CN101772408B - 组合外形的复合梁及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构件，该构件沿着其纵轴线用单向碳纤维复合材料制造成组合外形轮廓，相对于该纵轴线沿着不同方向取向的复合材料层板(152、153、156、157)没有褶皱或起皱现象。本发明还公开了一种堆叠、定序和施加材料层板的以制造该构件的方法。

Description

组合外形的复合梁及制造方法

技术领域

本发明总的涉及利用复合纤维层压工艺制造结构件的方法，更具体地说涉及具有特形或外形轮廓的复合纤维层压板结构的成形。

背景技术

复合材料的结构性能优点在航空和航天工业中是广为熟知的，这里仅举出碳纤维环氧树脂和石墨双马来酰亚胺(BMI)材料少数几种。例如，复合材料引起飞行器设计者的注意是因为其优良的刚性、强度和雷达吸收能力。由于能够得到更先进的材料和更多种形式的材料，复合材料在航空航天方面的应用不断增加。已经研制出复合材料自动带分层技术(tape layer technology)，成为用于制造诸如机翼、机身以及尾翼组件(但是不限于此)的大型复合结构的广泛应用的自动化工艺。已经改进当前的复合纤维设置和铺带技术(tape layingtechnology)，以提供用于各种航空航天构件所需要的加工能力的柔性。由于随着自动化技术的进步复合铺层工艺得以改进，因此将要形成新的和有创意的应用。

用复合材料制造的诸如飞行器或交通工具的支撑梁、机架和加强件的一些构件，希望具有降低的重量和改进的抗腐蚀和抗疲劳能力。这些构件通常用单向碳纤维复合材料的层板或片铺成，其中根据希望的结构性能各层板彼此不同地取向。

然而，已经观察到，在制造沿着所述部件的长度具有不一致的截面的一些构件的过程中，一些层板可能褶皱。这可能导致构件沿着其长度具有变化的和不连续的外形或轮廓。这种褶皱是不希望的，并且已经妨碍了复合材料的广泛应用和采用复合材料来制造易于发生复合材料褶皱的构件。

发明内容

按照所公开的示例性实施例，提供结构件和使用复合材料层板制造结构件的方法，这种结构件在其外形上具有不连续性，同时避免用于制造所述结构件的一些材料层板的不希望的褶皱或起皱现象。

在一个示例性的实施例中，公开一种结构件。所述结构件包括用单向碳纤维复合材料层板形成的主体，所述主体具有纵轴线和垂直于所述纵轴线的截面。所述截面沿着纵轴线的一部分变化，以便为主体提供至少一个一致的外形和至少一个组合外形。形成一致的外形的复合材料层板沿着纵轴线是不连续的。

可选地，所述截面可以包括腹板和从所述腹板延伸的至少一个凸缘。所述纤维复合材料层板可以包括单向带预浸料。主体可以包括梁，所述梁具有腹板和从所述腹板延伸的相对的凸缘，所述相对凸缘的一部分彼此平行地延伸，所述相对凸缘的一部分彼此倾斜地延伸以形成组合外形。相对的腹板之一可以基本上是直的和连续的，并且所述凸缘之一与另一个凸缘可以是部分地平行并且部分地倾斜。形成所述组合外形的至少一些复合材料层板沿着纵轴线可以是连续的，因而形成组合外形轮廓，在与纵轴线对齐的单向纤维没有褶皱或起皱现象。主体可以包括多个单向的碳纤维复合材料层板，这些复合材料层板设置成形成线性或直线轮廓和非线性或非直线轮廓，其中形成所述非直线特形轮廓的多个层板与沿着所述构件的纵轴线形成直线轮廓的多个层板不同地设置。靠近所述非直线特形轮廓形成平行于所述纵轴线取向的纤维的复合材料层板可以是不连续的。所述构件可以包括细长的梁。

还公开了用复合材料制造的结构件的实施例。所述构件包括用单向碳纤维复合材料层板形成的细长的主体，所述主体具有纵轴线和轴向长度，沿着轴向长度所述主体的外表面部分地是直线的并且部分地是非直线的，并且所述层板具有平行于纵轴线取向的至少一些纤维。平行于纵轴线取向的纤维沿着非直线外表面是不连续的，从而避免与纵轴线对齐的单向纤维的起皱现象。

可选地，主体可以包括腹板和至少一个凸缘，所述凸缘形成所述主体的非直线部分。层板可以包括单向的带预浸料，而非直线部分可以包括相对纵轴线倾斜地延伸的直的部分和至少一个半径部分。形成非直线特形轮廓的多个层板与沿着所述构件的纵轴线的直线轮廓可以不同地设置。

还公开了一种制造组合结构元件的方法，所述组合结构元件一部分具有一致的外形，一部分具有组合外形。所述构件用单向碳纤维复合材料的层板的平的或扁平坯料(charge)形成，所述方法包括：将所述平的或扁平坯料分成具有零度纤维的层板和非零度纤维的层板的分立的叠层(stack)；定序所述扁平坯料的叠层，以分别形成用于所述构件的一致的外形部分和组合外形部分的分立的层板组，并且对所述构件的特形部分和非特形部分分别施加具有零度纤维的至少一些层板。

可选地，将所述扁平坯料分组成非零度的层板的分立的叠层包括将所述扁平坯料分组成相对于零度纤维具有以正45°和负45°取向的纤维的层板。所述构件可以形成为具有一个直凸缘、腹板和非直凸缘的C形的沟槽(channel)，所述方法还包括：制备具有以正45°取向的纤维的至少一个层板和具有以负45°取向的纤维的至少一个层板的第一覆盖或垂盖(drape)坯料，所述第一覆盖坯料包围所述C形沟槽的直凸缘、腹板和非直凸缘；制备包括覆盖非直凸缘的具有以零度取向的纤维的层板的第二覆盖坯料；制备具有以正45°取向的纤维的至少一个层板和具有以负45°取向的纤维的至少一个层板的第三覆盖坯料，所述第三覆盖坯料包围所述C形沟槽的直凸缘、腹板和非直凸缘；以及制备包括施加于非直凸缘的具有以零度取向的纤维的层板的第四覆盖坯料。

附图说明

参考下面的附图对非限制性的非唯一的实施例进行了描述，除非另有规定，其中在所有的附图中相同的附图标记指的是相同的构件。

图1是飞行器制造和使用或维护方法的流程图。

图2是飞行器的方块图。

图3是飞行器的横截面图，示出用复合材料制造的结构件的示例性的应用。

图4是图3的一部分的放大的视图。

图5是图3和图4所示构件的一部分的透视图。

图6示出用于制造图5所示构件的示例性的坯料铺层和定序方法。

图7是示出其制造构件的分解图。

具体实施方式

下面将公开构件和利用复合材料制造所述构件的方法的示例性实施例，所述方法利于形成具有要形成的某些外形而没有不希望的纤维褶皱的构件。例如，所公开的示例性构件和方法利于在制造具有例如如下所述的组合外形的构件中单向碳纤维材料更广泛和有效的使用，这种组合外形的构件直到现在都被证明以高效的、可接受的方式重复生产很困难或者成本很高。以这样的特形形状形成组合构件的能力具有明显的优点，包括在构件的轮廓中需要独特的形状和凹凸部的设计考虑(consideration)，通过利用较轻重量材料制造构件来节省支撑结构的重量，以及为特定用途设计的高性能构件的研制。

具体说，当与装配例如飞行器或其他交通工具的支撑结构或机架一起使用时，用于形成构件的较轻重量复合材料能够得到明显的重量节省。特别是对于具有许多支撑构件的飞行器结构，潜在的重量节省能够实质上得到较好的燃料经济性并减少运行飞行器的成本。复合材料构件还可以有助于减少维护成本。

具体参考附图，所公开的实施例可以参照图1所示的飞行器制造和服役维护方法50以及图2所示的飞行器52来描述。在预生产期间，示例性的方法50可以包括飞行器52的技术说明和设计54以及材料采购56。在生产期间，进行飞行器52的构件和子组件制造58和系统整合(integration)60。其后，飞行器52可以通过鉴定并交付62以便投入使用或处于服役(service)状态64。在用户使用中，飞行器52安排日常维护和保养(service)66(这可以包括调整、重新配置、整修等)。

方法50每个步骤可以由系统整合者、第三方和/或操作者(例如用户)来完成或进行。为了描述，系统整合者可以包括但不限于任何数目的飞行器制造商和主系统子承包商；第三方可以包括但不限于任何数目的销售商、子承包商以及供应商；而操作者可以是航空公司、租赁公司、军事机构、维修单位(serviceorganization)等。

如图2所示，用示例性方法50生产的飞行器52可以包括具有多个系统70和内部结构72的机架(airframe)68。高级系统70的例子包括一个或多个推进系统74，电力系统76，液压系统78以及环境系统80。可以包括任何数目的其他系统。虽然示出航空航天的例子，但是本发明的原理可以应用于诸如汽车行业的其他行业。

这里实施的装置和方法可以在生产和服役保养方法50的任何一个或多个阶段采用。例如，对应于生产过程58的构件或子组件可以用类似于在飞行器52处于保养时生产的构件或子组件的方式生产或制造。还有，一个或多个装置实施例、方法实施例或其组合，例如，通过显著地加快飞行器52的装配或降低成本，可以在生产阶段58和60期间利用。同样，一个或多个装置实施例、方法实施例或其组合可以例如在飞行器52处于使用或服役时应用，例如但不限于维护和保养66。

图3是示例性飞行器100的横截面图，其可以对应于图2的飞行器52，图2的飞行器52是图1的方法50的研究对象，其中将说明示例性的构件和方法。但是，应该预料到，本发明的构件实施例以及下面描述的成形方法的好处和优点同样可以适用于诸如汽车、卡车、房车(休闲车)的其他运输工具环境，以及海洋运输工具和诸如建筑物、塔和其他支撑结构的非运载设备的应用。一般而言，所述构件和方法可以用于希望得益于复合材料结构的任何结构应用。因此下面提供的讨论用于说明而不是限制，并且除了在权利要求中这样具体限定之外，这里公开的构件和方法无意局限于任何特定的应用，包括但不限于用在飞行器100中。

如图3所示，飞行器100包括形成飞行器100的外部主体的机身102。高性能的复合地板梁104设置在机身102的内部并且水平地延伸于整个机身102的内部。所述地板梁104用作飞行器100的结构件，地板106在地板梁104的上面延伸并且与地板梁104相连，以在地板106的上面提供乘客舱108。根据现有的飞行器，为了旅客的安全、舒适和方便，乘客舱108提供座椅和现代飞行器的其他乐趣(amenities)。在另一个实施例中，乘客舱108也可以用作货物仓或除乘客舱之外的其他用途。

支柱110在地板梁104的下面延伸并且在地板梁104下面至少部分地形成货物仓112。而且根据现有的飞行器，货物仓112可以适于储存例如旅行袋、旅行装备、行李箱或属于飞行器乘客的其他物件。可选地，或除了这些物件之外，货物仓112还可以适于储存、装载和固定与使用中的飞行器的任何特定乘客无关的，或不属于任何特定旅客的其他货物。飞行器100适合于民用，主要用于从一个地方到另一个地方运输乘客和他们的个人物品；用于军用，从一个地方到另一个地方运输人员和装备；或用于到不同地方的商业运输和货物配送。

应当理解，在延伸到图3的页面里面和外面的平面中，沿着飞行器的长度设置许多地板梁104。较大型飞行器100比较小型的飞行器100需要较大和较长的梁104和较多数目的梁104。总体来说，梁104为飞行器100提供结构支撑和机架或框架。

现在回到图4，可以看到，在示例性实施例中的地板梁104形成为细长的I形，其具有上凸缘120、下凸缘122和连接所述上下凸缘120和222的腹板124。所述上凸缘120沿着梁的整个长度大致是直的和连续的，而下凸缘122沿着梁的整个长度既不直也不连续。

如图4所示，下凸缘122包括第一部分126、第二部分128和在所述第一部分126和第二部分128之间延伸的过渡部分130。第一部分126大致平行于第一凸缘120并且与第一凸缘120间隔开沿着垂直方向测量的第一横向距离H₁。第二部分128也大致平行于第一凸缘120延伸，并且与第一凸缘120间隔开也沿着垂直方向测量的距离H₂，H₂小于H₁。在一个例子中，H₁大约是7.5英寸，H₂大约是5.6英寸。设置较小的距离H₂为了增加下凸缘122下面的间隙以容纳(例如但不限于)在地板梁104下面延伸的电缆或导管131。虽然提供H₁和H₂的示例性的尺寸，但是决不意味着这些尺寸是必需的，并且应当理解在其他实施例中H₁和H₂的值可以变化。

现在更详细地研究下凸缘122，过渡部分130连接大致直的并且平行于第一凸缘120的第一部分126和第二部分128，并且过渡部分130相对于第一部分126和第二部分128的每一个以一定角度延伸。在所示的实施例中，过渡部分130相对于第一凸缘120和第二凸缘122的第一和第二部分126和128的每个倾斜地延伸规定的距离。沿着过渡部分130在任何给定的点，从第一凸缘120沿着垂直方向测量，过渡部分130的边缘与第一凸缘120以在距离H₁和H₂之间的第三和可变化的距离H₃间隔开。也就是，在过渡部分130靠近第一部分122的情况下，H₃近似地等于H₁，在过渡部分130靠近第二部分128的情况下，H₃逐渐减小到近似地等于H₂的值。

将过渡部分130连接于第一部分126和第二部分128的拐点132和134，在第二凸缘122和梁104的外表面外形上整体上存在不连续性。实际上，拐点132和134存在将过渡部分130的端部连接于第二凸缘的第一部分126和第二部分128的半径。在拐点132处的半径是凸半径，而拐点134处的半径是凹半径。

在图4中按照从右到左的下凸缘122的外形，第一部分126在其外部形状和轮廓上大致是直的、平滑的和水平的，直到在拐点132处与凸半径相遇。在凸半径132之后，在过渡部分130中，下凸缘122再一次变成基本直的和基本平滑的，但是相对于第一部分126以一定角度或倾斜地延伸，直到过渡部分130在连接点134与凹半径相遇。在点134的半径之后，第二部分128中的下凸缘122再一次变成基本直的、平滑的和水平的。总的来说，由于直部分和拐点132和134处的弯曲部分之间的不连续性，第一部分126、第二部分128和过渡部分130使下凸缘122的外形变得既不直也不平滑。

在所示的实施例中，过渡部分130被成形为下凸缘122向内弯，以降低梁104的高度轮廓，并且可以提供增大的间隙以用于放电缆或导管131，或者在需要的地方提供腹板124的更高的高度。弯合(joggle)可以允许相对于地板梁104以更紧凑的布置方式放置电缆和导管131，而不明显影响梁104的上方或下方的空间的使用。在地板梁的情况，这种布置有时称为“弯合”，这种“弯合”对利用复合材料形成梁104形成相当的制造挑战。再参考图3，梁104可以具有多于一个的过渡部分130，这些过渡部分130沿着所述梁的长度形成多于一个弯合部，以提供具有增大的间隙的梁的比较大的跨度，以用于放电缆和导管，或者用于容纳飞行器的其他机械部件和电气零部件。

已经观察到，当试图用单向碳纤维复合材料构造梁104时，一些材料层板可能在过渡部分130的区域中沿着下凸缘122起皱。正如所提到的，这种褶皱可能是不希望的，并且直到本发明的梁和制造所述梁的方法被发现和开发之前，以成本有效方式用复合材料可靠地构造可接受的梁的努力被证明是不成功的。

图5示出用于制造梁104的C形沟槽的坯料142。相信从图4可以明显看出，两个C形沟槽的坯料142可以背靠背组装并且相互固定，以形成，例如，I形的梁104。在图5中，以透视图的方式示出坯料142，其中制造问题或许是有点儿更明显。正如在前面所说的，梁结构包括以C形沟槽布置的基本上彼此相对的凸缘120和122并且互连腹板124。凸缘120和122从腹板124基本上垂直地延伸。梁104大致是细长的并且具有纵轴线140。在示例性实施例中，第一凸缘120可以大致是直的和连续的，并且可以平行于纵轴线140延伸。正如前面所述，第一部分126和第二部分128也大致平行于第一凸缘120并且相互平行地延伸，但是与第一凸缘120间隔开不同的距离。腹板124也大致是平面的并且平行于纵轴线140延伸。但是，从图5清楚地看到，过渡部分130和各个拐点132和134的半径不平行于纵轴线140。

在第二凸缘122中，直的部分126和128、凸和凹弯曲的成圆角部分132和134以及在直的部分126和128之间的过渡部分130中的平滑的但是倾斜的延伸部分的组合，是有时候被称作组合外形的一个例子。在所示的实施例中，所述过渡部分130在具有不同的曲率中心和潜在的不同的曲率半径的拐点132和134处是局部地成圆形的和局部地成锥形的，以减小所述梁的外部轮廓。

虽然在图中示出组合外形的具体例子，但是应当理解，其他形状的组合外形也能够受益于下面说明的技术：当构造包括但不限于地板梁的构件时所述技术避免复合材料起皱。在其他实施例中，组合外形具有在梁104中标示出的全部特征是不必要的。即，外形可以是组合外形并且不具有凸半径和凹半径部分两者，并且组合外形也不是必须需要相对于彼此成角度的、有斜度的或倾斜的不同的直部分。

正如在这里所用的，术语“组合外形”应当是广义地指包括一个和多个明显变化和在其外部形状和轮廓上相关的不一致性的任何形状或外部表面轮廓，而用于将所述构件连接于结构或用于将其他结构连接于所述构件的表面开口、凹槽等除外。即，正如这里所用的，术语“轮廓”是指作为整体的构件的整体形状，所述形状通常可以不依赖于用于将所述构件安装于具体位置的开口或其他连接结构，或不受用于将所述构件安装于具体位置的开口或其他连接结构的影响。在形成组合外形的构件的外部形状和轮廓中的变化和不一致性的特征在于可以彼此单个地识别的不同特性的相交表面的组合。相连表面或相交表面的不同特性可以通过存在一个或多个拐点、一个或多个成圆形表面、诸如凸表面和凹表面的不同类型的曲表面、具有不同中心和曲率半径的一个或多个弯曲部分、相对于彼此不同地倾斜的直部分、在外部轮廓中的突然变化及上述部分的组合来确认或识别。“组合外形”明确地不同于简单的外形，简单外形的例子包括但不限于沿着其整个长度均匀地变细活成锥形的构件、沿着其整个长度均匀地弯曲的构件以及沿着其整个长度具有一致的或不变的外形的构件。

在所示的实施例中作为梁104的组合外形的结果，在垂直于纵轴线140的平面中截取的梁104的横截面沿着所述梁104的长度是不一致的。具有不变的或连续的横截面的梁的各部分有时候叫做梁104的线性或直线部分，而由于沿着梁104的长度呈现的变化的或可变的截面和外部形状，梁的过渡部分有时候被称作梁104的非线性或非直线部分。

当试图利用常规的复合物制造工艺铺设复合材料的不同层板而构造如梁104这样的特形的结构件时，相信复合材料层板的褶皱存在于具有结构纤维的复合材料层板中，所述复合材料层板沿着梁104的长度布置成相对于纵轴线140取向。特别是，并且由于具有过渡部分130的下凸缘122的形状，在直的部分126和128中沿着纵轴线140取向并且大致平行于纵轴线140的所述纤维，当过渡部分130成形时被弯曲并且以压缩方式设置，使得一些纤维被压缩并且弯曲成弓形或翘曲并形成褶皱。弯曲成弓形的这种纤维在其他相邻的复合材料层板中也可能引起褶皱，其中所述结构纤维不与纵轴线140对齐或同轴，其中诸如层板的所述结构纤维相对于纵轴线140以例如45°和90°的角度取向。例如，已经观察到，当用复合材料层板的铺层构造图5所示的沟槽坯料142的形状时，具有取向成从纵轴线140测量的+45°、+90°和-45°的纤维的各层板在下凸缘122中没有形成褶皱的倾向，除非还存在与纵轴线140成0°的层板或具有平行于纵轴线140延伸的纤维的层板。

在识别具有以与纵轴线140成0°角延伸的纵向延伸纤维(即，平行于纵轴线)的问题中，与产生褶皱的常规制造技术不同，对于梁104的各部分，使用不同的层板取向来制造梁104，特别是不包括产生组合外形的沿着纵轴线140取向的纤维的弯曲。而是具有平行于纵轴线取向的纤维的层板被切割，以使得它们例如在所述部分的整个长度上沿着腹板124和凸缘122的特形边缘不连续。否则，会导致沿着纵轴线140取向的纤维的压缩的材料层板从构件结构分离开，并且这些层板与沿着纵轴线140具有不同纤维取向的纤维的层板独立放置，以形成特形凸缘。由于平行于纵轴线140的取向的纤维的不连续性，和这些纤维的单独应用于梁104的特形部分的结果，在制造梁104期间，这些纤维都不以压缩方式放置，因此避免了在形成的构件中的褶皱。

还有，在用于形成梁104的平的或扁平坯料(charge)的铺设期间采取独特的方法。例如，在一个实施例中，所述扁平坯料分组成尽可能多的或者具有平行于纵轴线140延伸的纤维的0°层板的分立的叠层(stack)，或相对于纵轴线140具有以+45°、+90°和-45°取向的纤维的层板。也就是，所述方法包括铺层的定序，以形成包括0°层板分立的层板组，和+45°、+90°和-45°层板的组。所述0°层板组沿着沟槽坯料142的特形部分被分离成分立的腹板和凸缘元件。具体说，用于制造特形凸缘元件的0°层板不与形成所述坯料142的其他元件的层板一起覆设，而是沿着所述部分的长度用手或机器线性地设置。这样避免如果0°层板特形凸缘元件与其他铺层元件是一体的而将会产生的褶皱。

适合于铺设所述层板的示例性的机器公开在共同拥有的美国专利No.7,188,370中。可以相信，这种机器和其他机器对于利用复合材料制造构件的本领域的技术人员是熟悉的，这种机器的详细讨论超出本公开的范围。这种机器的进一步的细节和解释相信对于本领域的技术人员是不必要的。在其他实施例中，可以预料所述坯料可以手工铺设。

图6和图7还示出所述坯料142的细节和示例性的坯料铺层和定序复合物坯料的方法，所述复合物坯料用于制造C形沟槽的坯料142，例如，用单向带预浸料，更具体地说用“108型”树脂浸渍玻璃纤维材料的层板。所述方法包括具有叠加和定序的纤维的各种层板，这些纤维相对于彼此不同地取向并且将一些层板分别施加于所述构件的线性或直线和非线性或非直线部分。在下面的讨论中将会知道关于与各层板相关的度数是指各层板纤维相对于C形沟槽的坯料142的纵轴线140的相关取向。因此，零度层板使其纤维平行于纵轴线取向。而且，如图5所示，所述坯料覆盖部可以用具有被制造构件的所希望的形状的铺层芯体158被铺层并且组装。

例如，考虑到图5所示的C形的沟槽坯料142，并且参考图6和图7，第一覆盖坯料150可以在第一覆盖操作中被制备，其中一个正45度取向的层、90度层和一个负45度层平直地铺设并覆盖在芯体158上，以形成第一凸缘120、第二凸缘122和腹板124的部分。

在第二覆盖操作中，两个零度层板152和153分别铺设在腹板124和特形凸缘122上。其中一个零度层板152覆盖腹板124和直凸缘120。另一个零度层板153覆盖特形凸缘122。

虽然在图6中覆盖腹板124和直凸缘120的零度层板152被示为第二覆盖操作的部分，但是应当明白，零度层板152可以可选地与第一覆盖操作的覆盖坯料150组合并且同时形成。但是，在这样的实施例中，零度层板153将仍然在单独的覆盖操作中单独地铺设。

在第三覆盖操作中，一个正45度层和一个负45度层平直地铺设并覆盖在第一和第二覆盖操作的各层上。也就是，第三覆盖操作的各层形成第一凸缘120、第二凸缘122和腹板124的部分。

在第四覆盖操作中，零度层板156和零度层板157分别铺设在腹板124、直凸缘120和特形凸缘122上。层板156覆盖腹板124和直凸缘120，层板157覆盖特形凸缘122。

虽然在图6中覆盖腹板124和直凸缘120的零度凸缘156被示为第四覆盖操作的部分，但是应当明白，所述零度层板156可以可选地与第三覆盖操作的覆盖坯料154组合并同时形成。但是，在这样的实施例中，零度层板157将仍然在单独的覆盖操作中单独地铺设。

在沟槽坯料覆盖操作已经完成之后，坯料142准备用于组装以生产，例如，在图3和图4中所描述的地板梁104。

虽然在坯料铺层和定序层板的方法的一个例子中，除了零度层板之外，层板具有以正负45°和90°取向的纤维，但是应当理解，在其他实施例中非零度层板不必以正或负45°和/或90°取向。纤维的其他角度同样可以用来满足特定的需要和对形成构件并满足特定目标的希望。还应该预料，一些实施例中一些层板，例如上面所讨论的90°层板可以看作是可选的。

利用上面所述的方法，具有明显的组合外形和表面不连续性的诸如梁104或其他梁、加强件的结构件或其他结构件因此可以用单向碳纤维复合材料有效地制造。促进了更广泛和有效利用单向碳纤维材料以制造具有特形外形的构件而没有不能接受的复合物层板的起皱现象，并且当诸如梁104的构件被组装成更大的结构时可以大大地减轻重量。

虽然已经描述了具有示例性形状的示例性梁104和C形的坯料142，但是应当理解，具有其他形状和截面的其他构件同样可以形成同时可以避免与层板的起皱相关的问题。具有以任何形状设置的腹板和一个或多个凸缘的任何构件可以受益于上面所述的方法。例如，并且不限于，除了上面所述的I形梁104之外，同样的技术可以用于形成具有组合外形的J形构件的外形、具有从腹板延伸的单个特形凸缘的L形构件的外形、至少在其一部分具有组合外形的T形构件的外形、以及至少在其一部分具有组合外形的Z形构件的外形。作为又一个非限制性的例子，可以形成具有类似诸如数目为“7”的截面形状的构件。不会使人联想到字母和数字的其他形状也是可能的，包括但不限于礼帽形状和其他形状以及截面。而且，可以组装各构件的示例性形状的组合以形成其他的形状，例如上面所述的用于产生I形的梁的C形沟槽。

同样，这种技术可以用于形成管形元件(长方形和正方形)，这些管形元件具有如果用其他方法可能导致起皱的复合材料的外形。虽然在这里所示出的示例性实施例包括一个直凸缘和一个特形凸缘，但是应当理解，在其他的和/或可选地实施例中，利用上面所述的方法和技术在同样的构件中可以制造多于一个的特形凸缘。也就是，具有多个特形凸缘的构件可以形成希望形状的巨大数目，以生产没有不希望的褶皱或起皱现象的构件。

而且，虽然迄今以地板梁的方式公开了构件实施例和制造构件的方法，但是也可以制造避免类似问题并具有类似优点的其他的结构构件。即，用于其他目的的梁也同样受益于这里所公开的技术，以及为构件的组件提供结构强度和支撑的非梁构件一起形成更大的结构。

虽然参照各种具体实施例描述了所公开的构件和方法，但是本领域的技术人员将会认识到在不脱离权利要求的精神实质和范围的情况下所述构件和方法能够被修改。

Claims (13)

1.一种构件，包括：

用单向碳纤维复合材料层板(152、153、156、157)形成的主体，所述主体具有纵轴线和垂直于该纵轴线的截面，所述截面沿着该纵轴线的一部分变化，以便为所述主体提供至少一个一致的外形和至少一个组合的外形，其中形成一致的外形的复合材料层板沿着纵轴线是不连续的，并且其中所述组合的外形是包括一个和多个明显变化和在其外部形状和轮廓上相关的不一致性的任何形状或外部表面轮廓，而用于将所述构件连接于结构或用于将其他结构连接于所述构件的连接结构除外。

2.根据权利要求1的构件，其中所述截面包括腹板(124)和从该腹板延伸的至少一个凸缘(120、122)。

3.根据权利要求1的构件，其中所述单向碳纤维复合材料层板(152、153、156、157)包括单向的预浸带料。

4.根据权利要求1的构件，其中所述主体包括梁(104)，该梁具有腹板(124)和从该腹板延伸的相对的凸缘(120、122)，该相对的凸缘的一部分彼此平行地延伸，并且该凸缘的一部分彼此倾斜的延伸，以形成组合外形。

5.根据权利要求4的构件，其中所述相对的腹板(124)之一基本上是直的和连续的。

6.根据权利要求4的构件，其中所述凸缘(120、122)之一对另一个凸缘部分地平行部分地倾斜。

7.根据权利要求1的构件，其中形成所述组合外形的至少一些所述单向碳复合材料层板(152、153、156、157)沿着所述纵轴线是连续的，因而形成组合外形轮廓，而与所述纵轴线对齐的单向纤维没有起皱。

8.根据权利要求1的构件，其中所述组合外形包括：

第一直的部分(126)，其沿着纵轴线具有第一并且一致的截面；

第二直的部分(128)，其沿着纵轴线具有第二并且一致的截面，该第二截面不同于所述第一截面；以及

过渡部分(130)，其在所述第一和第二直的部分之间延伸，并且沿着纵轴线具有不一致的第三截面。

9.根据权利要求1的构件，其中所述主体包括多个单向碳纤维复合物层板(152、153、156、157)，其中在所述多个层板中的纤维彼此不同地取向。

10.根据权利要求1的构件，其中所述主体包括多个单向碳纤维复合物层板(152、153、156、157)，所述层板设置以形成线性轮廓和非线性轮廓，其中沿着所述构件的纵轴线形成所述非线性特形轮廓的多个层板与形成线性轮廓的多个层板不同地设置。

11.一种制造具有部分一致外形和部分组合外形的复合结构元件的方法，该构件用单向碳纤维复合材料的层板的扁平坯料形成，该方法包括：

将所述扁平坯料分组成具有零度纤维的层板和具有非零度纤维的层板的分立的叠层；

通过使具有零度纤维的层板和具有非零度纤维的层板交替来定序该扁平坯料的叠层，以分别形成用于该构件的一致的外形部分和组合外形部分的分立的层板组，以及

对该构件的特形部分和非特形部分分别施加至少一些具有零度纤维的层板。

12.根据权利要求11的方法，其中将所述扁平坯料分组成非零度层板的分立的叠层包括将该扁平坯料分组成相对于零度纤维具有以正45°和负45°取向的纤维的层板。

13.根据权利要求11的方法，其中所述构件形成为具有一个直凸缘、腹板和非直凸缘的C形沟槽，该方法还包括：

制备具有以正45°取向的纤维的至少一个层板和具有以负45°取向的纤维的至少一个层板的第一覆盖坯料，该第一覆盖坯料包围所述C形沟槽的直凸缘、腹板和非直凸缘；

制备包括覆盖所述非直凸缘的具有以零度取向的纤维的层板的第二覆盖坯料；

制备具有以正45°取向的纤维的至少一个层板和具有以负45°取向的纤维的至少一个层板的第三覆盖坯料，该第三覆盖坯料包围所述C形沟槽的直凸缘、腹板和非直凸缘；以及

制备包括施加于非直凸缘的具有以零度取向的纤维的层板的第四覆盖坯料。

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