CN102241275B - 弯曲的复合框架及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弯曲的复合框架及其制造方法。弯曲的复合飞行器框架包括具有大致Z形状截面的多层板复合层压件。至少层压层板的一部分包括单向加强纤维，单向加强纤维在沿框架弯曲部分的几乎所有点处基本是切线。

Description

弯曲的复合框架及其制造方法
技术领域
本公开一般涉及复合结构，例如机身部件，并且更具体地涉及具有一体剪切带的飞行器机身的弯曲一体复合框架段，并且涉及其制造方法。
背景技术
具有高强度和重量轻的高度轮廓化/波形化(contoured)、多腿结构可用于多种应用中，例如航空运载工具。在航空应用中使用的各种框架和相似的结构可具有沿结构的长度高度弯曲或者波形化的腿。例如，飞行器机身的钩形框架段可由两个分离件构成，即通过紧固件结合在一起的C形通道和L形构件。L形通道作用为剪切带，飞行器的外蒙皮被紧固其上。
以上描述的两件式框架需要组装、单独的工具体和单独的检验流程。此外，层压层板铺设是通过使用移动的笛卡尔坐标参考来实现的，这使得裁剪框架的层压层板以满足各种性能要求(包括强度、刚度和重量方面)的任务变得复杂。再有，两件式框架在制造上还相对昂贵，因为需要对其组装的手工劳动以及包括多个紧固件的额外的材料要求。
相应地，存在对飞行器机身应用的降低重量、材料和劳动力并且满足飞行器应用的必要规格的结构框架的需要。也存在对适合于在大产量生产环境中制造的高性能结构框架的需要。
发明内容
公开的实施例提供了适于飞行器应用的有重量效率并且可靠的弯曲复合框架，它还能够控制偏转并且保持在飞行器机身的钩方向上的机身刚度。公开的复合框架具有单件式结构，其具有一体的剪切带，飞行器外蒙皮附接该剪切带。框架包括具有单向加强纤维的层压复合层板，其中层板/纤维的取向参考限定框架弧曲的极坐标系统。层板在极坐标系统内的取向允许在至少某些层板内的纤维被定位为在沿框架弧曲的几乎所有点处与框架的弧曲基本相切。保持零度层板与框架的弧曲相切允许选择在框架的腹板、内翼弦和外翼弦中的层压取向百分比，其可以增加在框架截面内的钩方向上的框架模量，从而优化结构效率并且降低重量。单件式框架具有允许将剪切带整合到框架中的优化的截面形状。
根据一个公开的实施例，弯曲复合飞行器框架包括多层板复合层压件。至少某些层压层板包括在沿框架弧曲的基本所有点处基本相切的单向加强纤维。层压件是包括腹板、内翼弦和外翼弦的单件式整体结构。内翼弦与腹板一体地形成并且从腹板的一端向外横向延伸。外翼弦适于被紧固至飞行器外蒙皮并且同样与腹板一体地形成。外翼弦从腹板的另一端在与内翼弦的延伸方向相反的方向上向外横向延伸。每个层板具有在限定框架弧曲的极坐标参考系统内对齐的纤维取向。
根据另一实施例，提供了弯曲的单件式飞行器机身框架。框架包括具有第一端和第二端的腹板、腹板的第一端上的内翼弦和腹板第二端上的外翼弦。腹板、内翼弦和外翼弦由纤维加强树脂的层压层板整体地形成并且具有Z和J形状中的一种的截面形状。腹板、内翼弦和外翼弦中的至少一个包括具有单向加强纤维的层板，单向加强纤维与框架的弧曲基本相切。
根据另一实施例，提供了具有一体剪切带的弯曲复合机身框架，其包括具有由腹板、内翼弦和外翼弦限定的横截面的单件式多层板层压件，其中外翼弦适于被紧固到机身的蒙皮。内翼弦和外翼弦分别被定位在腹板的相反端并且从腹板朝相反的方向向外延伸。层压件具有基本Z和J形状中的一种的横截面形状。
按照另一实施例，提供了制造飞行器机身中的弯曲单件式复合框架的方法。该方法包括组装纤维加强树脂层的铺层并且将铺层形成为具有腹板、内翼弦和外翼弦的形状。铺层使用限定框架弧曲的极坐标系统来组装。在至少某些层板中的单向加强纤维是与框架的弧曲基本相切取向的。将单向加强纤维取向为与框架的弧曲基本相切是使用计算机控制的自动纤维铺放机器来实施的。将铺层成形为Z形状截面包括在工具上弯曲铺层的边缘。
根据另一实施例，提供了制造弯曲复合机身框架的方法。该方法包括组装均具有单向加强纤维的复合层板的铺层，并且在弯曲工具上将铺层形成为具有腹板、在腹板的相反端上分别相反延伸的翼弦的截面形状。组装铺层包括设置至少某些层板从而使得其加强纤维在沿框架的弧曲的几乎所有点处基本相切。
7.弯曲的单件式飞行器机身框架，包括：
具有第一端和第二端的腹板；
在腹板的第一端的内翼弦；和
在腹板的第二端的外翼弦，
其中腹板、内翼弦和外翼弦由纤维加强树脂的层压层板整体形成并且大体具有Z和J形状之一的截面形状。
8.根据权利要求7所述的框架，其中外翼弦适于被紧固至机身外蒙皮。
9.根据权利要求7所述的框架，其中至少某些层板基本连续地穿过腹板、内翼弦和外翼弦。
10.根据权利要求7所述的框架，其中腹板、内翼弦和外翼弦中的至少一个包括具有单向加强纤维的层板，其中所述单向加强纤维与框架的弧曲基本相切。
11.根据权利要求7所述的框架，其中腹板、内翼弦和外翼弦中的每个均包括具有单向加强纤维的层板，所述单向加强纤维与框架的弧曲基本相切。
12.根据权利要求7所述的框架，其中腹板、内翼弦和外翼弦中的每个均包括具有单向加强纤维的层板，所述单向加强纤维与限定框架的弧曲的极坐标系统中的径向坐标基本相切。
13.根据权利要求7所述的框架，其中腹板包括用于加强腹板的层板倍增件的垫高(pad-up)部分。
14.具有一体剪切带的弯曲复合机身框架，其包括：
具有限定腹板、内翼弦和外翼弦的截面的单件式多层板层压件，其中外翼弦适于被紧固至机身上的蒙皮，内翼弦和外翼弦分别被置于腹板的相反端并且沿相反方向从腹板向外延伸。
15.根据权利要求14所述的框架，其中层压件具有基本Z和J形状之一的截面。
16.根据权利要求14所述的框架，其中腹板、内翼弦和外翼弦中的每个均包括单向加强纤维，所述单向加强纤维在沿框架的弧曲的几乎所有点处基本为切线。
17.制造弯曲复合机身框架的一种方法，其包括：
组装均具有单向加强纤维的复合层板的铺层，其包括设置至少某些层板使得它们的加强纤维在沿框架的弧曲的几乎所有点处基本为切线，并且
在弯曲工具上使得铺层形成为具有腹板和分别在腹板的相反端相反地延伸的翼弦的截面形状。
21.根据权利要求20所述的方法，其中设置某些层板是通过使用计算机控制的自动纤维铺放机器来实施的。
22.根据权利要求20所述的方法，其中组装层板是通过使用限定框架的弧曲的极坐标参考系统来实施。
23.根据权利要求20所述的方法，其中使铺层成形是通过在工具上弯曲铺层的边缘来实施的。
24.一种制造具有一体剪切带的飞行器的弯曲单件式框架的方法，其包括：
使用极坐标参考系统来限定框架的弧曲；
组装复合铺层，包括
铺设多个复合材料层板，其包括被单向纤维加强的树脂，每个层板均具有成角度的纤维取向，并且
随着层板正在被铺设，使用极坐标参考系统来相对框架的弧曲定向每个层板，包括使用计算机控制的自动纤维铺放机器来辅放复合纤维在工具上，使得纤维在沿弧曲的几乎所有点处与框架的弧曲基本相切；
将铺层放置在具有第一、第二和第三工具表面的工具上；
在工具上真空袋成形所述铺层，包括将铺层拉下至第一工具表面上以形成内翼弦，将铺层拉下至第二表面上以形成外翼弦并且将铺层拉下至第三表面上以形成连接内翼弦和外翼弦的腹板；并且
熟化/固化所形成的铺层。
25.一种具有一体剪切带的飞行器机身的单件式复合框架，所述一体剪切带将框架连接至机身上的外蒙皮，所述单件式复合框架包括：
多层板复合层压件，其具有限定了腹板、内翼弦和外翼弦的大致Z截面形状，其中外翼弦适于被紧固至蒙皮并且从腹板的一端横向向上延伸，内翼弦从腹板的另一端在与外翼弦的延伸方向相反的方向上横向向外延伸，
腹板、内翼弦和外翼弦中的每个均包括具有单向加强纤维的层板，单向加强纤维被定向在限定框架的弧曲的极坐标参考系统内，
至少某些层板包括基本沿弧曲的整个长度与框架弧曲基本相切地取向的加强纤维。
在参考附图和随附的权利要求时，所公开的实施例的其他特征、益处和优点在如下的实施例的描述中将变得明显。
附图说明
图1是飞行器机身的桶状部分的透视说明图。
图2是在图1中显示的机身中使用的高度波形化复合框架段的透视说明图。
图3是沿图1中的线3-3截取的截面说明图。
图3A是相似于图3的说明图，但显示了具有可替代截面形状的框架段。
图4是显示图2中显示的框架段的层板叠板的截面说明图。
图4A是使用根据公开的实施例的框架的飞行器机身的截面示图的说明图。
图4B是图4A中被标记为“A”的区域的说明图。
图4C是图4B中被标记为“B”的区域的说明图。
图4D是制造具有一体剪切带的单件式框架的方法的简化流程图的说明图。
图5是在制造图2和图4B中显示的框架段中使用的平坦层板堆的透视说明图。
图6是用于放置层板堆的AFP自动机器的透视说明图。
图7是用作在显示在图6中的机器人上的末端效果器的AFP机器的透视说明图。
图8是显示用于限定图2和图4A的框架段中的层板取向的极坐标系统和笛卡尔坐标系统的示意说明图。
图9是包含0度取向纤维的层板的平面说明图。
图10是分别包含45度和90度取向纤维的层板的示意性说明图，并且说明了丝束和带楔的使用。
图11是平面的层板堆的透视说明图。
图12是相似于图11的透视说明图，但显示了已经沿层板堆的一个边缘形成的切口。
图13是显示用于垂帘成形框架段的内翼弦的垂帘成形装置的截面说明图。
图14是定位在包括部分图13垂帘成形装置的成形心轴上的平坦层板堆的透视说明图。
图15是相似于图14的说明图，但显示了已经围绕成形心轴完全形成的内翼弦。
图16是垂帘成形装置的透视说明图，其中柔性膜转向开放位置。
图17是相似于图16的说明图，但显示了已经关闭并且拉下围绕工具组件的柔性膜。
图18是用于框架段的外翼弦的垂帘成形的热垂帘成形装置的截面说明图。
图19是显示在图18中显示的热垂帘成形装置的透视说明图。
图20是包括部分图18垂帘成形工具组件的成形/固化心轴的透视说明图，并且描绘了位于其上的部分成形的框架段。
图21是相似于图20的说明图，但显示了在成形/固化心轴之上已经完全形成的外翼弦。
图22是用于固化框架段的成形/固化心轴袋组件的截面说明图。
图23是说明制造连续的、波形化复合结构的方法的流程图。
图24说明了根据所公开的实施例形成的连续复合结构的截面几何形状。
图25说明了带段关于它们在极坐标系统中的对齐被放置在基底上的平面示图。
图26是在图25中被标记为“A”的区域的放大说明图。
图27是显示可替代末端切口的单个带段的平面说明图。
图28是自动带铺放机器的透视说明图。
图29说明了使用恒定宽度的带段来制造波形化复合结构的方法的流程图。
图30说明了飞行器生产和服役方法的流程图。
图31说明了飞行器的方块图。
具体实施方式
首先参考图1-图3，桶状机身段30包括形成在框架结构32之上并且紧固其上的外蒙皮34。框架结构32包括多个纵向间隔的桶状框架32a和穿过桶状框架32a的纵向延伸纵梁32b。每一个桶状框架32a可包括多个使用任何适当手段被拼接在一起的单件式框架段36，所述适当手段例如但不限于拼接板(未显示)和紧固件(未显示)。然而，在一些应用中，也可以是半框架段和整框架段(未显示)。虽然桶状框架32a在所说明的实施例中被基本显示为圆形，但是其他框架形状是可能的，包括例如并且不限于椭圆形或者分段式圆形或者其他具有一个或多于一个轮廓/波形或者弧曲的非圆形形状。在此使用的术语“轮廓/波形”和“弯曲的”或者“弧曲”可互换使用。
如在图3中最好地观察到的，单件式框架段36包括具有大致Z形截面的弯曲多层板层压件并且包括通过腹板42连接至内翼弦40的外翼弦38。内翼弦40从腹板42的一端在一个方向上横向延伸，而外翼弦38在与内翼弦40延伸方向相反的方向上远离腹板42的另一端横向延伸。当观察截面(图3)时，外翼弦38和内翼弦40有效地形成了横于腹板42延伸的结构性分支或凸缘并且结构性分支或凸缘与腹板42一体地形成。在所说明的实施例中，翼弦38、40基本与腹板42成直角延伸，而在其他实施例中，翼弦38、40和腹板42之间的角度可以比直角更大或者更小。腹板42可包括可选的由层板倍增件构成的加强垫44。
外翼弦38形成了剪切带，蒙皮34被连接和/或紧固至剪切带。外翼弦38以及腹板42的一个边缘可包括多个间隔开的鼠洞形状的纵梁切口53，纵梁32b延伸穿过该切口53。如将在以下讨论的，框架段36由纤维加强合成树脂(例如碳纤维环氧树脂)的层压层板形成。如在图4中显示的，框架段36可包括层板叠板，其包括以整体层板46和部分层板48，整体层板46和部分层板48被设置且取向成提供最大结构性能同时有助于使用随后讨论的有效并可重复的制造方法。
具有整体形成翼弦36(作用为剪切带38)的单件式框架段36可具有对于具体应用最佳化的不同于Z形状的截面形状。例如但不限于，框架段36可具有J形状截面，如在图3A中显示的，其中内翼弦33包括从腹板42在相反方向上延伸并且横向于腹板42的帽或凸缘。
如在图4A中显示的，典型的机身段30可包括上机舱地板41和下货物地板43，每个地板均被连接至框架32a。下货物地板43可由支柱45支撑，支柱45也被固定至框架32a。还参考图4B和图4C，包括每一个框架段36的框架32a基于极坐标参考系统35被设计并且布置。极坐标系统是一种二维坐标系统，其中平面上的每个点由与固定方向成一定角度的距离固定点一定距离确定。因此，在本示例中，极坐标系统35包括径向坐标或从极点39延伸的半径“r”以及被指代为半径r相对参考轴线(在此指示为0°)的角坐标或极角的角度θ。每一个框架段36的弧曲37以及被安排用于框架段36的层板也是基于极坐标系统35。使用极坐标系统35来限定框架段36还可通过将特征整合到单个部件中同时在最小重量条件下提供所需强度来允许设计最优化。
使用极坐标系统35的框架设计可允许制造具有特制轴向刚度和整体故障安全性的复合框架段36。例如但不限于，腹板42被设计为具有增加的规格(厚度)，其中0°纤维含量在近似40％到50％之间的范围内来满足某些性能要求。使用极坐标系统35来设计包括层板布置的框架段36还可允许优化其他特征的设计，其他特征例如但不限于内翼弦38和外翼弦40以及垫高件(pad-up)44的厚度和纵梁切口52的形状与尺寸。
如在以下更细节地讨论的，每一个框架段36包括通过单向纤维加强的合成树脂的层压层板，其根据预定层板安排被布置。每一个层板可包括例如但不限于切缝带(slittape)形式的环氧预浸(pre-preg)丝束(tow)，所述切缝带是在铺置过程期间被铺放在工具(未显示)上的，其中纤维的取向基于极坐标系统35。如将在以下描述的，使用极坐标系统35来铺置并取向形成层板的环氧预浸带允许至少某些层板(在此指代为0°层板)的纤维取向被定位为与框架段36的弧曲37相切，这对应于围绕框架32a的钩环方向49。
根据具体的层板安排，腹板42、内翼弦40和外翼弦38中的每一个均可具有一个或多于一个0°层板。通过保持0°纤维在内翼弦40、腹板42和外翼弦38的基本所有点处与钩环方向相切，可改变层压取向的百分比，从而增加在钩环方向49上贯穿框架截面的杨氏模量(E)。在一个实施例中，这种修改的轴向内容对于内翼弦40而言可为0°层板调整成在40％-50％之间。
在另一实施例中，内翼弦40可针对内翼弦压力负载在相对高的轴向模量情况下被调整。腹板42可具有减小的规格，这可针对内剪切负载传递在较低轴向模量情况下被调整。垫高件44可在非常高的轴向模量情况下被调整。最后，内翼弦38可在较低轴向模量情况下被调整从而导致更高径向刚度、紧固件承受力和剪切负载传递能力。
按照所公开的实施例，框架段36的至少一些层压层板具有单向纤维取向，它们基本在沿弧曲37的所有点处与框架段36的弧曲37基本相切。因此，如在图4C中显示的，腹板42内的典型层板42包括遵循框架段36的弧曲37的单向加强纤维59。纤维59位于沿与限定弧曲37的半径“r”基本垂直的切线57。
现将注意力转向图4D，它宽泛地说明了制造弯曲复合框架段36的方法步骤。在步骤61处开始，包括其波形或弧曲37的框架段36的特征以及其层板取向被限定在极坐标参考系统35内。复合叠层在步骤63处形成。铺置过程63包括在步骤65处使用极坐标参考系统35铺置具有与框架段36的弧曲37相切的0°单向纤维取向的至少一些层板。铺置过程63还包括在步骤67处同样基于极坐标参考系统35铺置具有非0°单向纤维取向的层板。当铺置过程完成后，弯曲的叠层可使用随后在步骤69处讨论的工具使用形成Z形状截面或者J形状截面。
现参考图5-图7，自动铺放机(AFP)58可被用为机器人60上的末端效果器，以辅放纤维环氧预浸带的纤维丝束或条来形成平的层板叠板50。自动辅放机58可包括接收进来的预浸丝束62的梳状机构64，其中预浸丝束62在由丝束剪切机68剪切之前穿过自动器(ribonizer)66。被切断的丝束72在顺应性滚轴70下方穿过，顺应性滚轴70将丝束62施加并且压在基底(未示出)或者下层层板层(未示出)上。如在图5中最好的观察到的，自动辅放机58可用于辅放纤维丝束62或带，其中纤维在笛卡尔坐标系统47中被取向为预选择的角度。在所说明的示例中，层板叠板50包括具有在0度取向的纤维丝束的层板52、具有在+45度取向的纤维丝束的层板56和具有在-45度取向的纤维丝束的层板54。没有被显示但被嵌入在层板叠板50中的是具有90取向的纤维丝束的层板。
图8更好地说明了笛卡尔坐标系统47的取向和极坐标系统之间的关系，其中单向纤维丝束或带在笛卡尔坐标系统中辅放在层板叠板50中，极坐标系统限定了框架段36的轮廓。框架段36的轮廓，由编号37指示的，可通过径向坐标“r”被限定，“r”从极39开始并且相对被指示为0°的参考坐标形成极角θ。因此，框架段36的每个波形化特征均可由在角θ处的值“r”(径向坐标)限定。在此应该注意虽然所说明的框架段36具有恒定的半径(曲率)并且腹板42具有恒定的规格(厚度)，但是框架段36的曲率、腹板42的规格、内翼弦40的规格和外翼弦38的规格沿框架段36的长度均是可变的。
在所说明的示例中，层板叠板50由多个层板52、54、56形成，其中至少某些单向环氧预浸纤维在笛卡尔坐标系统47内被取向，其中该笛卡尔坐标系统47切向地与径向坐标“r”对齐。如将在以下以更多细节讨论的，在所说明的示例中，使用了0度、-45度、+45度和90度的纤维取向，然而，依赖于多种因素(包括具体应用和框架段36的几何形状)，其他的角度取向是可能的。如先前讨论的，在包含0°丝束的层板52的情况下(图5)，丝束与框架段36的弧曲37基本在沿弧曲37的所有点处基本相切。
现将注意力转向图9-图12，它们说明了平的层板叠板50的多个层板中的纤维取向。图9说明了通过自动辅放机58(图6)辅放丝束或带条的层板52，其中丝束或条带是0度取向、与弧曲37相切(图8)、沿框架段36的整个长度延伸。如在此使用的，“带”指代预浸(pre-impregnate)单向纤维，并且“丝束”可包括沿其长度被分裂成窄条的带，所述窄条的宽度可以是例如并且不限于0.125英寸、0.25英寸或0.5英寸。“列(course)”指代由APF机器58应用为条的丝束。“漏掉(drop)”指代AFP机器58切断一个或多于一个丝束，并且可包括相邻丝束或带之间的距离。切断/增加会聚区域意味列在相同层板内不同取向的列处终止，由此产生了间隙和重叠的区域。
0度层板52可通过使用AFP机器58将切缝带的放置转向而形成，其中一致性和漏下(drop-off)决定了层板52的宽度。虽然在图9中说明了完整的层板52，但是局部层板或带有漏下的层板也是可能的。随后将被形成为外翼弦、内翼弦和腹板的层板52的段分别被标记为编号38、40和42。在此应注意在一些实施例中，形成外翼弦40的层板可使用单独的丝束条或带层形成，其被预先切成一定宽度并且放置在随后讨论的工具上，而不是使用AFP机器58铺放。
包含在除0度外的角度上取向的丝束或带的层板由丝束/带的并排组或段55、74形成，它们的每一个具有逐渐变细的楔形形状。段55、74可使用带有确定侧面的上角(upangle)和漏下容隙形成。例如，图10说明了由段55形成的层板54，其中在每个段55中的纤维取向大致是+45度。
图11说明了由并排设置的段74形成的层板76，其中每个段74中的纤维大致在90度取向，基本与限定框架段36的轮廓37(图8)的径向坐标“r”的角度对齐。其中丝束72被放置以形成段74，单个丝束在层板76的弯曲的方向上成角度。成角度的丝束72被彼此并排地独立放置。可替代地，段可由纤维带的逐渐变细的楔形75形成，楔形75相对彼此以并排关系通过AFP机器58或相似的装置被放置。
现参考图12，在平的层板叠板50已经被完全放置之后，鼠洞切口53可沿层板叠板50的一个边缘51产生。切口53可使用多种技术中的任一来产生，例如，以举例方式并且不限于使用NC控制的超声波剪切器(未显示)。
在所说明的示例中，切口53提供了纵梁32b延伸穿过的开口(图1)。然而，在其他应用中可期望提供相似的切口53以减小重量和/或降低层板在随后的制造过程期间褶皱的可能性。
现将注意力指向图13-图17，它们说明了使用垂帘成形过程来形成内翼弦40。层板叠板50被放置在成形心轴80的上平坦表面80a上。成形心轴80包括弯曲或波形表面80b，这在所说明的示例中与上平坦表面80a基本成90度角。可用于形成外翼弦40的任何0度层板被直接放置在波形表面80b上。层板叠板50的外边缘50a延伸穿过弯曲边缘80b并且可在层板放置期间由放置架86支撑，放置架86随后被移动至图13中显示的位置。成形心轴80被支撑在真空袋工具84上，其由纤维玻璃通气件(breather)82分离。真空袋88被放置在层板叠板50和成形心轴80上。通气件90和FEP(氟化乙烯丙烯)层92可被放置在袋88和层板叠板50之间。袋88还可在其内表面上具有通道(未显示)，在此情况中不需要通气件90。
在层板叠板50的边缘50a垂覆于工具边缘80b的情况下，袋88抽真空从而将压力施加至层板叠板50，这样导致边缘50a在图13中箭头94的方向上向下弯曲，直到边缘50a基本平抵于成形心轴80的前向表面80b的波形并且基本呈现出成形心轴80的前向表面80b的波形。因此，层板叠板边缘50a被形成为内翼弦40，该内翼弦40具有与前向工具表面80b的半径R基本相同的半径。
以上说明的成形过程在图16和图17中显示的垂帘成形装置96中实施。袋88可包括气体可渗透膜，例如并且不限于其由安装在框架102内的硅酮形成，框架102被可枢转地附接至由腿100支撑的真空台架98。真空台架98包括口或孔(未显示)，其允许空气穿过台架98被抽出。成形心轴80与层板叠板50和放置架86一同可被放置在真空台架98上，其中框架102相抵真空台架98闭合。
如在图17中显示的，真空系统(未示出)可被用于将空气从由框架102和台架98形成的密封腔体中排出。这种腔体的排空导致膜88被下拉到成形心轴80上，因此在成形心轴80的前表面80b上形成了边缘50a。放置架86在形成过程期间部分支撑膜88，由此控制并且引导施加至膜88的边缘50a的力。
内翼弦40已经被完全形成后，制造方法中的下一步骤在图18-图21中被说明，其中外翼弦38被形成。外翼弦38可通过张紧热垂帘成形被制造，例如并且不限于，使用在图19中显示的垂帘成形装置124。垂帘成形装置124包括被加热的真空台架130，其被保持在由腿134支撑的下部框架128中。上部枢转框架126包括气体可渗透膜132，其可包括例如硅酮。成形/固化心轴106和波形块112形式的工具被支撑在真空台架130上并且当框架126闭合并且抵靠下部框架128密封时由膜132覆盖。
如在图18中最好的观察到的，成形/固化心轴106包括平坦上部工具表面106a，其支撑了层板叠板50。在成形/固化心轴106上的第二平坦表面106b从工具表面106a向上延伸并且接合内翼弦40。成形/固化心轴106还包括第三表面106c，其从工具表面106a向下延伸并且用于形成外翼弦38。
成形/固化心轴106被支撑在真空台架130上。由纤维玻璃或其他适当的材料形成的可选通气件110被放置在真空台架130和成形/固化心轴106之间。波形的加强件120被放置在层板叠板50之上以便保证半径122完全保持与内翼弦40邻接。这种材料(例如但不限于)的层板116以及通气件118可被放置在加强件和层板叠板50之间。FEP的额外层123被放置在成形/固化心轴的边缘和层板叠板50之间。FEP层123垂覆于块112上，它们组合用于控制在垂帘成形期间，袋膜132将压力施加至层板叠板50的外边缘50b上的角度。
外翼弦38可被热垂帘形成在成形/固化心轴106上，然后在烤箱中或通过其他装置例如红外线灯被加热到预选择的温度，例如近似140°F。在袋膜132中抽真空并保持预选择的时间段。在张紧受控的热垂帘成形过程期间，由于基质树脂的粘度因加热而降低，所以纤维可在层板内滑动。这允许纤维根据需要而成束或者扩散或者以其他方式重新布置。保持在叠板50下方的张力最小化了褶皱。半径加强件120保持内翼弦半径122(在图3中的40a)同时形成外翼弦38。
图20说明了位于成形/固化心轴106上的部分形成的层板叠板50，其中形成的内翼弦40被保持成抵靠工具表面106。层板叠板50的外边缘50b被悬臂在工具表面106b上方。如在图21中显示的，当膜132被下拉到成形/固化心轴106上时，膜132以由块112部分控制的角度将压力施加至外边缘50b。然后，层板叠板50的边缘50b在箭头114的方向上向下弯曲，直到完全抵靠工具表面106c成形并且形成了外翼弦38。
当已经形成了框架段36的内翼弦38和外翼弦40时，然后必要的是固化框架段36，并且在此连接中，注意力指向图22。所形成的框架段36和成形/固化心轴106从热垂帘成形装置124被移除。衬垫板139可被放置在外翼弦38上，以便协助压紧半径/弯角处(radius)141。相似地，可安装加强件142以便协助半径122的压紧。常规真空袋138被放置在框架段36上并且通过密封件140被密封至固化心轴136。FEP制成的通气件(未示出)和剥离层板(未示出)也被放置在成形/固化心轴106和袋138之间。
现将注意力指向图23，其说明了在生产波形复合结构的方法中使用的全部步骤。包括环氧预浸纤维丝束和/或带的原料在144被接收并且检测。在146，先前讨论的成形心轴80和成形/固化心轴106被清洁和准备。下一步，在148，外纤维玻璃层板被放置在成形心轴80上。
在步骤150，使用一个或多于一个AFP机器58放置叠板50中的所有各种层板。如在步骤152要求的，已经形成了平坦层板叠板之后，然后在层板叠板50中做出了鼠洞切口53。下一步，在步骤154，层板叠板50被放置在成形心轴80和放置架86上。然后在156，放置架86被移动到在后续成形过程中所用的位置。在步骤158，使用以上描述的垂帘成形技术形成内翼弦40。
在步骤160，部分成形的层板叠板50被放置在成形/固化心轴106中。在162，外翼弦38被热垂帘形成在成形/固化心轴106上。下一步，在步骤164，成形的框架段36被传输至固化工具136并且内纤维玻璃层板被放置在框架上。下一步，在166，安装了衬垫板139和加强件142，在此之后组件被真空包装以准备用于压热器固化。在168，框架段36在压热器(未示出)中被固化，随后在170，被固化的、完全成形的框架段36被去包装并且去毛边。框架段36可在172使用数控剪切器被修剪并且然后在174使用常规的非破坏性的评估技术来检测被修剪的框剪段36。
虽然公开的实施例说明了制造具有Z形状截面的的波形复合结构的方法的使用，但是其中一个或多于一个腿从结构部件例如腹板向外延伸的各种其他波形结构也是可能的。例如，如在图24中显示的，公开的实施例可用于制造具有其他腿配置或截面形状的波形的、连续的结构，例如但不限于，C形状176，J形状178，L形状180，I形状182，修改的J形状184和U形状186的一个或多于一个形式。
现将注意力指向图25和图26，它们说明了使用重叠层板段118来铺置波形层板201的另一种方法，其中重叠层板段188基本由恒定宽度、单向环氧预浸纤维带形成。恒定宽度层板段188可从标准或非标准宽度带的卷轴(未示出)上拉出的带被剪切而成。在图25和图26显示的示例中，层板段188基本是矩形形状，然而，它们可以具有其他形状，只要层板段188具有基本相同的宽度即可。层板段188被放置在基底(未示出)上并且沿被铺置的波形层板201的波形中心线192设置。每个层板段188均径向延伸分别超出内翼弦38和外翼弦40，以形成随后被修剪的延伸部200，从而由层板段188形成的完整层板201基本与结构36的波形/轮廓相配合。
每个层板段188均包括纵向中心线194，纵向中心线194在放置过程期间与极坐标系统190中源自极39的径向坐标“r”对齐。每个中心线194在图25中相对被显示为“0°”的参考线形成角度θ。极坐标系统190用于限定结构36(图2)的一个或多于一个波形。根据所公开的实施例，恒定宽度的带段188以相对彼此重叠的关系191被放置，重叠量优选地被保持基本恒定。随着每个层板段188被放置，其取向成偏离于先前放置的相邻段188一个小角度193(图26)。将层板段188以重叠关系191放置致使相邻的层板段188a、188b在内翼弦38附近形成了派状(pie-shaped)重叠部分196和邻近外翼弦的派状间隙198。重叠部分196和间隙198可通过改变带段188的宽度来调整以满足具体应用的结构要求。以上说明的恒定宽度带铺置方法允许即便在较小的高度波形化的复合结构上以相对快的速率放置非零层板。
如在图26中最好的观察到的，重叠部分196一般从层板201的中心线192延伸，其中重叠部分204的宽度204随着距中心线192距离的增加而逐级地变大。相似地，相邻层板段188a、188b之间的间隙198的宽度202随着距中心线192距离的增加也变大。根据公开的实施例，重叠部分196和间隙198是基本最小化的。与显示在图11中的实施例中使用的边缘剪切带段74相对比，使用恒定宽度的简单末端剪切层板段188有助于使用自动器械(以下讨论)来以最小化重叠部分196和间隙198的预定方式放置层板段188。
如以上描述的恒定宽度层板段188的重叠放置致使层板201具有由重叠部分196和间隙198限定的基本均衡移位的间断性。
带段188的宽度的选择将随着应用而改变。能够利用更窄的带段188以便减小重叠部分196和/或间隙198。相似地，可使用更宽的带宽度来提高铺置速率。45度层板201的重叠部分196和间隙199可通过改变层板段188至+/-60度取向被减小。
参考图27，每个带段188的重叠末端200可在206，即角度Φ处被剪切，以便分别基本匹配内翼弦38和外翼弦40的外轮廓。因此，段188的剪切末端206可基本遵循结构36(图2)的轮廓，致使段188具有大致梯形形状。
按照公开的实施例，每个层板段188使用显示在图28中的自动带铺放器械208被放置在基底(未示出)上，该器械208在与结构36(图2)的轮廓相关的极取向中与中心线194(图25和图26)对齐。参考图28，自动带铺放器械208包括安装在托台214上的可以是工具的枢转带铺放头210、212，以用于相对基底214的轮廓的枢转运动。每个头210、212均包括复合带的供给装置(未示出)以及剪切和铺放机构(未示出)，剪切和铺放机构将带剪切至一定长度并且将剪切的定长带放置在基底214上。带头210、212和/或基底214相对彼此移动，这样带头210、212横向跨过基底214并且一般在CNC控制器(未显示)的控制下自动放置复合带。适当的自动带铺放机器208的其他细节被公开在2006年11月21日授予的美国专利号7,137,182中，其全部内容通过引用并入本文。
现将注意力指向图29，其说明了制造具有一个或多于一个腿的波形复合结构的方法的全部步骤。层板201在一系列步骤216中被铺设，一系列步骤从218处开始，其中通过剪切恒定宽度的单向纤维的环氧预浸带至所需长度来生产层板段188。下一步在220，层板段188被以并排重叠地关系放置基底上且其遵循复合结构的轮廓。在铺放过程期间，层板段188的纵向中心线194相对于结构的轮廓对齐于极取向。在222处，相邻层板段188a、188b之间的重叠部分196和间隙198被控制。一般地，当使用在图28中所示类型的自动带铺放器械时，这种控制被自动实施。
然后在224处，每个完整的层板201或层板201的叠板按需要被修剪至最终形状。在226处，完成的层板叠板50(图8)可使用本文先前描述的技术来成形，这可包括形成一个或多于一个腿。最后，在228处，成形的层板叠板50可被压紧并且固化。
本公开的实施例可以在一系列潜在的应用中使用，特别是在运输工业，包括例如航空、航海和机动车辆的应用。因此，现参考图30和图31，本公开的实施例可在飞行器制造和服役方法230(如在图30中显示)和飞行器232(如在图31中显示)的背景下使用。所公开实施例的飞行器应用可包括例如但不限于，复合刚性构件，仅举几个例子例如加强件、横梁和纵梁。在预生产期间，示例方法230可包括飞行器230的规格和设计234和材料采购236，其中所公开的波形结构被专门用于飞行器232中。在生产期间，部件和子组件制造238和飞行器230的系统整合240发生，其中使用所公开的方法制造各种部件和子组件。之后，飞行器232可进行检测和交付242以便服役244。在服务于消费者期间，飞行器232被定期例行维修和维护246(其还可包括修改、重整和翻新等等)，这可包括使用公开的波形结构。
方法230的每个过程可通过系统综合者、第三方和/或使用者(例如，消费者)实施或运行。为本说明的目的，系统综合者可包括但不限于任何数目的飞行器制造商和主要系统次承包商；第三方可包括但不限于任何数目的厂商、次承包商和供应商；并且使用者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等等。
如在图31中显示的，通过示例方法230生产的飞行器232可包括带有多个系统250和内部机构252的机身248。高级系统250的示例包括推进系统254、电子系统256、液压系统258和环境系统260中一个或多于一个。还可包括任何数目的其他系统。虽然航空示例被显示，但是本公开的原理可应用至其他工业，例如航海和机动车辆工业。
在此实施的系统和方法可在生产和服役方法230的任意一个或多于一个阶段中使用。例如，对应生产过程208的部件或子组件可通过相似于飞行器232在服役时生产的部件和子组件的方式被制造或生产。再有，一个或多于一个装置的实施例、方法实施例或其组合通过显著加速飞行器232的组装或降低飞行器232的成本在生产阶段238和240期间被利用。相似地，一个或多于一个装置实施例、方法实施例或其组合可在飞行器232在服役中，例如但不限于在维修和服务246中被利用。
虽然已经相对适当的示例实施例描述的本公开的实施例，但是将理解具体的实施例仅为说明目的并且没有限定作用，因为对于本领域的技术人员将产生其他变型。

Claims (6)

1.一种用于制造飞行器机身的弯曲单件式复合框架的方法，其包括：
使用极坐标系统来限定纤维加强树脂层板的弯曲单件式框架的弧曲；
组装复合铺层，其包括：
铺置包括树脂加强的单向纤维的复合材料的多个层板，所述多个层板中的每个具有成角度的纤维取向，和
随着所述多个层板被铺置，利用所述极坐标系统相对于所述弧曲定向所述多个层板中的每个，
铺放复合纤维在工具上，使得所述复合纤维在沿所述弧曲的几乎所有点处与所述弧曲基本相切，并且其中利用所述极坐标系统相对于所述弧曲定向所述多个层板中的每个进一步包括沿着所述弯曲单件式复合框架的长度或宽度改变所述弯曲单件式复合框架内的所述多个层板的厚度或者0度纤维含量；
将所述复合铺层放置在工具上；
将所述复合铺层下拉到所述工具上；并且
在将所述复合铺层下拉到所述工具上之后，固化所述复合铺层。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用计算机控制的自动纤维铺放机器来将复合纤维铺放在所述工具上。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述工具上弯曲所述铺层的边缘。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述工具包括第一表面、第二表面和第三表面。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述工具上真空袋成形所述复合铺层。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述复合铺层下拉至所述工具的第一表面上以形成内翼弦，将所述复合铺层下拉至所述工具的第二表面上以形成外翼弦并且将所述复合铺层下拉至所述工具的第三表面上以形成连接所述内翼弦和所述外翼弦的腹板。
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