CN101300124A - 具有球状物的由复合材料制成的纵梁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由复合材料制成且特别是由在航空工业中使用的材料制成的纵梁，所述纵梁用于加强由复合材料制成的面板，并且由用于与面板连接的脚部(15)和结构构件(13、23、33)形成，所述结构构件具有嵌入在与脚部(15)相对的端部处的结构加强件(17、27、37)，所述结构加强件由与所述纵梁相同的材料的高模量单向纤维制成或者由与所述纵梁相容的其它材料的高模量单向纤维制成。本发明还涉及一种制造所述纵梁的方法。

Description

具有球状物的由复合材料制成的纵梁
技术领域
本发明涉及具有T形、J形或I形形状的由复合材料(碳纤维或玻璃纤维，带有热固性或热塑性树脂)制成的纵梁，所述纵梁用于加强由复合材料制成且更具体地由在航空工业中使用的材料制成的面板。
背景技术
纵梁用于获得这样的面板，所述面板能够在该面板的平面上支承负载(尤其是压缩负载和剪切负载)而不必增加所述面板的厚度。这些纵梁给面板提供足够的刚性以在不显著增加结构重量的情况下支承负载。
当纵梁由复合材料制成时，所述纵梁最常用的形状通常是T形、C形、Ω形、I形、J形和U形。
为了制造T形纵梁(见图1)，首先制成平面层叠件，然后使所述层叠件成形以获得L形轮廓。在将L形轮廓粘合到一起之后，获得T形构造。另一种可能性(见图2)是使层叠件成形以获得C形轮廓。通过将两个C形轮廓粘合到一起并将其切割成两半来获得T形构造。
在这些由平面层叠件制成的纵梁中，无法增加离脚部最远的区域(提供较大的惯性)的材料的刚性(弹性模量，E)来提供更大的刚性(EI)，由于腹板稳定性问题导致也无法无限地增加纵梁的高度。因此，增加抗挠刚度(EI)的唯一途径是增加纵梁的厚度(因而增加了重量)。
此外，在这些通过将两个轮廓粘合到一起制成的纵梁中，腹板的头部非常易损坏，这是因为可能会发生脱层，从而使两个L形轮廓(或两个C形轮廓)分离。
存在其它制造T形纵梁的方法(见图3)，其中，解决了易于损坏的问题，该方法包括步骤：将层叠件形成为两半来获得T形，而不必将L型轮廓粘合到一起。然而，所述方法并没有设法解决在不增加整个纵梁厚度的情况下增加在最远离脚部的区域中的材料的刚性(弹性模量，E)的缺点。
没有解决的另一问题如下：考虑到可修性，纵梁的脚部必须足够宽，使得在没有显著增加惯性的情况下增加所述纵梁的重量。
I形纵梁(见图4)是更有效的，但所述纵梁的制造工艺复杂。必须将两个C形纵梁粘合到一起并在脚部和头部处以0°用条带加强以防止剥离，这使得纵梁的制造进一步复杂化，此外，对I形纵梁的边缘的损坏的耐受性问题以及增加脚部厚度以增加纵梁刚性的问题没有被解决。
如同T形纵梁的情况，存在不必粘合C形轮廓的制造I形纵梁的方法(通过弯曲/成形进行制造的方法)(见图5)，但是也没有解决在不增加纵梁厚度的情况下增加离脚部最远的区域中的抗挠刚度(EI)的问题。
Ω形纵梁提供足够的抗扭刚度，但是Ω形纵梁的组装复杂。因为需要用于Ω形纵梁的制造的工具，所以Ω形纵梁增加了设备成本，并且对内部区域可检测性和可修性增加了另外的问题。
J形纵梁(见图6)没有I形纵梁有效，此外，J形纵梁的制造工艺更复杂。
必须指出，在所提及的纵梁中的一些纵梁的制造工艺中，通常在腹板和凸缘连接区域中添加粗纱(roving)(0°单向扭曲的丝束)。该粗纱没有结构负担，粗纱的目的只是填充在产生于这些部分中的间隙中，从而防止产生树脂集流点。也有这样的获得T形纵梁的方法，其中，在不增加整个纵梁的厚度的情况下解决了增加离脚部最远的区域中的材料的刚性(弹性模量，E)的缺点。这些方法包括在L形轮廓之间引入多个由复合材料制成的层片(见图7)。
在不增加纵梁的脚部厚度的情况下，利用这些方法可以增加纵梁腹板的弹性模量，但是没有解决易于损坏的问题；事实上情况更糟，因为这种构造易于脱层的区域具有两个接合处，使得发生脱层的可能性增加。
发明内容
本发明提出了一种由复合材料(具有热固性或热塑性树脂的碳纤维或玻璃纤维)制成的纵梁，用于加强由复合材料制成的面板，所述纵梁由与面板连接的脚部和结构构件或腹板形成，所述结构构件或腹板在与脚部相对的端部上和材料的层片之间包括结构加强件，所述结构加强件由与纵梁相同的材料或者与纵梁相容的材料的高模量单向纤维形成。
对于本发明，纵梁必需被理解为指任何纵向件的飞机部件，例如，条杆或加强件。
所述结构加强件包括高模量层叠件或者包封、插入或夹置在已经形成的纵梁边缘中的结构构件，以最佳化或提供更大的抵抗性或加强能力。
纵梁尤其可具有T形、J形和I形形状，并且在所有这些情况下，结构构件的端部具有球状物形状，且复合材料的层片包围加强件。这个球状物提供了具有比传统的纵梁更大的刚性且更抗破坏的纵梁，并实现了重量减小。
本发明还提供了一种制造具有上述特征的带有球状物的纵梁的方法，所述方法包括下列步骤：
a)提供由复合材料制成的平面层叠件，所述层叠件由碳纤维或玻璃纤维的层片形成且具有热固性或热塑性树脂；
b)根据所需的纵梁形状，通过适当的方法(压制、辊制、膨胀工具等...)和方式(连续地、半连续地等...)使所述层叠件成形；
c)用适当的装置引入加强件，以改变纵梁的宽度和形状以及纵梁的高度；以及
d)无论纵梁是恒定的截面还是变化的截面都使纵梁获得最佳的最终形状。
从下面结合附图对示例性实施例的详细描述中，将理解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1-7是现有技术中公知的为T形、I形和J形的纵梁的横截面图以及示意性示出了所述纵梁的制造过程的图式；
图8、图9和图10分别是根据本发明的为T形、I形和J形的纵梁的横截面图；
图11示出了获得根据本发明的纵梁的过程；以及
图12和图13示出了根据本发明的纵梁与公知的T形纵梁的比较。
优选实施方式
首先将讨论T形纵梁11。
这些纵梁11由下面的部分形成：腹板13，腹板13是垂直于纵梁11的脚部(或垂直于面板)的细长部分；脚部15，脚部15是与面板(未示出)接触的部分并起到连接面板与纵梁的装置的作用；以及布置在腹板13的与脚部15相对的端部处的加强件17，加强件17形成具有球状物形状的终端部分。
在图11中，可以看到纵梁以多个步骤制造。
在步骤a)中，从由复合材料41制成的平面层叠件开始，所述层叠件由碳纤维或玻璃纤维的层片形成并具有热固性或热塑性树脂。
在步骤b)中，所述层叠件被成形，限定将形成脚部15的两个部分43和45以及将形成腹板13的两个部分47和49。该成形步骤可以以不同的方式执行，例如，可以使用辊子，通过连续旋转连续或者半连续地执行成型步骤，或者通过可膨胀的工具实现执行成形步骤所需的压力。
在步骤c)中，在腹板13的部分47和49之间引入一体化的加强件17。可以控制用于包封层叠件的工具来改变所述层叠件的宽度、形状和收缩。
在步骤d)中，纵梁达到其最终形状。该最终形状可以具有恒定的截面，或者相反地也可通过具有可变几何形状的截面被最佳化，但带有具有球状物形状的端部19。还提出了一种在已经提及的加强层叠件或预制件内部供给一定长度的这种结构构件(层叠件)的方法。
通过内置于层叠件的两个已形成的层片之间的高模量单向纤维来形成结构构件17，其中所述高模量单向纤维由与用于制造纵梁11的材料相同的材料或者与该材料相容的其它材料制成。形成加强件17的单向纤维的主要目的是为了增加在最远离纵梁11的脚部15的区域中的材料的刚性以及纵梁11的总惯性(即，被称为具有结构可靠性(structural responsibility))。此外，因为所述纵梁11的制造被连续地执行，所以增加了所述纵梁的抗破坏坏性。
如果在加强件17中用热固性或热塑性树脂以0°聚集碳纤维或玻璃纤维的加强层片，则大大增加了纵梁的刚性。加强件17没有显著改变纵梁11的面积，但所述加强件明显地有助于惯性和刚性。这使得可获得具有相同刚性但面积(重量)较小的纵梁。
在需要大的抗挠刚度(高EI)而对结构的重量没有显著不利影响的区域中，这些纵梁11是特别有用的，这是由于在弹性模量很高的区域中惯性增加，并且带有热固性或热塑性树脂的碳纤维或玻璃纤维的层片被进一步从脚部去除(其中所述层片不是非常有效)，以将所述层片放在更远的区域中，其中所述层片的效率增加。
如果将这类纵梁11与传统的T形纵梁作比较，则可获得大约15-20％的重量减少，并具有相同的EA且具有等于或甚至高15％的抗挠刚度(EI)。
如在前面的段落中所述，纵梁的主要目的是加强由复合材料制成的面板，因此，将用这类纵梁11加强的面板51与用传统的纵梁53加强的面板51作比较也是合适的，如图12和图13所示，能够看到，根据影响纵梁和面板组件的失效模式的类型，与传统的T形纵梁和面板组件相比，利用这类纵梁11可以获得的重量节省会改变。当影响纵梁和面板组件的失效模式的类型主要归因于总体的翘曲或抵抗性时，可以获得大约10-15％的重量减少；相比之下，当影响纵梁和面板组件的失效模式的主要类型是面板的局部翘曲时，重量减少更小。在这类失效模式下，纵梁的脚部15支承面板，惯性和刚性(EI)不是同等重要。因此，在失效模式归因于面板的局部翘曲的区域中，可建议在纵梁的脚部15上添加补充件57，以便不削弱纵梁的脚部15(见图13)。
此外，由于这类纵梁11具有一体形成在纵梁内部的加强件17，因此利用这类纵梁11实现了更好的抗破坏性，从而使制造过程更加坚固且发生脱层的可能性显著降低。在所述纵梁的外侧层片中没有可能使所述脱层开始的不连续的地方。不存在不连续的地方，这是因为由复合材料41制成的平面层叠件通过其它碳纤维和玻璃纤维中的任何加强纤维的层片形成，带有热固性或热塑性树脂，其中制造成用热固性或热塑性树脂包围加强件17，使得产生的不连续处保留在纵梁11自身内部，从而可防止由于外层片上的冲击而导致脱层。
另一优点在于，加强件以一体的方式制成，因此减少了所要制造的部件的数目并消除了不同部件共同硫化的过程。
上述内容可应用于由脚部15和结构构件形成的I形纵梁21，所述结构构件由腹板24和两个侧凸缘25、26形成，并具有布置在侧凸缘25、26的层片之间的加强件27，使得侧凸缘25、26具有细长的球状物形状。
上述内容也可应用于由脚部15和结构构件形成的J形纵梁31，所述结构构件由腹板34和侧凸缘35形成，并具有布置在侧凸缘35的层片之间的加强件37，使得侧凸缘35具有细长的球状物形状。
由于根据现有的要求可以使用多于一个的横截面，所以在多功能方面，该纵梁实现了与传统的纵梁相同的优点。
虽然只描述了优选实施例，但是可以引入包括在权利要求所限定的范围内的修改。

Claims (6)

1.一种由复合材料制成的纵梁(11、21、31)，所述纵梁用于加强由复合材料制成的面板，所述纵梁由用于与所述面板连接的脚部(15)和结构构件(13、23、33)形成，其特征在于：
在与脚部(15)相对的端部处且在材料的层片之间，结构构件(13、23、33)包括由高模量单向纤维形成的结构加强件(17、27、37)，所述高模量单向纤维由与所述纵梁相同的材料制成或者由与所述纵梁相容的其它材料制成。
2.根据权利要求1所述的纵梁(11)，其特征在于，所述纵梁具有T形形状，所述结构构件由腹板(13)形成，并且加强件(17)被布置成使得端部(19)具有圆形球状物形状。
3.根据权利要求1所述的纵梁(21)，其特征在于，所述纵梁具有I形形状，结构构件(23)由腹板(24)和两个侧凸缘(25、26)形成，并且加强件(27)被布置在侧凸缘(25、26)的层片之间，使得所述侧凸缘具有细长的球状物形状。
4.根据权利要求1所述的纵梁(31)，其特征在于，所述纵梁具有J形形状，结构构件(33)由带有侧凸缘(35)的腹板(34)形成，并且加强件(37)被布置在侧凸缘(35)的层片之间，使得所述侧凸缘具有细长的球状物形状。
5.一种制造根据权利要求1-4所述的纵梁的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
a)提供由复合材料制成的平面层叠件，所述层叠件由碳纤维或玻璃纤维的层片形成且具有热固性或热塑性树脂；
b)根据所需的纵梁形状使所述平面层叠件适当地成形；
c)引入加强件；以及
d)使所述纵梁获得最终的形状。
6.根据权利要求5所述的制造纵梁的方法，其特征在于：
-在步骤b)中，平面层叠件(41)形成为变为T形纵梁，所述T型纵梁限定将形成脚部(15)的两个部分(43、45)和将形成腹板(13)的两个部分(47、49)；
-在步骤c)中，加强件(17)被引入到腹板(13)的部分(47、49)之间；以及
-在步骤d)中，所述纵梁获得具有为圆形球状物形状的端部(19)的最终形状。
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