CN102026798B - 增强的硬化构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用层压的单向复合带的预成型件(22，24，26，28)制造的复合硬化构件(20)。该硬化构件包括由结构粘合剂(46)包裹的填充物(36)增强的空腔(37)。围绕该空腔的预成型件的表面包括由粘合剂粘结于该填充物的复合织物层(48)，因而增大了围绕空腔的硬化构件的韧性并增进了硬化构件的拉开强度。

Description

增强的硬化构件及其制造方法
技术领域
本发明总的涉及复合结构，更具体地说涉及用于增强的多件复合硬化构件以增进其拉开(pull off)强度的技术。
背景技术
各种轻量的复合梁和硬化构件可以用于诸如飞行器等交通工具，以便支撑或增强诸如机翼和机身区段的特征。例如，具有“I”形截面形状的硬化构件可以用于硬化形成机翼组件一部分的翼板。这些轻量的I形截面硬化构件通常可以由具有相当高的轴向硬度的石墨纤维带层压板形成，但是这种石墨纤维带层压板具有相当低的层间韧性，特别是在幅板和基底/顶盖的相交处。
I形截面硬化构件可以用两个预成型的C形槽板制造，其中槽板的凸缘由半径结合到幅板。由于这个半径，基底和顶盖与幅板的相交形成填充物可以放置在其中的空腔或“半径填充区”，以便增强这个区域中的硬化构件。对于指定的应用，硬化构件在半径填充区的区域中必需具有足够的拉开强度，以抵抗施加于硬化构件上的拉伸载荷。为了实现足够的拉开强度，可能必需增加硬化构件的尺寸，因而增加飞行器的重量。可选地，为了增加拉开强度，可以对硬化构件添加半径块，但是半径块也增加飞行器的不希望的重量。
因此，需要一种硬化构件结构，其在围绕半径填充区的区域中具有增进的拉开强度，但是没有实质性地增加该硬化构件的重量。
发明内容
本发明实施例提供一种由层压复合带形成的硬化构件，该硬化构件通过利用一层或多层复合织物和粘合剂包裹的填充物在半径填充区的区域中被增强。增加的复合织物的韧性和粘合剂包裹物增强了所述硬化构件，得到增进的拉开强度，同时改善冲击(onset)载荷和最大破坏载荷两者。公开的实施例可以用来形成用于各种用途的增强的硬化构件，例如包括但不限于，在飞行器应用中将肋条附加于桁条顶盖(stringer cap)。
根据一个公开的实施例，一种复合硬化构件包括：由层压复合带形成的第一、第二和第三部件，该第一和第二部件限定幅板和从该幅板延伸的一对凸缘，该第三部件被结合到凸缘并且大致垂直于该幅板延伸，该第一、第二和第三复合部件相交以形成空腔；设置在该空腔中并基本填充该空腔的填充物；在所述填充区域中的每个部件上的至少一层复合织物；以及围绕该填充物并将该填充物结合到所述复合织物的粘合剂层。该复合织物和粘合剂两者可以局部地延伸至幅板并且在两个方向上沿着所述凸缘延伸，以增加所述硬化构件的韧性。
根据另一个公开的实施例，一种复合硬化构件，包括：结合在一起的一对复合槽板，每个槽板包括幅板、从该幅板延伸的凸缘，和在该幅板和每个凸缘之间的半径区域；垂直于该幅板延伸并且结合到每个凸缘的基底，该槽板的半径区域和所述基底形成至少一个半径填充区；填充该半径填充区的增强部件；覆盖该槽板的半径区域和基底的复合织物层；以及围绕该填充物并将该填充物结合到该复合织物层的粘合剂层。在一个实施例中，该复合织物层可以包括纺织的双向增强纤维，该纺织的双向加强纤维可以包括石墨。填充物可以是下述其中之一：成型的单向复合带、复合层压制品、混合的带状织物部件、以及钛部件。粘合剂层可以包括围绕该填充物包裹的结构粘合剂薄片。在一个实施例中，粘合剂层可以延伸到超过所述半径填充区进入到槽板之间和基底与每个凸缘之间的界面层中。
根据所公开的方法实施例，制造复合硬化构件，包括：利用复合纤维带形成一对复合槽板，每个槽板具有凸缘和半径部分；将复合纤维织物层设置在每个槽板的半径部分上；利用复合纤维带形成基底；将复合纤维织物层设置在该基底的至少一部分上；围绕填充物设置粘合剂层；组装该槽板和基底；在该槽板的半径部分和该基底之间的半径填充区中设置填充物和粘合剂层；以及固化该组件。
根据另一个方法实施例，制造增强的复合硬化构件，包括：形成具有幅板和从该幅板沿着相反方向延伸的一对凸缘的复合结构，包括在该幅板和凸缘之间的区域中的层压复合带层片(ply)上施加复合织物层；将顶盖的表面结合到所述凸缘；对结合到所述凸缘的顶盖的表面施加复合织物层；将增强的填充物设置在幅板、凸缘和顶盖之间；以及利用粘合剂将增强的填充物结合到复合结构和顶盖上的复合织物层。
7.一种复合硬化构件，包括：
结合在一起的一对复合槽板，每个槽板包括幅板、从该幅板延伸的凸缘和在该幅板和每个凸缘之间的半径区域；
垂直于该幅板延伸并且结合到每个凸缘的基底，所述槽板的半径区域和该基底形成至少一个半径填充区；
填充所述半径填充区的增强部件；
覆盖所述槽板的半径区域和所述基底的复合织物层；以及
围绕该填充物并将该填充物结合到所述复合织物层的粘合剂层。
8.根据权利要求7所述的复合硬化构件，其中每个所述复合槽板和基底包括复合带的层压层，该复合带包括单向增强纤维。
9.根据权利要求8所述的复合硬化构件，其中所述复合织物层包括纺织的双向增强纤维。
10.根据权利要求9所述的复合硬化构件，其中所述双向增强纤维是石墨。
11.根据权利要求7所述的复合硬化构件，其中所述填充物是下述其中之一：
成型的单向复合带，
复合层压制品，
混合的带状织物部件，
钛部件。
12.根据权利要求7所述的复合硬化构件，其中所述复合织物层包括分别在每个槽板和所述基底上的3块复合贴片。
13.根据权利要求7所述的复合硬化构件，其中所述粘合剂层包括围绕所述填充物包裹的结构粘合剂的薄片。
14.根据权利要求7所述的复合硬化构件，其中所述粘合剂层延伸超过所述半径填充区进入到所述槽板之间和所述基底与每个所述凸缘之间的界面层中。
15.根据权利要求7所述的复合硬化构件，其中所述槽板的截面是大致C形形状的。
20.一种制造增强的复合硬化构件的方法，包括：
形成具有幅板和从该幅板沿相反方向延伸的一对凸缘的复合结构，包括在所述幅板和所述凸缘之间的区域中的层压复合带层片上施加复合织物层；
将所述顶盖的表面结合到所述凸缘；
对结合到所述凸缘的顶盖的表面施加复合织物层；
在所述幅板、凸缘和顶盖之间设置增强的填充物；以及
利用粘合剂将所述增强的填充物结合到所述复合结构和顶盖上的复合织物层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中：
形成所述复合结构包括将层压带层片形成为第一和第二槽板，以及
在所述层压的复合带层片上施加复合织物层包括在第一和第二槽板的选择区域上设置复合织物贴片。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在所述第一和第二槽板中的每一个的面对的表面上设置复合织物层；
在所述第一和第二槽板的所述面对的表面上的所述复合织物层之间引入粘合剂；以及
将所述第一和第二槽板的所述面对的表面结合到一起。
23.根据权利要求20所述的方法，其中利用粘合剂将所述增强的填充物结合到所述复合织物层包括围绕所述填充物包裹结构粘合剂层。
24.一种制造用于飞行器用途的增强的复合硬化构件的方法，包括：
形成单向复合带的多个层片叠合；
将所述叠合形成为第一和第二C形槽板、顶盖和基底；
将所述C形槽板、顶盖和基底组装成I形截面结构，该I形截面结构具有幅板和在该幅板的每端上的一对凸缘；
在所述幅板与顶盖以及所述幅板与基底的相交处形成半径填充区的区域中将复合织物施加到所述C形槽板、顶盖和基底的表面；
用结构粘合剂包裹增强的填充物；
在所述半径填充区中设置所述增强的填充物和所述粘合剂；以及
固化所述组件。
25.一种用于飞行器用途的复合硬化构件，包括：
由层压的复合带形成并包括幅板和在该幅板的每端上的第一组和第二组凸缘的I形截面结构，该结构包括一对C形槽板、基底和顶盖，所述C形槽板包括在所述幅板和凸缘之间的半径区域并且被面对面结合在一起以形成所述幅板，所述顶盖被结合到第一组凸缘，而所述基底被结合到第二组凸缘，所述顶盖和基底中的每一个在所述半径区域中与幅板相交，从而形成半径填充区；
覆盖形成所述半径填充区的所述I形截面结构的区域的复合织物层；
在所述半径填充区中的增强的填充物；以及
粘合剂层，其围绕所述填充物并将该填充物结合到所述半径填充区中的复合织物。
当根据附图和所附权利要求查看时，本发明的其他特征、益处和优点将通过下面的实施例的描述变得清楚。
附图说明
图1是根据公开的实施例的增强的硬化构件的端视图。
图2是图1所示的增强的硬化构件的侧视图。
图3是示出粘接于蒙皮的增强的硬化构件的截面图。
图4是示出作用在图1所示的硬化构件上的拉开力的示意图。
图5是图4中标记为“A”的区域的放大的视图。
图6是图1所示的硬化构件的一端的分解的截面图。
图7是沿图6中的线7-7截取的截面图。
图8是类似于图6但示出其组装形式的各部件的视图。
图9-11示出用于将粘合剂包裹层和填充物安装在图1所示硬化构件的半径填充区中的各步骤。
图12是形成可选实施例的硬化构件的一端的截面图。
图13是示出用于施加局部织物贴片的工具的透视图，该贴片用于制造图1所示的紧固件的方法中。
图14是图13中所示的工具被推到一起之后的侧视图。
图15是图14中所示的工具的俯视图。
图16是示出用于制造增强的硬化构件的方法的流程图。
图17是飞行器制造和维修方法的流程图。
图18是飞行器的框图。
具体实施方式
首先参考图1、图2和图3，由数字20总的表示的增强的硬化构件具有大致I形形状的横截面并且可以用于各种用途，以承受载荷和/或硬化结构部件。例如但不限于，在飞行器机翼中，硬化构件20可以用来硬化翼板(未示出)或机翼(未示出)的其他部件，或用来硬化形成机身区段(未示出)的零件的蒙皮38。
硬化构件20广义地包括以背靠背的关系设置的一对C形形状的槽板22、24、顶盖26和基底28。该C形槽板22、24、顶盖26和基底28可以由增强的复合带形成，其中增强的纤维是单向取向的并且保持在合成的基体中，以举例而不是限制的方式，所述基体例如为环氧树脂。C形槽板22、24分别包括幅板部分34a、34b和在该幅板部分34a、34b的每端上相对地面对的一对凸缘30、32。幅板部分34a、34b结合在一起以形成幅板34。幅板部分34a、34b中的每个在半径35处转变成凸缘30、32中的一个。顶盖26和基底28分别结合到凸缘30、32的外表面。由于半径35，使得在半径35与顶盖26和基底28的每个相交处形成大致三角形形状的空腔37。在这里也被称作“半径填充区”的空腔37由也被称作“面条”的细长的增强填充物36填充，该“面条”具有大致匹配空腔37的大致三角形截面的截面形状。
填充物36可以由与槽板22、24、顶盖26和基底28中所用的材料相容的多种材料制造，但通常可以包括复合单向成型的复合带、复合层压制品、混合的带状织物部件或机械加工的钛。填充物36的作用是在幅板34、基底28和顶盖26之间更均匀地分布并在其间传递载荷。
具体参考图3，在一些应用中，可以使用硬化构件的可选形式20a，其中顶盖26或者基底28由硬化构件20a可以与其连接的结构元件形成，在所示的例子中该结构元件为蒙皮38。因此，在本示例中，半径填充区37由半径35和蒙皮38的里面39限定。
现在参考图4和图5，图4和图5示出作用在硬化构件20上的典型的张力。通过幅板34作用的以箭头40表示的张力形成由箭头42表示的反作用力，箭头42垂直于形成凸缘32的薄板和基底28的平面。由于半径填充区37的存在，反作用力42可能具有分离或“拉开”所述薄板和围绕半径填充区37的区域的倾向。因此，希望填充物36尽可能地促进增强围绕半径填充区37的区域，从而增加硬化构件20的拉开强度。
现在参考图6、图7和图8，硬化构件20的拉开强度可以通过在半径填充区37的区域中应用复合织物层48并且通过用粘合剂层46包裹填充物36的所有侧面而被增大。虽然单层织物48可能是足够的，但是在一些应用中，多于一层的织物48可以是期望的或有益的。织物48可以包括彼此垂直延伸的多组纺织品或针织纤维，因而在多于一个方向上，即沿纺织品或针织纤维的取向方向上，提供轴向硬度。相反，在形成底层层片44的带50中的纤维沿单个方向取向，并且因此可以仅仅在其取向方向上具有高轴向硬度。此外，由于在织物48中的纤维已经通过纺织或针织在结构上连接或缠绕在一起的事实，织物层48可以提供附加的硬度。织物层48可以包括，例如但不限于，以0-90或+/-45度的取向纺织或针织的碳或石墨纤维，尽管其他双向取向也是可行的。用于织物层48中的基体可以是环氧树脂或复合材料领域中公知的其他合适的材料。粘合剂层46可以包括，例如但不限于，基于环氧树脂的结构粘合剂。正如将在下面更详细地讨论的，在处理期间，粘合剂层46可以趋向于渗入织物层48中，因而在填充物36与C形槽板22、24和基底28之间形成较强的粘接。这种较强的粘接增加了硬化构件20在半径填充区37的区域中的韧性，这反过来可以增加硬化构件20的拉开强度。
正如前面所指出的，C形槽板22、24、顶盖26和基底28(图1-3)中的每个均由具有带50的形式的增强的单向纤维的多个层片44(见图7)形成。正如将要在下面更详细地讨论的，织物48的顶层可以覆盖槽板22、24、顶盖26和基底28的整个侧面，或可以在重要的是最小化硬化构件20的重量的这些应用中包括仅仅沿填充物36的长度区段提供的贴片。织物层48和粘合剂层46的组合可以用于防止围绕增强元件36的潜在分层的路径，因而在幅板34的相对两端形成坚韧的“T”形区段。在一些应用中，可能希望增大半径35的半径R(图6)，以便减少在半径35的区域中的峰值张力，因而进一步增进硬化构件的拉开强度。
本公开的实施例可以有利地用于具有不同于I形的横截面的硬化构件的制造，例如，T形或J形，或其他横截面几何形状，其中顶盖或基底与形成需要填充物的空腔的半径区域相交并且增进拉开强度。
现在参考图9-11，图9-11示出用于以粘合剂层46包裹填充物36并且将填充物36安装在半径填充区域37中的方法。如图9所示，可以具有粘合剂层46的薄片形式的层被置于半径填充区域37上，其中粘合剂46的薄片的一个边缘在一个凸缘30的切点62a处起始。然后形成粘合剂层46的薄片被迫向下进入半径填充区域37中直到其到达另一切点62b，此后，粘合剂层46的其余部分被包覆在另一个凸缘32上，覆盖第三切点62c。形成粘合剂层46的薄片应当足够宽，从而使剩余长度64等于或大于填充物36的宽度。粘合剂层46的剩余长度64折叠在填充物36上，如图11所示，并且可以切除任何剩余的多余量(未示出)。
填充物36已经完全包裹在粘合剂层46中，然后，当零件被组装在一组工具中(未示出)时，顶盖26(或基底28)被沿着箭头54的方向拖曳成与凸缘30(或32)和填充物36接触，所述工具用于压缩并共同固化硬化构件20，正如将要在下面详细讨论的。在固化处理期间，粘合剂层46特别地渗出并进入到织物层48中，在填充物36和C形槽板22、24、基底28和顶盖26之间形成牢固的界面粘接。正如前面所指出的，在一些应用中，复合织物层48和粘合剂层46可以沿硬化构件20的整个长度延伸，而在另一些应用中，织物48和粘合剂层46可以例如仅存在于沿硬化构件20的部分长度的硬化构件20上的拉伸载荷可能特别大的区域中。
现在参考图12，在一些应用中，可能希望将粘合剂层46的长度延伸超过切点62(图9)进入到C形槽板22、24和基底28(或顶盖26)之间的直接界面区域56、58和60。粘合剂的这些延伸区域56、58和60粘接织物的直接面对层48并且可以进一步增强硬化构件20的半径填充区域37，由此进一步增进拉开强度。
现在参考图13-15，图13-15示出可以用于形成织物层48设置在其中的硬化构件20的方法和相关工具，即，织物层用作贴片。C形槽板22、24可以包覆成型(drape formed)在一对工具62、64上。然后复合织物贴片48a、48b在对应的C形槽板22、24上分别设置在适当的区域中，如图13清楚地所示。在一些应用中，可能希望织物贴片48a、48b彼此稍稍偏移。例如，如可以从图13清楚地看出，包覆在幅板部分34a上的贴片48a的深度x小于织物贴片48b的深度y。同样，如图14所示，贴片48a、48b纵向偏移距离z。
贴片48a、48b被设置在包覆成型的C形槽板22、24上之后，工具62、64被推在一起，迫使幅板部分34a、34b面对面接触。在这方面，如图14所示，粘合剂包裹的填充物36设置在半径填充区37中，之后，第三织物贴片48c设置在填充物36上，覆盖织物贴片48a、48b。在这个示例中，粘合剂层48仅围绕填充物36的整个长度的一区段包裹，但是在另一些应用中，粘合剂层48可以沿填充物36的整个长度延伸。最后，基底28和顶盖26可以被安装并且整个组件之后可以被真空包装并且置于压热器(未示出)中以便压实和固化。
现在参考图16，图16示出用于制造增强的硬化构件20的方法88的步骤。在步骤70，使用复合工艺领域中公知的任何技术来成型填充物36。在步骤72，使用粘合剂层46包裹填充物36，这可以通过将围绕填充物36的每侧的粘合剂层46折叠而实现。
在步骤74，通过在如步骤76所示的合适的工具上层叠复合带的预浸渍层而形成叠合，其后，在步骤78，将复合织物层48设置在带层片的叠层上。然后在步骤80，利用包覆成型法或其他技术将该叠合形成为C形槽板22或24。
其次，在粘合剂层48延伸超过增强元件36的边界的这些应用中，附加的粘合剂层56、58和60(见图12)可以施加到C形槽板预成型件22、24，如步骤82所示。
其次，在步骤84，C形槽板预成型件22、24和粘合剂包裹的填充物36在合适的工具中被组装成叠合。然后在步骤86，该叠合被压实并固化以完成硬化构件20。
本发明的实施例可以用于各种潜在的应用，具体说在运输行业中，例如包括，航空航天、船舶以及汽车应用。因此，现在参考图17和图18，本发明的实施例可以用于如图17所示的飞行器制造和维修方法90和图18所示的飞行器92的范围。在预生产期间，示例性的方法90可以包括飞行器92的规范和设计94和材料采购96。在生产期间，进行飞行器92的部件和子组件制造98和系统整合100。其后，飞行器92可以通过鉴定和输送102，以便投入使用104。在客户使用时，计划飞行器92进行日常维护和修理106(也可以包括修改、重新配置和整修等)的日程。
方法90的每个处理均可以由系统整合者、第三方和/或操作者(例如客户)完成或进行。为了本说明的目的，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推销商、子承包商和供应商；而操作者可以是航空公司、租赁公司、军事单位、服务机构等。
如图18所示，由示例性的方法90生产的飞行器92可以包括具有多个系统110和内部结构112的机身108。高水平系统110的例子包括一个或多个推进系统114、电气系统116、液压系统118和环境系统120。可以包括任何数目的其他系统。虽然示出的是航空航天的例子，但是本发明的原理可以应用于其他行业，例如船舶和汽车行业。
在生产和维修方法90的任何一个或多个阶段中，可以应用本文包括的系统和方法。例如，对应于生产过程98的部件或子组件可以用类似于在维修飞行器92时生产部件或子组件的方式来生产或制造。而且，在生产阶段98和100期间，可以利用一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合，例如，通过充分加快飞行器92的组装或减少飞行器92的成本。同样，在维修飞行器92时可以利用一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合，例如但不限于，维护和维修106。
虽然已经关于一些示例性实施例描述了本发明的实施例，但是应当理解，具体实施例是为了举例说明而不是为了限制，对于本领域的技术人员而言可以进行其他变化。

Claims (4)

1.一种制造复合硬化构件的方法，包括：
利用复合纤维带形成一对复合槽板，每个槽板具有凸缘和半径部分；
将复合纤维织物层设置在每个所述槽板的所述半径部分上；
利用复合纤维带形成基底；
将复合纤维织物层设置在所述基底的至少一部分上；
围绕填充物设置粘合剂层；
组装所述槽板和所述基底；
在所述槽板的所述半径部分和所述基底之间的半径填充区中设置所述填充物和所述粘合剂层；以及
固化以形成所述复合硬化构件。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成顶盖，其中形成所述槽板、基底和顶盖均包括叠合具有单向增强纤维的复合带的多个层片。
3.根据权利要求1所述的方法，其中围绕所述填充物设置所述粘合剂层是通过以粘合剂的薄片包裹所述填充物来完成的。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
形成顶盖；
将复合纤维织物层设置在所述槽板、所述基底和所述顶盖中的每个的所述半径填充区的外侧的区段上；以及
在所述半径填充区的外侧的所述区段上的所述复合纤维织物层之间引入粘合剂层。
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