CN103128982A - 皱褶控制方法及用于执行此方法的工具 - Google Patents

Abstract

一种用于形成叠层元件的方法，该方法包括步骤：a）提供具有模制型面的工具；b）将一堆板层设置在工具的模制型面上；以及，c）在成型工艺中在模制型面上模制该堆板层；其中，该工具的模制型面中具有皱褶控制结构以用于在成型工艺中控制板层上的皱褶形成，其中，皱褶控制结构在成型工艺中与该堆板层相互配合以在叠板元件的最靠近工具的名义表面中形成局部表面波度，从而防止板层起皱或在一个或多个板层中的预定位置上促使皱褶形成。另外，还公开了一种具有皱褶控制结构的工具，以及如此形成的叠层元件。

Description

皱褶控制方法及用于执行此方法的工具

技术领域

本发明涉及一种用于形成叠层元件的工具、用于形成叠层元件的方法、以及如此形成的叠层元件。

背景技术

叠层元件可通过以下步骤形成：在模制工具上布置一堆板层、使该堆板层变形为工具的形状、然后固化该堆板层以形成结实坚固的元件。当叠层组折叠在模具的复杂三维模制型面上时，一些板层根据表面弯曲特性可能被迫收缩或膨胀。如果板层包括具有最小收缩能力的材料，如合成材料中的碳纤维或凯夫拉（Kevlar）纤维或玻璃纤维，几何结构可引起成品叠层元件的板层起皱。

在复合叠层元件的板层中形成皱褶是不受欢迎的，因为皱褶会引起元件上出现空隙、不连续、以及树脂丰富区域或树脂稀少区域。这些缺陷会降低元件性能（例如降低强度和硬度），并且会影响元件的耐久性。因而，与根据无皱褶元件的设计形状制成的所要得到的元件相比，板层上具有皱褶的复合元件的性能可能要差一些。

皱褶（特别是影响叠层组的外层的皱褶）的形成，还会降低元件的表面精度，如果皱褶形成在被设计为与其他元件接合的表面上，会出现特别的问题，并且在成品元件能被接受之前可能需要进行特许的工作。

皱褶会以不可预见的方式形成，从而，使用相同或类似工具形成多个复合元件时，元件上会呈现不同的皱褶特性。例如，皱褶的范围和每个元件中皱褶形成的一个位置或多个位置会变化。皱褶形成的这种不可预见性会导致不标准（因而耗时）的检测、校正和调整工作，且难以形成基本相同的、具有可预见特性和属性的元件。

因为这些原因，通常希望在成型工艺中消除或控制叠层组内皱褶的形成，从而使得所制成的元件的形状和属性最优，并且使得按相同设计所生产的多个元件能被制造成基本上相同。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种具有模制型面的工具，该工具用于通过堆叠一堆板层来形成元件，在成型过程中所述一堆板层被设置在工具的模制型面上，该工具的模制型面中包括皱褶控制结构，用于控制板层中皱褶的形成，其中，皱褶控制结构被设置为在成型过程中与该堆板层相互配合，以在叠层元件的最靠近工具的名义表面上形成局部表面波度，从而防止板层中起皱或促使皱褶形成在一个或更多个板层的预定位置上。

本发明的另一方面提供了一种用于形成叠层元件的方法，该方法包括以下步骤：a）提供具有模制型面的工具；b）将一堆板层设置在工具的模制型面上；以及，c）在成型过程中在模制型面上模制该堆板层；其中，该工具的模制型面中具有皱褶控制结构，用于在成型过程中控制板层中皱褶的形成，其中，在成型过程中，皱褶控制结构与该堆板层相互配合以在叠板元件的最靠近工具的名义表面上形成局部表面波度，从而防止板层中起皱或促使皱褶形成在一个或更多个板层的预定位置上。

本发明的优点在于：在模制叠层元件过程中可控制皱褶的形成。通过在叠层元件的最靠近工具的名义表面上形成局部表面波度，与叠层中的不受控的皱褶相关的问题可消除或至少显著减少。

叠层元件的名义表面是元件的设计表面。局部的表面波度是对设计形状已知的、可预见的变化，该变化被认为是制造工艺的可接受结果。由于工具的模制型面的形状所形成的皱褶可完全被消除，或者可减少所述皱褶或将所述皱褶转移到可预见的和/或问题更少的位置，从而与无皱褶元件的所要得到的设计形状相比可减少或消除性能退化。因而，元件的结构和属性的可预见性更高，从而可更准确地分析、优化、制造元件。

板层可以是纤维板层，例如含有碳纤维或玻璃纤维或凯夫拉纤维或任何其他合适材料的板层。板层可以是预浸渍板层或干纤维板层。纤维板层可以是单向的、编织的、或任何其他合适类型的纤维板层。

所述工具可使用具有如下特点的任何制造工艺来形成所述元件，在所述制造工艺过程中，复合元件通过与具有模制型面的工具相互作用而成型。例如，板层可以以一堆板层的形式设置在工具上，或可供选择地，将单个板层按照次序一个接一个地设置在工具上。在这两种情况下，都可以以手动或自动或半自动方式将板层设置在工具上。

工具可以是阳模或阴模。阳模通常为凸起的形状，板层放置到凸起上，而阴模通常为凹槽的形状，板层放置在凹槽中。

叠层组可以设置有可去除的剥离板层，在成型过程中该剥离板层位于结构层和工具的模制型面之间。叠层元件和工具分开时或成品元件被接受之前，可将该剥离板层从叠层组去除掉。可供选择地，设置在工具上的板层可以没有剥离板层。

皱褶控制结构可以包括凹槽。可供选择地，皱褶控制结构可以包括突起，或可以包括凹槽和突起这两者。皱褶控制结构适于在模制型面的区域内提供增加的路径长度，以容纳至少一层板层中的裕量材料。在某些区域中，板层预期将收缩得比材料属性所允许收缩的程度更大，因而通过在该区域增加路径长度，将减少这些板层起皱的倾向。

皱褶控制结构可适于容纳至少一个板层中的足量的裕量材料，以防止板层起皱。

皱褶控制结构可适于促使至少一个板层在靠近皱褶控制结构的预定位置处起皱。可供选择地，由皱褶控制结构促使而形成的皱褶可位于远离皱褶控制结构的预定位置处。

因而，皱褶控制结构可用于防止皱褶形成在复合元件的一些区域内或使该区域中的皱褶减少到最少，其中特别期望防止皱褶形成在例如承受特殊应力集中的表面或被设计为与其他元件接合的表面。

皱褶控制结构的高度可在其范围内变化。

皱褶控制结构的宽度可在其范围内变化。

皱褶控制结构可以大体为标枪形或箭头形状。可供选择地，皱褶控制结构可以大体上为梯形、月牙形、椭圆形、矩形，或者用于在叠层元件的名义表面中形成期望的表面波度以控制板层起皱的任何其他形状。

皱褶控制结构可延伸至工具的模制型面的边缘。皱褶控制结构可朝模制型面的拐角延伸，可一直延伸至拐角处或仅朝模制型面的边缘和模制型面的拐角之间延伸一段距离。可供选择地，皱褶控制结构可位于工具的模制型面的可有效控制叠层组中皱褶的形成的任何位置处。

皱褶控制结构的尺寸（如高度）可较小，优选地不超过10个单板层的总厚度，优选地，小于5个单板层的总厚度。

工具可包括多个皱褶控制结构，至少一些皱褶控制结构可彼此相邻。

工具的模制型面具有复杂的三维形状。复杂的三维形状具有在所有三个维度上变化的截面。

该工具可以是细长的并具有纵向方向，模制型面的形状在纵向上可变化。形状变化可包括由于工具纵轴上的弯曲或扭曲而导致的变化。因而，该工具适于形成一种元件，这种元件具有纵轴和在纵轴方向上变化的截面，或者具有在纵轴上的弯曲或扭曲。

可使用相同或类似工具重复执行该方法来形成多个基本相同的叠层元件。所制成的这些元件可具有可预见的、相同的皱褶特征，从而与使用无皱褶控制结构的工具形成的元件（从而使得每一元件上均形成有不可控的皱褶）相比，元件之间的差异要小。

通过制成基本相同的多个元件，可减少使用相同或类似工具形成的元件的结构分析和性能的差异，可简化和标准化任何必须的检验、校正和调整工作。

可使用该方法来形成具有复杂三维形状的元件。特别地，该元件可具有L形截面或C形截面。该元件可以是飞机元件，特别是翼梁。翼梁可具有C形截面或连接到一起形成C形截面的两个L形截面。可供选择地，可使用根据本发明的工具或方法来制成用于任何其他应用场合的任何叠层元件。

附图说明

图1示出了飞机的平面图；

图2是飞机机翼沿图1中A-A线的截面图，示出了截面为C形的前部翼梁和后部翼梁；

图3a-3e示出了叠层元件的制造过程，该叠层元件是一个C形截面翼梁；

图4a示出了制造过程中使用的工具，图4b示出了该工具的一部分；

图5a-5c示出了叠层组中皱褶的形成；

图6a示出了该工具的模制型面上的皱褶控制结构，图6b示出了多个替代的皱褶控制结构；

图7a示出了通过使用该工具形成的叠层元件，该叠层元件具有由皱褶控制结构形成的局部表面波度，图7b示出了该叠层元件的一部分；以及

图8a-8c示出了皱褶控制结构的替换布置。

具体实施方式

图1示出了具有机身2和机翼3、4的飞机1。机翼3具有机翼盒，如图2中的机翼3的A-A截面所示，包括前部翼梁5、后部翼梁6、上部翼罩7和下部翼罩8。上部翼罩7和下部翼罩8提供了上部空气动力面和下部空气动力面；前部翼梁5和后部翼梁6是C形截面复合梁，它们支撑上部翼罩和下部翼罩。

前部翼梁5具有沿着其长度沿翼展方向延伸的纵轴、和沿纵轴方向的变化的截面。翼梁通过图3所示的成型工艺制成，该工艺的步骤如下：

a）铺叠多个纤维板层9以在铺叠台11上形成叠层组10（见图3a）；

b）利用加热系统12加热叠层组（见图3b）；

c）提供工具20（图3c），该工具具有可控形状的模制型面，该模制型面被设计为用于与叠层组10相互配合以形成翼梁5；

d）将叠层组10设置在工具20的模制型面上，然后在工具的模制型面上模制叠层组（图3d）；以及

e)硬化叠层组10以制成结实坚固的元件10'（图3e）。

叠层组10具有第一表面10a和与第一表面10a相对的第二表面10b，第一表面10a在成型工艺中最靠近工具。叠层组10的第一表面10a上还可另外设置可去除的剥离板层。可供选择地，可不使用剥离板层。在成型工艺中剥离板层位于叠层组10的第一表面和工具20之间，并且所述剥离板层在翼梁5被接受之前从叠层组10上去除。

成型工艺中，第一表面10a与工具20的模制型面相互配合，并且第一表面10a大体上呈现出模制型面的形状，从而叠层组呈现出被固化的元件10'的预期形状。

工具20（如图4a所示）具有纵轴L和沿着纵轴方向变化的截面，在所述工具上形成的翼梁5具有相应的纵轴和沿着其纵轴方向变化的截面。翼梁的高度和厚度在翼展方向上的变化可以是显著的，例如在大飞机中所述高度的变化可以大大超过1米，另外，翼梁可通过弯折或扭曲而包括另外的沿其长度方向上的变化。由于工具20的模制型面是三维设计造型，因此上述成型工艺中叠层组10设置在工具上时叠层组中会形成皱褶，这在保持翼梁5的最优结构设计时不能消除。

板层中的皱褶可以是环形、扭曲或折叠形式或是上述形式的组合，上述皱褶可影响一个或更多个板层。例如，皱褶可以是单个板层中的环部（或多个环部）30或折叠部31的形式，如图5中的叠层组10'中所示；或者可以是多个板层中的环部32或折叠部33的形式，如图5b中的叠层组10"中所示；或者可以是延伸通过全部叠层组的环部34的形式，如图5c中的叠层组10′″中所示。如背景部分先前解释的那样，在叠层组中不控制皱褶的形成是不利的，因为这将会降低结构性能、导致表面精度较低、元件不一致，以及检验、校正和调整工作耗时。

为了在成型工艺中控制叠层组10内的皱褶的形成，工具20的模制型面上设置有皱褶控制结构21，如图6a、6b和4b所示。皱褶控制结构21适于与叠层组的第一表面10a相互配合以在第一表面上形成可预见的表面结构14（被固化的元件的名义表面上的局部表面波度），如图7a和7b所示。该表面结构的形成可将皱褶对第二表面10b的影响降低到最小，并减小在第一表面处不受控制的皱褶的形成。皱褶控制结构还适于将其自身对元件的设计造型优化的影响降到最低，并最小化其自身对第二表面10b的造型造成的影响且最小化皱褶对第二表面10b的造型造成的影响。

皱褶控制结构21是凹槽22，在成型工艺过程中凹槽22与叠层组相互配合，适于容纳叠层组的裕量材料。从图6可看出，皱褶控制结构的宽度和高度在其范围内变化，凹槽大体上是标枪状或箭头状凹槽，其从工具20的模制型面的边缘附近朝工具的拐角23延伸。箭头状凹槽22朝拐角23尺寸逐渐变小。凹槽可延伸至拐角23处，或可供选择地，根据需要从模制型面的边缘朝拐角延伸一段距离。

在可供选择的实施例中，皱褶控制结构可以不是箭头形状而是某种其他形状。在图6b中，示出了在工具20'上相互邻近的几种替换形状的皱褶控制结构21'、21″、21′″和21″″。皱褶控制结构21'是箭头状且从工具20'的模制型面的边缘朝拐角23延伸一段距离。皱褶控制结构21″大体上为椭圆形并具有弯曲侧部和弯曲端部。皱褶控制结构21′″为梯形且具有平坦的端部。皱褶控制结构21″″为矩形。相对于前述的箭头形状部件而言，图6b中的皱褶控制结构的替换设计仅仅是一些可能的替换设计，其作为非限制性例子在文中提出。

皱褶控制结构的最优几何形状与位置取决于工具的模制型面的形状以及形成所述元件所使用的材料。因此，皱褶控制结构的最优类型、形状、尺寸和位置根据正成形的元件而明显不同。对于每个具体元件设计而言，通过模拟或反复试验和修正可决定皱褶控制结构的最优几何形状和位置。这样，可针对每个应用单独优化皱褶控制结构，从而最有效地控制复合元件范围内的皱褶的形成。

当叠层组10设置在工具20上（如图3d所示）且叠层组10适配在拐角23周围时，工具的复杂三维特性引起叠层组的一些区域收缩。由于纤维板层9的收缩能力最小，因而纤维板层倾向于变形弯曲，从而通过邻近第一表面10a的皱褶控制结构21促使皱褶的形成。

凹槽22接收第一表面10a处或第一表面附近的一些板层9的裕量材料，从而在第一表面处形成受控的表面结构14，如图7b所示。表面结构14是可预见的皱褶，该皱褶是在由皱褶控制结构21限定的可预见的位置促使形成的。被诱导的该皱褶可全部被容纳在凹槽22内，或从皱褶控制结构21（皱褶在该皱褶控制结构21处被诱导形成）向外伸出。

在可供选择的实施例中，皱褶控制结构21不是促使形成皱褶，而是适于在模制型面区域内为邻近第一表面的至少一个板层提供一段足以防止完全折皱的增加的路径长度。这种情况下，当邻近第一表面10a的板层9开始收缩时，工具20的模制型面上额外增加的路径长度容纳邻近第一表面的板层中的裕量材料以防止起皱。

通过容纳邻近第一表面10a的一个板层或更多个板层中的裕量材料、并在工具20上的皱褶控制结构21处或皱褶控制结构21附近形成表面结构或诱导皱褶，皱褶控制结构用于防止或减少皱褶形成在叠层10中的远离皱褶控制结构的区域中。这样，可控制元件10'内的皱褶范围和位置。对皱褶的控制包括减小皱褶的范围以及控制其位置，从而可防止或减少在特别需要获得精确的预定表面的区域中形成皱褶，所述表面例如是翼梁5的基础面，该基础面用于安装其他元件（包括上部翼罩7和下部翼罩8以及肋）。

工具20可用于形成多个翼梁5。每个翼梁5均具有通过皱褶控制结构21形成的可预见的表面结构14，翼梁5的所有表面结构基本相同。另外，在形成每个翼梁时，表面结构14的形成用于控制翼梁5的叠层组中皱褶的形成，从而使各翼梁均从上述皱褶控制的积极效果中获益。因为翼梁5中的皱褶的受控的形成是可预见的，因而与一组翼梁形成在无皱褶控制结构的同一工具上的情况（这种情况会形成不可控、不可预见的皱褶）相比，翼梁之间的相似程度要更高。这样，本发明也能形成使翼梁之间的差异最小的多个翼梁5。

在可供选择的实施例中，用于形成翼梁（该翼梁与前述翼梁5基本类似）的工具40可设置有包括彼此相邻的两个凹槽42的皱褶控制结构41，如图8a所示。采用这种布置的多个相邻凹槽与前述皱褶控制结构的作用类似，但形成了多个表面结构，从而相对于叠层元件的名义表面形成了范围更大的局部表面波度。通过使用多个凹槽，可增加皱褶控制结构容纳的裕量材料的量，或可减少每个凹槽所需的范围。通过使用多个更小的凹槽42代替前述的单个更大的凹槽22，可将皱褶控制结构对翼梁5的形状的影响降到最小，这是因为减小了所形成的表面结构的范围。

在可供选择的实施例中，用于形成翼梁（其与前述翼梁5基本类似）的工具40'可设置有包括多于两个的相邻凹槽42的皱褶控制结构41'，如图8b所示，该实施例的优点类似于图8a所示实施例的优点。

在可供选择的实施例中，用于形成翼梁（其与前述翼梁5基本类似）的工具40"可设置有皱褶控制结构41"或控制结构41'"，皱褶控制结构41"包括突起43，控制部件41′″包括突起43和凹槽42，如图8c所示。突起43用于在皱褶控制结构41'限定的位置促使形成可预见的可控皱褶，皱褶控制结构41'用于控制翼梁的叠层组中的皱褶的形成。

后部翼梁6同样也可使用具有上述某种皱褶控制结构或多种皱褶控制结构的工具形成。后部翼梁6，类似于翼梁5，可以是笔直的翼梁，或者，可供选择地，包括弯折或扭曲部分。

可在工具上设置任意数量的皱褶控制结构，每个皱褶控制结构包括单个凹槽或多个凹槽，和/或单个突起或多个突起。

在上述实施例中，皱褶控制结构设置在阳模的模制型面上。但是，在另一实施例中，皱褶控制结构可设置在阴模的模制型面上。设置在阴模上的皱褶控制结构可适于控制皱褶的形成，其控制方式与已述的任一实施例中的方式相同。

在上述实施例中，多个板层铺叠在一起形成板叠层，然后将该板叠层设置在工具上。但是，在另一实施例中，多个板层可按次序设置在工具上以使板叠层组装在工具上。可通过手动或自动或半自动方法将叠层组或各单层设置在工具上。

尽管已经参照一个或多个优选实施例描述了本发明，但是可以理解为：在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可进行各种改变和改进。

Claims (22)

1.一种具有模制型面的工具，该工具用于通过堆叠一堆板层来形成元件，在成型工艺过程中所述一堆板层被设置在工具的模制型面上，该工具的模制型面中包括皱褶控制结构以用于控制板层中皱褶的形成，其中，皱褶控制结构被设置为在成型工艺过程中与该堆板层相互配合以在叠层元件的、最靠近所述工具的名义表面上形成局部表面波度，从而防止板层中起皱或在一个或多个板层中的预定位置上促使皱褶形成。

2.根据权利要求1的工具，其中，皱褶控制结构包括凹槽，该凹槽延伸到工具的模制型面中。

3.根据权利要求1的工具，其中，皱褶控制结构包括突起，该突起从工具的模制型面向外延伸。

4.根据前述任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构适于在模制型面的区域内提供增大的路径长度，以容纳至少一个板层中的裕量材料。

5.根据前述任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构适于容纳至少一个板层中的足量裕量材料以防止该板层起皱。

6.根据权利要求1至4中的任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构适于促使至少一个板层在邻近皱褶控制结构的预定位置处起皱。

7.根据权利要求1至4中的任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构适于促使至少一个板层在远离皱褶控制结构的预定位置处起皱。

8.根据前述任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构的高度是能够变化的。

9.根据前述任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构的宽度是能够变化的。

10.根据前述任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构大体上为标枪状或箭头形状。

11.根据前述任一权利要求的工具，其中，皱褶控制结构延伸至工具的模制型面的边缘。

12.根据前述任一权利要求的工具，包括多个皱褶控制结构。

13.根据权利要求12的工具，其中，至少一些皱褶控制结构相互邻近。

14.根据前述任一权利要求的工具，其中，模制型面具有复杂的三维形状。

15.根据前述任一权利要求的工具，其中，所述工具是细长的并具有纵向方向，模制型面的形状沿着所述纵向方向变化。

16.根据前述任一权利要求的工具，其中，该工具是阳模工具。

17.一种用于形成叠层元件的方法，该方法包括步骤：

a）提供具有模制型面的工具；

b）将一堆板层设置在工具的模制型面上；以及

c）在成型工艺中在模制型面上模制该堆板层；

其中，该工具的模制型面上具有皱褶控制结构以用于在成型工艺中控制板层中皱褶的形成，其中，皱褶控制结构在成型工艺中与该堆板层相互配合以在叠层元件的、最靠近所述工具的名义表面中形成局部表面波度，从而防止板层起皱或在一个或更多个板层中的预定位置上促使皱褶形成。

18.一种根据权利要求17所述的方法，其中使用相同或类似工具对该方法进行重复执行，以形成多个基本相同的叠层元件。

19.一种根据权利要求17的方法形成的叠层元件。

20.根据权利要求19的叠层元件，该叠层元件具有复杂的三维形状。

21.根据权利要求19或20的叠层元件，该叠层元件具有L形截面或C形截面。

22.根据权利要求19至21中的任一权利要求的叠层元件，该叠层元件是飞机元件，优选是翼梁。

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