axial para a haste compósita 1 e, ao fazê-lo, produzem uma força de engate de tração na porção de extremidade 1C da haste 1. O pré-carregamento compressivo da porção de extremidade 1C pelo anel de engate 3 permite que uma carga axial maior seja transferida para a haste 1 antes de ocorrer uma falha devido à força de engate excessiva do que se não houvesse nenhum pré-carregamento. Da mesma forma, o précarregamento compressivo realizado pelo anel de engate 3 permite que uma carga axial compressiva maior seja colocada no acessório de extremidade 6 antes da falha da haste 1.
Exemplo [0040] Um componente estrutural compósito na forma de uma haste ou suporte é bem adequado para requisitos de carga axial estática e de fadiga alta, tipicamente na faixa de 50 kN e acima.
[0041] Para um requisito de carga axial de 250 kN, o diâmetro interno da haste compósita pode ser de 45 mm com uma espessura de parede de 3 mm. Três nervuras afuniladas com um ângulo de afunilamento θ de 15 ° são formadas na superfície de engate com uma inserção de metal, para facilitar a
Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 51/59 / 20 fabricação da haste e, daí, a qualidade do laminado. O pré-carregamento compressivo da conexão de extremidade é conseguido usando um encaixe de interferência de aproximadamente 0,1-0,15 mm entre o anel de engate e a superfície de haste compósita usinada. Sem este pré-carregamento compressivo, tensões de engate de tração significativas resultariam em cargas de tensão e compressão axiais de 50-250 Kn.
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Claims (15)
- REIVINDICAÇÕES1. Conexão de extremidade para um componente estrutural compósito feito de um material compósito de matriz de polímero;a conexão de extremidade caracterizada pelo fato de que compreende:uma porção de extremidade numa extremidade do componente estrutural compósito compreendendo uma superfície interna compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma primeira superfície de engate ao longo de uma direção axial;um componente de interface de metal compreendendo uma superfície externa compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma segunda superfície de engate ao longo da direção axial e uma superfície interna definindo uma superfície de montagem para fixação de um acessório de extremidade;em que o componente de interface de metal é engatado com a superfície interna do componente estrutural compósito combinando a primeira e a segunda superfícies de engate; e um componente anular externo equipado em torno da porção de extremidade em alinhamento axial com a combinação da primeira e da segunda superfícies de engate;em que o componente anular externo forma um encaixe de interferência com a porção de extremidade de modo a pré-carregar a conexão de extremidade com forças radiais compressivas.
- 2. Conexão de extremidade de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o componente anular externo forma um encaixe de interferência de cerca de 0,1 mm com a porção de extremidade do componente estrutural compósito.
- 3. Conexão de extremidade de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a porção de extremidade compreende umaPetição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 53/592 / 4 camada de reforço de fibra circunferencial em torno da qual o componente anular externo é instalado.
- 4. Conexão de extremidade de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que as nervuras e ranhuras definindo a primeira superfície de engate se estendem num ângulo θ em relação à direção axial da primeira superfície de engate, em que θ < 20°.
- 5. Conexão de extremidade de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma camada de material de borracha ou elastômero entre a primeira e a segunda superfícies de engate.
- 6. Componente estrutural compósito, caracterizado pelo fato de que compreende uma conexão de extremidade de qualquer reivindicação anterior, em que o componente estrutural compósito compreende a porção de extremidade e uma porção principal;em que a porção de extremidade tem um primeiro diâmetro interno e a porção principal tem um segundo diâmetro interno menor que o diâmetro interno que combina substancialmente com o diâmetro interno do componente de interface de metal.
- 7. Componente estrutural compósito de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a superfície interna do componente estrutural compósito se estreita radialmente para dentro da porção de extremidade para a porção principal.
- 8. Conexão de extremidade ou componente estrutural compósito de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que a superfície externa do componente de interface de metal compreende uma porção afunilada e uma porção de engate compreendendo a pluralidade de nervuras e ranhuras, em que a porção afunilada afunila radialmente para fora a partir de uma extremidade do componente de interface de metal para a porção de engate.Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 54/593 / 4
- 9. Conexão de extremidade ou componente estrutural compósito de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um acessório de extremidade fixado à superfície de montagem do componente de interface de metal.
- 10. Método para formar uma conexão de extremidade para um componente estrutural compósito feito de um material compósito de matriz de polímero, o método caracterizado pelo fato de que compreende:fornecer um componente de interface de metal compreendendo uma superfície externa compreendendo uma pluralidade de nervuras e ranhuras definindo uma superfície de engate e uma superfície interna definindo uma superfície de montagem para fixação de um acessório de extremidade;formar uma porção de extremidade do componente estrutural compósito em torno da superfície de engate do componente de interface de metal de modo que o componente de interface de metal seja engatado com uma superfície interna do componente estrutural compósito em uma extremidade do componente estrutural compósito; e encaixar um componente anular externo em torno da porção de extremidade do componente estrutural compósito em alinhamento axial com a superfície de engate de modo a formar um encaixe de interferência com a porção de extremidade e pré-carregar a conexão de extremidade com forças radiais compressivas.
- 11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o material compósito de matriz de polímero compreende polímero reforçado com fibra, o método caracterizado pelo fato de que compreende ainda:fornecer o componente de interface de metal em um mandril; e enrolar fibras de vidro ou carbono em torno do mandril para formar o componente estrutural compósito e incorporar o componente dePetição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 55/59 interface de metal na porção de extremidade do componente estrutural compósito.
- 12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a formação do componente estrutural compósito compreende enrolar fibras de vidro ou de carbono em torno do mandril em um ângulo baixo θ (por exemplo,8° < θ< 15°) e enrolar uma ou mais camadas de fibras de vidro ou carbono em torno do mandril em um ângulo alto θ (por exemplo,75° < θ< 89°).
- 13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda circunferencialmente enrolar fibras de vidro ou carbono em torno da porção de extremidade do componente estrutural compósito em alinhamento axial com a superfície de engate de modo a formar uma ou mais camadas de reforço de fibra de encaixe.
- 14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreendendo ainda curar o componente estrutural compósito; e remover pelo menos parte da(s) camada(s) de reforço de fibra de engate antes de montar o componente anular externo.
- 15. Método de acordo com qualquer das reivindicações 10 a 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda fixar um acessório de extremidade à superfície de montagem do componente de interface de metal.Petição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 56/591/2 χ>bOPetição 870180022482, de 20/03/2018, pág. 57/592/2
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