CN102990943A - 包括蒙皮和加强筋的结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

结构特别是复合材料制航空器机身的制造方法，结构特别是复合材料制航空器机身包括蒙皮（2）和称为加强筋（4）的固定在蒙皮（2）上的V形截面型材构件。该方法包括使一些模子在模芯上定位以在模子之间形成凹槽的步骤。凹槽按照至少两个网（6a、6b、6c）布置，同一网（6a、6b、6c）的每个凹槽与另一网的至少一凹槽在一结点（8）处遇合。该方法还包括使加强筋预型件在凹槽中定位使得至少两条加强筋（4）在所述结点（8）处遇合的步骤、以及注入树脂以组装加强筋（4）的步骤。因此得到呈单体构件构成的结构。

Description

包括蒙皮和加强筋的结构的制造方法

技术领域

本发明涉及包括蒙皮和加强筋的结构、特别是复合材料制航空器机身的制造方法，并涉及相关装置。

背景技术

通常地，在实施复合材料制航空器机身时，航空器机身由具有呈T、L、Z形截面或呈Ω形截面的纵向加强筋（称为纵桁）的板构成。

为加固结构，将机身框架垂直于加强筋附接，并借助通常称为角钢（英文术语为“clips（夹片）”）的构件将机身框架固定于板。实际上，在大多数情况下，框架与蒙皮没有直接接触。

另外使用一些称为稳定器（英文术语为“cleats（夹板）”）的构件以将框架与加强筋连接，特别是用以防止框架在其受到机械应力时通过翘起发生弯曲。

框架、角钢和稳定器在已由蒙皮和加强筋构成的板上的组装，由于其需要的调节和其长耗时，是一项昂贵的作业。

用相互间呈60°取向的加强筋的网加固的蒙皮所构成的飞机结构是以“Isogrid（等栅格）”结构的名称已知的，其中加强筋为薄片形式和集成于板。但是，该结构一般只应用于各向同性材料，而不用于复合材料。本发明提出克服上述缺点中的至少一个。

发明内容

因此，本发明涉及包括蒙皮和固定在蒙皮上的加强筋的结构的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

－将一些模制元件定位在一模芯上，以便在这些模制元件之间形成凹槽，所述凹槽按至少两个网布置，一网的一凹槽与另一网的至少一凹槽在一称为结点的位点处遇合；

－使加强筋预型件定位在所述凹槽中，使得至少两条加强筋在所述结点处遇合；

－注入树脂，以将所述加强筋装配在一起。

有利地，所述凹槽重现对于加强筋所需的布置，例如沿周向和相互间平行的加强筋的这种网状设置允许摆脱框架、角钢和稳定器的使用，因为它允许获得等同强度的结构。

因此，如上定义的方法允许得到只以单体构件形成的坚固结构，这允许在制造时节省时间，和相对于传统结构降低相关成本。

借助本发明的目标方法，不再需要实现昂贵、枯燥的固定和调整角钢及稳定器的作业。

实际上，在该方法时需要的仅有作业是使加强筋就位的作业和使加强筋相互间连接的树脂的注入的作业，模芯上凹槽的存在极大地方便了这些作业。

根据本发明的一可能特征，至少一网的凹槽的纵向延伸所界定的表面不正交于模芯的轴线。

换句话说，网相对模芯的周沿、换句话说对于该特殊应用相对机身的周沿（在传统的框架结构中使用），以倾斜的方式布置。某些加强筋可以是周向的（即与机身轴线垂直），而其它加强筋与机身轴线平行。

一可能构型包括两个加强筋网，加强筋所界定的表面都不正交于机身轴线。例如，属于不同网的两条加强筋所形成的角度等于45°。但是也可考虑其它角度。

另一可能构型包括两个加强筋网，第一网的加强筋所界定的表面正交于机身轴线（以周向方式，以与通常框架网的方式类同的方式），并且第二网的加强筋所界定的表面不垂直于机身轴线。两个不同网的两条加强筋之间的角度例如等于30°，但也可以是不同的。还可考虑数量更多的网。

特别是，为得到更坚固的结构，加强筋可以按照至少三个网布置，每个结点是至少三个不同网的至少三条加强筋之间的交点。

因此，一可能构型包括三个网，其中一网的加强筋所界定的表面正交于机身轴线（以与通常框架网的方式类同的方式，即以周向方式），另外两个网相对该网以倾斜的方式布置。

优选地，加强筋网的布置是短程线（géodésique）型的。

短程线型结构为加强筋网提供容易实现的、和从机械力分布的观点看为最佳的几何布置。

注入树脂前，如蒙皮或加强筋的组成件优选地是呈织物预型件的形式。

这涉及由干纤维构成的结构、和利用单向多轴向织物或纺织物制造的结构、或直接制造例如通过编织制造的结构。

为使这些织物预型件具有黏附性，优选地或通过少量环氧粉（例如质量百分比的2%-5%）、或通过缝合、或通过施加热塑罩（voile），使干纤维相互间连接。

特别是，加强筋由覆层和增强件构成。

因此，所述制造方法可以另外一方面包括使加强筋覆层预型件定位在所述凹槽中的步骤，和另一方面包括使加强筋的增强件定位在所述加强筋覆层上的步骤。

在加强筋定位步骤中，即在注入树脂步骤之前，这两个步骤优选一个在另一个之后进行。

增强件主要用于承受拉伸-压缩力，甚至弯曲力。覆层的作用尤其是保证与蒙皮的连接，并为加强筋的增强件提供保护。

根据本发明的一可能特征，制造方法另外包括罩覆蒙皮预型件的步骤。

该步骤优选是注入树脂前的最后步骤。

根据本发明的一可能特征，所述加强筋具有V形型廓。

V形型廓允许很容易地取出在制造加强筋时参与的树脂注入步骤中使用的模制元件。但是，还可考虑其它截面，如传统的T形或Ω形型廓。

为加固结构，加强筋的增强件由单向线或单向纱束（mèche）构成；并且，加强筋覆层由纺织物或多轴向织物组成。

增强件主要用于承受拉伸-压缩力，甚至弯曲力。它们例如由如碳纤维的复合纤维制的干单向线（UD）或干单向纱束、和工作覆层构成，工作覆层可由增强用的多轴向织物或纺织物构成。优选地，纤维以0°、即在加强筋的纵轴线中取向。

这些单向增强件优选是连续的。

至于覆层，其优选由纺织物或多轴向织物组成，因此允许保证与蒙皮的连接和为加强筋的单向纤维提供保护。

例如，每个覆层由多层复合纤维层片（pli）构成，它们的层以0°、90°、45°和-45°布置。

这在此涉及耐受相关力的构型。

作为替代，每个覆层由多层复合纤维层片构成，它们的层以0°、90°、30°和-30°布置。

为得到以单体构件形成的结构，蒙皮预型件被蒙覆在加强筋预型件上。

根据一可能特征，根据本发明的方法还包括使织物构件就位的步骤，所述织物构件（称为帽）基本为圆形，在所述结点处的其中心开有孔，保证在每个结点处遇合的所述加强筋之间的机械连接。

所述帽尤其旨在使加强筋覆层相互间连接，和因此分布一部分剪切力。为此，它们在每个结点处覆盖加强筋的所有端部。

开有孔的圆形件允许方便罩覆和得到力的较好分布。

为此，帽例如由多轴向织物、或复合材料增强织物构成。

为保证加强筋与蒙皮之间的牢固连接，在模制元件之间、以及在蒙皮预型件与所述模子之间将树脂注入到加强筋预型件中。树脂的共浸泡还可吸收残余力。

为得到用树脂浸泡预型件的良好质量，加强筋注入和蒙皮注入可以分别进行。

特别是，加强筋注入可以是到模子之间的凹槽中的线性注入，并且在加强筋的几乎整个长度上进行。至于蒙皮注入，其可以或是在蒙皮下于模子中心呈点状进行的，或者为得到良好的蒙皮浸泡质量，其是在模子-蒙皮界接部处在模子的整个表面上呈表面状进行的。有利地，注入树脂，然而树脂聚合。

根据一特殊特征，借助扩散栅网通过真空袋压成型（vacuum bagmoulding）工艺进行注入。

本发明还涉及包括蒙皮和固定在蒙皮上的加强筋的结构的制造装置，该制造装置包括：

－一模芯；

－一些模子，这些模子被固定在所述模芯上，以便在所述模子之间形成凹槽，所述凹槽按照至少两个网布置，一网的一凹槽与另一网的至少一凹槽在一称为结点的位点处遇合；

－一定位系统，其使加强筋定位在所述凹槽中，使得至少两条加强筋在所述结点处交迭；

－一树脂注入系统，其注入树脂以把所述加强筋装配在一起。

根据本发明的一可能特征，所述制造装置另外一方面包括罩覆系统和另一方面包括卷绕系统，所述罩覆系统在所述凹槽中罩覆加强筋覆层预型件，所述卷绕系统在所述预型件中卷绕单向线以构成加强筋的增强件。

优选地，加强筋覆层预型件的制造通过冲压系统或通过连续预成型系统进行，这些系统是简单而经济的方案。

由于类似的原因，借助自动绕线部件或通过放置干纤维进行卷绕。特别是，自动卷绕尤其允许在制造过程中节省时间。

根据本发明的一可能特征，该装置还包括蒙覆蒙皮预型件的系统。

根据所述装置的一特殊实施方式，模子具有梯形截面。

由于模子相互间形成凹槽，因而模子截面与对加强筋所需的形状有关。因此，为使凹槽截面为V形，模子截面为斜面，特别是为梯形，具有平坦表面的模子的使用更简单，特别是当它在模芯上定位时。

因此，可以根据希望赋予加强筋的形状，来考虑模子的其它截面。

根据一可能特征，通过至少两个螺钉来进行所述模子在所述模芯上的固定，所述螺钉插在每个模子中专设的孔内，第一螺钉所处的螺纹孔包括镶件和第二螺钉所处的孔包括导引销。

在例如铝制的模子中的螺纹孔中使用镶件，允许提高旋拧的寿命，所述镶件优选地为钢制和/或为螺旋型。

另外，导引销的使用允许锁定一所述螺钉的转动自由度，同时允许模芯与模子之间在不同制造步骤时的差胀。

最后，本发明还涉及借助根据本发明的制造方法制成的航空器机身。

附图说明

在下面作为非限定例子给出并参照附图进行的描述的过程中，可以了解其他的特征和优点，附图中：

－图1a是在第一实施方式中根据本发明的结构的一部分的示意图，所述结构在这种情况下为机身；

－图1b是在第二实施方式中根据本发明的结构的一部分的示意图，所述结构在这种情况下为机身；

－图1c是在第三实施方式中根据本发明的结构的一部分的示意图，所述结构在这种情况下为机身；

－图2是图1a机身的一部分的剖面示意图；

－图3是图1a机身的制造元件的一部分的在蒙覆蒙皮预型件之前的剖面示意图；

－图4是图3元件的俯视图；

－图5是图3元件的固定系统的剖面示意图；

－图6是图1a机身的制造元件的一部分的在蒙罩上蒙皮之后的剖面示意图；

－图7是可作为机身元件的圆柱形结构的模塑原理的示意图；

－图8是图1a机身的制造元件的在树脂聚合前的覆罩时的剖面示意图。

具体实施方式

图1a上所示的机身段包括蒙皮2，加强筋4固连于蒙皮2。蒙皮2由增强纤维层构成。

如下面将要描述的，加强筋4由单向纤维增强件组成，与蒙皮和加强筋固连的方式相同地，单向纤维包覆在纺织物或多轴向织物（multiaxiaux）中。

在图1a上所示的实施方式中，加强筋4按照三个网6a、6b和6c分布，每个网由延伸在相互间平行的平面中的加强筋组成。

网6a、6b、6c布置成两个不同网的两条加强筋之间的交点或结点8也是与第三网的其中一加强筋的交点。作为选择，例如为限制体积尺寸，与第三网的交点可以相对前两网的交点稍微错开。

但是，可以考虑其它实施方式，尤其是将这些网布置成两个不同网的两条加强筋之间的交点并不总是与第三网的另一加强筋的交点。例如可以选择同一网的加强筋之间的距离，以使同一网的每隔一条加强筋与另外两个网的加强筋遇合。图1b上所示的另一实施方式只包括两个加强筋网6b、6c，这两个加强筋网以相对于框架的周向网呈倾斜的方式布置，以便承接框架、角钢和稳定器通常承受的力。

另一可能构型（未示出）要求网6b、6c中的一个如图1a的网6a那样以周向方式布置在蒙皮2上。

可以注意到的是，在图1a上所示的实施方式中，网6a、6b、6c以短程线的方式布置。特别是，同一网6的加强筋4以彼此间隔相等的距离安置，并且该距离对于三个网6a、6b、6c都是相同的。

可选地，如图1c所示，对于每个网，同一网的加强筋4的间隔距离是不同的。

在图1c中，网6a的加强筋之间的距离与网6b和网6c的加强筋之间的距离是不同的，例如网6a的加强筋之间的距离值是其它距离的两倍。因此，网6a的加强筋4在每隔一个结点8处与其它加强筋遇合。

因此，在所有实施方式中，网在一平面中的投影形成顶部为结点8的多边形。在图1a、1b和1c上所示的例子中，这些多边形为三角形或菱形。

作为选择和如图1a-1c上所示的，结点8配有帽10。

帽10尤其由复合材料增强织物、或多轴向织物构成，其作用是保证在每个结点8遇合的加强筋4之间的机械连接和承接一部分剪切力。为此，它们在每个结点8处覆盖加强筋4的所有端部。

加强筋4的结构示于图2。每个加强筋包括一增强件12，增强件12优选由沿加强筋的方向延伸的单向增强纤维或单向增强纤维股（brin）、和纺织物或多轴向织物制的覆层构成。

特别是，这些纤维增强件可以由碳或在航空领域内的此类应用中以通常方式使用的任何其它材料制成。这样，加强筋具有良好的抗拉伸强度和部分地甚至具有良好的抗弯曲强度。

单向增强件12被包覆在纺织物（tissu）或多轴向织物制的覆层14中。增强件的截面为三角形，但也可考虑其它截面如T形或Ω形的截面。

优先地，覆层14由纺织物或多轴向织物例如以穿过多层结构的已知方式构成，其中所述多层以0°、90°、-45°和45°分布；以0°、90°、-30°和30°分布；以-45°和45°分布；或甚至以-30°和30°分布。

在模塑作业过程中将蒙皮2蒙覆到覆层14和单向增强件12上。这允许得到以单体构件形成的结构，从而降低制造成本。

下面的图表示根据本发明的结构的制造方法。这里谈的是在注入步骤前的加强筋预型件。

如图3中所示，制造方法的第一步骤在于把模子18安放到模芯16上，模子18优选地由铝制成和具有梯形截面。

模芯16在图7中所示的实施方式中为圆柱体，但是其也可以涉及如图3中所示的弯曲板。

特别是，模芯能是可热膨胀的。

这里，模子18是相同的，模子基本为图4中所示的俯视图所表示的三角形状。

该特殊选择与希望所述网6a、6b、6c以短程线方式分布的事实相关。

在其它实施方式（未示出）中，模子18的形状可以改变，特别是在具有以45°取向的两个网的结构的情况下，模子形状可以接近菱形。在又其它一些实施方式中，模子18可以不是全都具有相同形状。

模子18的截面与需要的加强筋形状有关。实际上，模子18均匀分布和相互稍微间隔开，以便在它们之间形成凹槽19。

这些凹槽19用作加强筋4预型件的包覆部。

凹槽的形状和其尺寸经过选择，以得到对于加强筋所需的截面。因此，在图3上所示的实施方式中，模子18的截面是斜面的，以使凹槽具有V形截面。

在其它实施方式中，特别是在加强筋具有T形或Ω形的形状的实施方式中，模子18的截面因而将匹配。

借助固定部件20，将模子18固定在模芯16上，为清楚起见，固定部件20在图3、6和8中用虚线示意性表示。

在图5中更详细地示出所述固定部件。

在该特殊实施方式中，固定部件20由至少两个螺钉22、一镶件21、一导引销23和一些密封垫圈24构成。

在一些替代实施方式中，一个固定部件20可以包括不同数量的上述各个元件，或者甚至可不包括镶件或导引销。

对每个模子，两个螺钉22中的一个穿过模芯，和作为在专设长形孔26中的导引销23。它们定位成支撑施加给模子的负荷和允许模子与模芯之间的差胀。为便于安装，螺钉从模芯16的内侧拧入。

优选为钢制和为“螺旋”型的镶件21装在至少一螺钉22与模子18之间，以延长旋拧的寿命。

为阻止转动自由度同时又允许螺钉22和模子18在整体加热时的差胀，至少一导引销23布置在长形孔26中。

设有密封垫圈24，以将其布置在螺钉22的头与模芯16的内表面之间。这些密封垫圈尤其允许避免在真空注入树脂时空气进入模具中，空气进入会在复合材料中产生孔隙度和因此会影响复合材料的机械特性。

还可围绕螺钉22的杆在模芯16和模子18的界接部处安置图5中未示出的密封垫圈，以避免注入步骤时树脂渗入到模子与螺钉之间。这样可以便于在构件脱模时取出螺钉22。

一旦模子18固定于模芯16，就可实施使帽10就位的非强制步骤（未示出）。

提醒的是，帽10通常为基本圆形状的、在结点处的其中心开有孔的纺织物或多轴向织物构件。

该形状允许方便罩上所述帽，并能很好地分布在结点处承受的剪切力。

但是，可以考虑不同材料和可选形状以实施帽。

然后，将加强筋4预型件的覆层14安置在凹槽19中，例如借助冲压系统或甚至连续预成型系统。

然后，将组成加强筋4预型件的增强件12的单向纤维安置于铺设有覆层14的凹槽19中。

尤其地，借助卷绕步骤实现该安置，在该卷绕步骤中，模芯16和模子18作为卷轴体，单向纤维作为线。

最后，将机身蒙皮2的预型件罩覆在模子及加强筋4预型件的表面上。

图6和7表示一旦这些定位步骤实现时的机身结构1的状态。

至于图8，其表示机身1制造方法的树脂注入步骤。

在该特殊实施方式中，通过本领域公知的真空袋压成型工艺进行该注入。

更特别的是，相继地用拔出织物30、垫板32（英文术语为“caul plate”）、引流织物34和真空袋36覆盖蒙皮2。

例如，利用位于每个结点8下面和在加强筋4预型件处的注入点28，进行注入。在结点8和加强筋4预型件处进行低压树脂注入（通常称为RTM，指英文术语“resin transfer moulding（树脂传递模塑法）”），和在加强筋4预型件之间进行LRI（“liquid resin infusion（液体树脂灌注成型工艺）”）型注入。

为得到树脂浸泡预型件的良好质量，分别进行加强筋注入和蒙皮注入。

实际上，加强筋注入是注入到模子之间的凹槽中的线性注入，并且在加强筋的几乎整个长度上进行。至于蒙皮注入，其或是在蒙皮下于模子中心呈点状进行的，或者为得到良好的蒙皮浸泡质量，其是在模子-蒙皮界接部处在模子的整个表面上呈表面状进行的（LRI型）。

尤其借助图8上所示的扩散栅网40（出于清楚的原因，其它图中没有示出），进行LRI型注入。为保证模具中的良好的真空水平，设有密封垫圈38。

这些密封垫圈38的布置根据模芯16的形状变化。如果模芯是圆柱体，则所述密封垫圈安置在真空袋36的边部上和在模芯16上安置在该模芯16的端部。如果模芯16为弯曲板，则密封垫圈38安置在模芯16的周边上。

还可考虑其它模塑技术，如高压釜模塑、真空模塑、负压模塑、压力模塑，或借助膨胀模芯模塑。

因此，上面描述的方法允许得到以单体构件形成的机身结构，其具有的机械强度与包括角钢（“clips”）和稳定器（“cleats”）的传统结构的机械强度相当，且不需要将这些构件集成于其中（或者使用少量这类构件），因此制造成本和安装成本较低。

上述实施方式只是实施本发明的可能的示例，而本发明并不局限于这些示例。

Claims (14)

1.结构的制造方法，其中所述结构包括蒙皮（2）和固定在所述蒙皮（2）上的加强筋（4），其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

－将一些模制元件（18）定位在一模芯（16）上，以便在这些模制元件（18）之间形成凹槽（19），所述凹槽（19）按至少两个网（6a、6b、6c）布置，一网的一凹槽与另一网的至少一凹槽（19）在一称为结点（8）的位点处遇合；

－使加强筋（4）预型件定位在所述凹槽（19）中，使得至少两条加强筋（4）在所述结点（8）处遇合；

－注入树脂，以将所述加强筋（4）装配在一起。

2.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，至少一网（6a、6b、6c）的凹槽（19）纵向延伸所确定的表面不正交于所述模芯（16）的轴线。

3.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法另外一方面包括使加强筋覆层（14）定位在所述凹槽（19）中的步骤，和另一方面包括使加强筋的增强件（12）定位在所述加强筋覆层（14）上的步骤。

4.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法另外包括将蒙皮（2）预型件罩覆在所述加强筋（4）预型件上的步骤。

5.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，所述加强筋（4）具有V形型廓。

6.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，加强筋的增强件（12）由单向线或单向纱束构成；并且，加强筋覆层（14）由纺织物或多轴向织物组成。

7.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法另外包括使织物构件（10）就位的步骤，所述织物构件基本为圆形，在所述结点（8）处的其中心开有孔，保证在每个结点（8）处遇合的所述加强筋（4）之间的机械连接。

8.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，在模制元件（18）之间、以及在蒙皮（2）预型件与所述模制元件（18）之间将树脂注入到加强筋（4）预型件中。

9.如权利要求1所述的结构的制造方法，其特征在于，借助扩散栅网（40）通过真空袋压成型工艺进行注入。

10.结构的制造装置，其中所述结构包括蒙皮（2）和固定在所述蒙皮（2）上的加强筋（4），其特征在于，所述制造装置包括：

－一模芯（16）；

－一些模子（18），这些模子固定在所述模芯（16）上，以便在所述模子（18）之间形成凹槽（19），所述凹槽（19）按照至少两个网（6a、6b、6c）布置，一网（6a、6b、6c）的一凹槽（19）与另一网（6a、6b、6c）的至少一凹槽（19）在一称为结点（8）的位点处遇合；

－一定位系统，其使加强筋（4）定位在所述凹槽（19）中，使得至少两条加强筋（4）在所述结点（8）处遇合；

－一树脂注入系统，其注入树脂以把所述加强筋（4）装配在一起。

11.如权利要求10所述的结构的制造装置，其特征在于，所述制造装置另外一方面包括罩覆系统和另一方面包括卷绕系统，所述罩覆系统在所述凹槽（19）中罩覆加强筋（4）覆层的预型件，所述卷绕系统在所述预型件中卷绕单向线以构成加强筋的增强件（12）。

12.如权利要求10所述的结构的制造装置，其特征在于，所述模子（18）具有梯形截面。

13.如权利要求10所述的结构的制造装置，其特征在于，所述模子（18）通过至少两个螺钉（22）被固定在所述模芯（16）上，所述螺钉（22）插在每个模子（18）中专设的孔（26）内，所述模子中的第一螺钉（22）所处的孔（26）包括镶件（21），而所述模子中的第二螺钉（22）所处的孔（26）为长形的，以保证导引。

14.航空器机身，所述航空器机身借助根据权利要求1至9中任一项所述的结构的制造方法制成。

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