CN101384477B - 复合热塑性基体机身结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种热塑性基体机身结构区段包括多个热塑性基体框架部件及多个热塑性基体梁部件，两者形成了子结构。子结构容纳热塑性基体内部盖罩栅格结构、热塑性基体外部盖罩栅格结构及在原位上共同接合于子结构的热塑性基体表层，从而显著地强化并统一了子结构。
Description
发明背景
本发明要求申请日为2005年8月3日的美国临时专利申请第60/705,032号的优先权。本发明是在编号为DAAH10-03-2-2003的合同下并在政府支持下做出的。因此政府具有在该发明中的一定权利。
本发明涉及一种机身，尤其涉及一种热塑性基体机身(matrixairframe)区段，其具有在原位共同接合(in-situ co-bonded)的热塑性纤维盖罩栅格结构及表层，该表层在运行中在没有随后的压热(autoclave)后处理的情况下与子结构集成。
用于旋翼飞机的复合机身结构传统上借助两个技术制造成：分散部件拼装及完全集成的结构。这些工艺中的每一种均包含许多折衷。
制造独特构件并随后将多个构件互相紧固或接合起来的工艺充斥有高的经常性部件成本与非经常性加工成本。每个独特的复合构件都需要分散的模具、修整工具、夹具及板层定位工具或模板。装配件内的每个独特构件都需要这些工具。
一旦将多个独特的单个构件制造出来，它们在装配夹具内装配成机械地紧固的结构，或者在接合夹具内装配成接合结构。这些装配工艺中的每一个都需要与搁置、机器时间及手工装配有关的重大劳动。
完全集成的复合装配件在固化(cure)循环之前将多个分散且未固化与固化复合构件结合起来。从而导致固化之后的单个整体结构。虽然用于这种工艺的工具总数量可能少于分散部件装配所需要的工具数量，加工误差与质量问题可能更重要。此外，虽然与整体结构相关的接触人工基本上与固化之前相同，在压热固化之后，完全集成的复合装配总体上导致减小的接触人工，因为所需要的装配较少。然而，相对昂贵的非经常性加工需要大量的持续时间用于搁置与固化，其显著地限制了产品生产量。
一般地讲，借助单独、专用工具制造分散的拼装部件成本昂贵并且耗费时间。制造整体结构减小了装配人工，然而其增加了工具复杂度，进而减小了产品生产量。
相应地，需要提供一种作为基本上工程化的商品装配件的复合机身结构区段，并需要提供一种复合机身结构区段的制造方法，其利用规模制造效益来获得成本较低的机身区段。
发明概述
根据本发明的热塑性基体机身结构区段包括多个热塑性基体框架部件及多个热塑性基体梁部件，两者形成了子结构，用于容纳热塑性基体内部盖罩栅格结构、热塑性基体外部盖罩栅格结构及在原位上共同接合于子结构的热塑性基体表层。
热塑性基体梁部件与热塑性基体框架部件优选地分别从商品型(commodity-type)梁与框架部件切割成一定长度，用于装配到子结构内，而不是特定地制造成用于子结构内特别位置的分散地专用的构件。虽然专用梁与框架部件可能不像商品结构那样经济诱人，这种结构可在技术性能未变化的情况下被替换。在从商品型部件切割成一定长度之后，每个热塑性基体梁部件与热塑性基体框架部件上可形成开口，从而在必要情况下为构件比如穿过机身区段的管路、软管、线束等提供重力减轻和/或空穴。
一旦单个地切割成一定长度并形成开口的话，多个热塑性基体梁部件与热塑性基体框架部件可在原位共同接合于外部和/或内部盖罩栅格结构中的一个上。随后，多个热塑性基体梁部件与热塑性基体框架部件可互相结合和/或接合(bond)起来，从而形成栅格状子结构。此后，余下的盖罩栅格结构可在原位上接合于多个热塑性基体梁部件与多个热塑性基体框架部件上。应当注意：备选结构也可想象出，比如，在子结构分别共同接合于内部盖罩栅格结构与外部盖罩栅格结构之前，多个热塑性基体梁部件与多个热塑性基体框架部件可互相结合和/或接合起来。此外，在互相结合起来之前，多个热塑性基体梁部件与多个热塑性基体框架部件可在原位同时接合于内部盖罩栅格结构与外部盖罩栅格结构。备选地，外表层可与外部盖罩栅格结构一体形成。备选地，也可使用机械紧固件、粘合或压热处理(autoclave process)。
原位工艺在运行中将一个热塑性层结合到另一个热塑性层，从而消除了压热的准备及随后的后处理。内部盖罩栅格结构与外部盖罩栅格结构将多个热塑性基体梁部件与多个热塑性基体框架部件的外部盖罩表面互相拴起来，进而增加了子结构的硬度和刚度，其明显地加强与统一了子结构。
因此，本发明提供一种作为基本上工程化的商品装配件的复合机身结构区段，并提供一种复合机身结构区段的制造方法，其利用规模制造效益来获得成本较低的机身区段。
附图简述
从当前优选实施例的以下详细描述出发，本发明的多个特征与优点将为那些熟悉本领域的技术人员所显而易见。伴随详细描述的附图可简述如下：
图1A为与本发明一起使用的示例性旋翼飞机实施例的概略透视图；
图1B为图1A中的旋翼飞机的机舱区段的概略透视图；
图1C为图1B中的机舱的机身结构区段的概略透视图；
图2为本发明机身结构区段装配方法的流程图；
图3为机身结构区段接触部的分解图；
图4为热塑性胶带或绳股原位处理的示意图，其用于制造本发明的机身结构区段中；
图5为机身结构区段接触部的截面图；及
图6为本发明另一个机身结构区段接触部的透视图。
优选实施例详述
图1A示意性地展示了具有主螺旋桨组件12的旋翼飞机10。飞机10包括机身14，该机身14具有延伸的尾部16，该尾部16上安装抗扭矩螺旋桨18。机身14包括机身区段14a。主螺旋桨组件12通过变速器(示意性地展示于20处)而由一个或多个发动机22所驱动。虽然所公开的实施例中展示了特定的直升机配置，然而，其它机器比如涡轮螺旋桨、倾斜螺旋桨及倾斜翼飞机也将从本发明中受益。
参考图1B，在此展示为机舱区段的机身区段14a可以包括多个框架部件24及多个支撑飞机外部表层28的梁部件26等。机身区段14a也可以包括一个或多个定位穿过飞机外部表层28的敞开区域30。多个框架部件24及梁部件26优选地排列成大体上为直线的样式，然而，本发明可以使用任何排列。
机身区段14a自身优选地从多个大体上为平面直线状的机身结构区段34装配而成。如图1C说明性地展示的那样，一个机身结构区段34可以为下机身的机身结构区段34。然而，应当理解：多种其它机身结构区段也可以根据本发明而制造出来。
机身结构区段34优选地由非金属材料制造而成，其可以与非金属材料或金属材料的其它机身区段装配在一起。最优选地，机身结构区段34主要由热塑性复合基体材料制造而成，材料包括但不限于PEEK、PEKK、Ultem、PPS、Urethane(聚氨酯)、Nylon(尼龙)、PEI、PES、PEK，以及与其它材料增强物如纳米颗粒内含物的组合。此外，这些材料也可以包含纤维，纤维包括但不限于聚丙烯腈基碳、沥青碳、s-玻璃纤维、e-玻璃纤维、石英、LCP、M5与陶瓷。
参考图1C，机身结构区段34包括多个热塑性基体梁部件36及多个热塑性框架部件38，其形成了用于容纳热塑性基体外部表层40的子结构39。热塑性基体外部表层40优选地与飞机外部表层28共面，并且形成了飞机外部表层28的一部分。即，热塑性基体外部表层40可以邻接或直接附接于其它毗连的外部表层区段上，从而使外部表层28不需要由单一材料形成。因此，热塑性基体外部表层40可以邻接其它机身结构区段，其利用比如铝或复合物表层而组合起来形成了飞机外部表层28。
如图所示，子结构39优选地排列成大体上为直线状的栅格样式。文中所用的“栅格”限定为多个大体上横截的热塑性基体梁部件36与热塑性基体框架部件38，两者互接起来但可以具有不等且非直角的间隔。然而，正如容易地被本领域的普通技术人员所理解的那样，子结构可以具有其它形状与配置。
外部热塑性基体表层40形成了机身结构区段34的外表面。备选地，表层可以为金属材料或复合材料，其以传统方式而紧固或接合到子结构39上。
参考图2、图3，现在将描述用于制造机身结构区段34的创新方法。热塑性基体梁部件36中的每一个可以为单一连续的部件，其上结合和/或接合有热塑性基体框架部件38。应当理解：根据本发明，也可以使用相反的结构。然而，如文中所述，热塑性基体梁部件36将被描述为连续部件，其上附接有热塑性基体框架部件38，正如机身制造业内所大体上理解的那样。
热塑性基体框架部件38与热塑性基体梁部件36优选地分别从商品型梁与框架部件中切割成一定长度，以便装配成子结构(步骤100)。即，热塑性基体框架部件38与热塑性基体梁部件36的特定长度优选地从预制的商品型热塑性部件切割成用于所需要安装位置的长度，而不是特别地制造成多个分散地专用的构件(构件仅用于机身区段内的少数几个或单个特定位置)。因此，每个梁部件36与每个框架部件38可以具有相同的形状及尺寸，而不是具有针对机身结构内的每个特定位置的特别尺寸，后者将又会要求分散的模具、修整工具、夹具及板层定位工具或模板。由商品型构件制成的装配件可能稍微重于具有为特定位置及接触部结构而特别地制造的构件的装配件，但却提供了明显的成本益处。此外，即使它们产生这种重量损失，这种重量损失也可以被更有效地制造的商品型构件所抵消。
虽然截面形状展示为“I”或“T”形，它们也可以呈现为其它截面配置。这种其它形状可包括但不限于“L”、“Z”、“C”、“J”等。
在切割成一定长度之后，每个热塑性基体框架部件38与热塑性基体梁部件36可具有根据需要而钻出或切割出的开口44(步骤110)，以便为穿过机身结构区段34的构件比如控制杆、管路、软管、线束等的提供重量减轻和/或空穴。
一旦单个地切割成一定长度并且形成开口之后，外部和/或内部盖罩栅格结构50、52可在原位共同接合于多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36上。随后，多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36可互相结合和/或接合起来，从而形成栅格状子结构。此后，剩余的盖罩栅格结构50、52可在原位共同接合于多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36上。应当注意：也可构思出备选结构，比如，多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36可在内部及外部盖罩栅格结构50、52共同接合于栅格状结构之前，而互相结合和/或接合起来。此外，内部及外部盖罩栅格结构50、52可在将框架与梁互相结合起来之前而在原位共同接合于多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36。应当理解：也可以类似地利用其它附装结构与方法比如机械紧固件、粘合或压热处理。即，根据多种因素比如位置、强度及成本，多种附装结构与方法可与其它附装结构与方法结合起来使用。
备选地，热塑性基体外部表层40可与外部盖罩栅格结构52一体成形。即，比如，热塑性基体外部盖罩栅格结构52可包含于热塑性基体外部表层40内(图5)。更具体地，热塑性基体外部表层40可包括由热塑性基体外部盖罩栅格结构52表示的增强区域。
优选地，可构思出：外部盖罩栅格结构52与热塑性基体外部表层40将相互结合起来，并且将在原位共同接合于多个切割成一定长度并形成开口的框架部件38及多个切割成一定长度并形成开口的梁部件36上。备选地，外部盖罩栅格结构52与热塑性基体外部表层40可同时在原位共同接合于多个框架部件38与多个梁部件36上。此外，外部盖罩栅格结构52可与热塑性基体外部表层40一体成形(如上所述)。外部盖罩栅格结构52优选地借助热塑性胶带或绳股的原位处理(处理过程示意性展示于图4中并描述于下文中)而施加上去。
此后，多个热塑性基体框架部件38优选地结合和/或接合于多个热塑性基体梁部件36上。接合后的热塑性基体框架部件38与热塑性基体梁部件36装配起来从而形成栅格状子结构39。然而，应当理解：多种子结构形状可根据本发明而制造出来。
多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36可借助任何为业界所知的手段包括但不限于粘合、熔合等而互相结合在一起。然而，优选地，多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36借助机械夹或接合夹而在框架与梁的交叉处互相结合起来。
优选地，多个热塑性基体框架部件38的外部梁盖罩表面46与多个热塑性基体梁部件36的外部框架盖罩表面48大体上共面(图3)。即，外部盖罩表面46、48提供了大致平坦的表面，用于容纳热塑性基体内部盖罩栅格结构50、热塑性基体外部盖罩栅格结构52及热塑性基体外部表层40。
一旦子结构39已经从多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36装配而成，并且如上所述，一旦子结构39已经接合于热塑性基体外部盖罩栅格结构52上的话，热塑性基体内部盖罩栅格结构50可在原位共同接合于该子结构39(步骤130)。备选地，在将梁与框架部件36、38结合起来之前，多个热塑性基体梁部件36与多个热塑性基体框架部件38可同时在原位共同接合于外部盖罩栅格结构52与内部盖罩栅格结构50上。对于上述热塑性基体外部盖罩栅格结构52，热塑性基体内部盖罩栅格结构50可通过热塑性胶带或绳股(tow)的原位处理(处理过程示意性地展示于图4中)而施加上去。原位处理在运行中将一个热塑性层结合到另一层上，从而消除了对压热准备及随后的后处理的需求。一种这种的原位处理由ADC采购公司所提供，该公司以Automated Dynamics，of Schenectady，NY，USA的名义从事业务。应当理解：可施加多个热塑性胶带或绳股板层或层，从而如大体上理解的那样提供所需要的刚度。
优选地，热塑性基体内部盖罩栅格结构50及热塑性基体外部盖罩栅格结构52中的每一个包括多个横截板层，横截板层形成了平面状栅格，平面状栅格紧随多个热塑性基体框架部件38的外部梁盖罩表面46与多个热塑性基体梁部件36的外部框架盖罩表面48。即，热塑性基体内部盖罩栅格结构50及热塑性基体外部盖罩栅格结构52将多个热塑性基体框架部件38与多个热塑性基体梁部件36的外部盖罩表面46、48互相拴起来，从而增加了其强度与刚度，这显著地强化并统一了子结构39。热塑性基体内部盖罩栅格结构50及热塑性基体外部盖罩栅格结构52紧随热塑性基体梁部件36与热塑性基体框架部件38，而热塑性基体外部表层40则覆盖子结构39。热塑性基体外部表层40优选地在原位对子结构39具有100％的覆盖范围，而热塑性基体内部盖罩栅格结构50的覆盖范围则优选地仅放置在盖罩表面46、48的区域中，其仅仅代表大约10％的覆盖范围。
应当理解：虽然公开了优选次序，其它原位共同接合次序也可用于本发明。
备选地或额外地，多个热塑性基体桁条54优选地共同接合于热塑性基体外部表层40上(图5和图6)。多个热塑性基体桁条54可如上所述地接合。多个热塑性基体桁条54要么在施加热塑性基体外部盖罩栅格结构52与热塑性基体外部表层40之后而接合，要么与热塑性基体外部盖罩栅格结构52与热塑性基体外部表层40的施加过程同时接合。虽然桁条54的几何形状在文中描述为“T”形，其也可替换为其它几何形状配置。应当理解：其它细部构造也可模制到或装配到子结构39内，和/或与热塑性基体外部表层40集成在一起。
自动复合制造技术已经进展到一定成熟度，其产生了成本效益划算的机身结构构件。通过使用自动化，复合机身细部构造利用了规模制造效益来获得较低成本的结构。因此，结构变为工程化的商品型产品。在装配阶段，原位热塑性纤维的放置允许在没有后续压热后处理的情况下而在运行中将表层集成到子结构上。从结构到表层结合的装配接触人工因此基本上得以消除。
应当理解：相对的位置术语比如“向前”、“向后”、“上”、“下”、“以上”、“以下”等是以车辆的正常运行姿态为参考的，而不应当考虑成以其它方式进行限制。
应当理解：虽然所展示的实施例中公开了特定的构件结构，其它结构也将从本发明中获益。
虽然展示、描述并要求保护特定的步骤顺序，应当理解：步骤可以另一种顺序分离或结合地执行，除非另行指出，并且仍然将从本发明中获益中。
以上描述为示例性的，而不是由描述中的限制所限定。考虑到上述教导，本发明的许多修改与变型是可能的。本发明的优选实施例已被公开，然而，本领域的普通技术人员将认识到：一定的修改将落入本发明范围中。因此，应当理解：在后附权利要求的范围内，发明可以其它方式而不一定是已特别描述的方式而实施。为此，应当研究以下权利要求，以便确定本发明的真正范围和内容。
Claims (1)
1.一种复合机身结构区段，其包括：
热塑性基体子结构；
第一热塑性基体盖罩栅格结构，其在原位共同接合于所述热塑性基体子结构上；及
相互结合到所述第一热塑性基体盖罩栅格结构的热塑性外部表层。
2. 如权利要求1所述的复合机身结构区段，其特征在于，进一步包括与所述第一热塑性基体盖罩栅格结构相对地而在原位共同接合于所述热塑性基体子结构的第二热塑性基体盖罩栅格结构。
3. 如权利要求2所述的复合机身结构区段，其特征在于，进一步包括相互结合到所述第一热塑性基体盖罩栅格结构与第二热塑性基体盖罩栅格结构中的其中一个上的热塑性外部表层。
4. 如权利要求2所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述第一热塑性基体盖罩栅格结构与第二热塑性基体盖罩栅格结构中的其中一个覆盖了所述热塑性基体子结构的大约10%，而所述第一热塑性基体盖罩栅格结构与第二热塑性基体盖罩栅格结构中的另一个则覆盖了所述热塑性基体子结构的大约100%。
5. 如权利要求2所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述热塑性基体子结构包括结合到多个热塑性框架上的多个热塑性梁，所述多个热塑性梁中的至少一个安装成大致横截于所述多个热塑性框架中的至少一个。
6. 如权利要求1所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述热塑性基体子结构包括结合到多个热塑性框架上的多个热塑性梁，所述多个热塑性梁中的至少一个安装成大致横截于所述多个热塑性框架中的至少一个。
7. 如权利要求6所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述多个热塑性梁与所述多个热塑性框架限定了大体上共面的外表面，用于容纳在原位共同接合于其上的所述热塑性外部表层。
8. 如权利要求6所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述热塑性外部表层与所述第一热塑性基体盖罩栅格结构相对地而接合到所述多个热塑性梁与所述多个热塑性框架上。
9. 如权利要求1所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述第一热塑性基体盖罩栅格结构基本上为平面状结构。
10. 如权利要求1所述的复合机身结构区段，其特征在于，所述第一热塑性基体盖罩栅格结构包括多个直线条，所述多个直线条中的至少两个大致互相横截。
11. 如权利要求1所述的复合机身结构区段，其特征在于，进一步包括接合于所述热塑性基体子结构与所述热塑性外部表层之间的第二热塑性盖罩栅格结构。
12. 如权利要求1所述的复合机身结构区段，其特征在于，进一步包括多个桁条，所述多个桁条中的每一个在原位共同接合于所述第一热塑性盖罩栅格结构。
13. 一种制造复合机身结构区段的方法，包括如下步骤：
(A)以栅格的形式装配热塑性基体子结构；
(B)将热塑性基体表层在原位共同接合于所述热塑性基体子结构上；以及
(C)将热塑性内部盖罩栅格结构在原位共同接合于与所述热塑性基体表层相对的所述热塑性基体子结构，
将所述热塑性内部盖罩栅格结构与所述热塑性基体表层相互结合起来。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(A)进一步包括：
(a)将多个热塑性梁接合于多个热塑性框架上，所述多个热塑性梁中的至少一个安装成大致横截于所述多个热塑性框架中的至少一个，从而使所述热塑性基体子结构形成大致共面的表面，以容纳所述热塑性基体表层。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(B)进一步包括：
将桁条在原位共同接合于所述热塑性基体表层。
16. 一种制造复合机身结构区段的方法，包括如下步骤：
(A)从商品型梁部件将热塑性梁部件切割成预定长度；
(B)从商品型框架部件将热塑性框架部件切割成预定长度；
(C)将热塑性外部表层在原位共同接合于所述热塑性梁部件的第一表面上及所述热塑性框架部件的第一表面上；及
(D)将热塑性盖罩栅格结构在原位共同接合于所述热塑性梁部件的第二表面上及所述热塑性框架部件的第二表面上，
将所述热塑性盖罩栅格结构与所述热塑性外部表层结构相互结合起来。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：
(E)在所述步骤(C)之前将所述热塑性梁部件结合到所述热塑性框架部件上。
18. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：
(E) 将第二热塑性盖罩栅格结构在原位共同接合于所述热塑性梁、框架部件的第一表面与所述热塑性外部表层结构之间，将热塑性外部表层附接到第二热塑性盖罩栅格结构上。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(E)进一步包括：
(a)将所述第二热塑性盖罩栅格结构机械地紧固到所述热塑性外部表层上。
20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(E)进一步包括：
(a)将所述第二热塑性盖罩栅格结构接合到所述热塑性外部表层上。
21. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(E)进一步包括：
(a)将所述第二热塑性盖罩栅格结构压热处理到所述热塑性外部表层上。
22. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(E)进一步包括：
(a)将所述第二热塑性盖罩栅格结构与所述热塑性外部表层一体成形。
23. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第二热塑性盖罩栅格结构与所述热塑性外部表层相互结合起来。
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