CN103158280A - 限制裂缝在一个方向上扩散的由加强复合材料制成的壁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由复合材料制成的壁，包括至少两个嵌入树脂基体的纤维层(18、18′)，裂缝能够在扩展方向上沿所述壁扩散，其中，所述壁包括至少一个细长的金属加强件(20)，所述金属加强件沿与所述扩展方向相割的方向定向，并插入所述壁的两个纤维层(18、18′)之间。

Description

限制裂缝在一个方向上扩散的由加强复合材料制成的壁

技术领域

本发明涉及一种由加强复合材料制成的壁，用以限制裂缝在给定方向上的扩散。

背景技术

为了限制飞行器中噪音干扰的影响，已开发出减少噪音的技术，尤其通过在某些壁安置面板或涂层来吸收一些声能，尤其是利用亥姆霍兹共振器的原理。

这种类型的面板从外向内包括多孔阻音层、至少一个蜂窝结构以及反射壁或非渗透壁。作为选择，所述面板可包括多个叠加的蜂窝结构，其间设置有多孔阻音层。所述蜂窝结构的蜂窝的尺寸被设置为确保最佳的消音处理。

所述“层”是指可能具有或不具有相同特性的一层或多层。

根据一种实施方式，所述蜂窝结构表现为由复合材料制成的一个或多个蜂窝的形式。

所述反射壁可由复合材料制成并通过覆盖嵌入树脂基体的纤维来获得。

阻音结构是一种起到散逸作用的多孔结构，其将穿过其中的声波的部分声能转化为热能。阻音结构包括能够允许声波通过的开口区域，以及不允许声波通过但被设计为确保所述层的机械强度的封闭区域或实心区域。这种阻音层的特点尤其在于具有基本上随发动机、制成所述层的组件来变化的开口表面率。

通常，阻音结构包括至少一个多孔层和至少一个加强结构。

所述多孔层必须能够使得消音处理是线性的且使声波进入由蜂窝结构形成的亥姆霍兹蜂窝中。

根据一种实施方式，所述多孔层为金属织物，尤其是金属丝网，具有直径接近0.1mm的金属丝。

根据一个优点，这种金属织物是清除闪电的良好导体。

根据一种限制，这种与空气流接触的金属丝网必须没有生成过多的突起，从而金属丝的直径被限定为小于0.1mm或0.2mm。超出这个值，金属丝网的金属线将会产生抑制空气动力学的突起。

根据一个重点，金属丝网的部分表面粘接到阻音结构的其他层。

所述加强结构表现为由复合材料或金属材料制成的面板形式，其上形成有较大或较小截面的开口。根据一种实施方式，所述加强结构表现为具有圆形、椭圆形穿孔的薄板形式。

根据现有技术，所述多孔层和所述加强结构彼此独立地制成，并通过胶水简单连接而挤压彼此。

在声学上，所述消音处理面板的性能正在改进。它们相对于特定的压力来说是非常牢固的，这些压力例如是横向方向(垂直于所述层的方向)上的压缩力和纵向方向(包含在所述层的平面内的方向)上的拉伸应力。然而，这些面板是不可靠的且可能在受到冲击时破裂。最后，裂缝可能沿着不受控的路径从局部损坏区域扩散开来。

因此，在正常使用条件下，所述消音处理面板是令人满意的。但在发生意外的情况下，如果连接有消音面板的飞行器的结构趋于变形，面板所承受的压力可能导致裂隙或裂缝出现，如果负荷足够严重，裂缝可能扩散，由此导致面板破裂成数块。虽然在那种情况下消音处理变得次要，但是对于飞行器结构来说，尽可能少的破坏仍然是重要的，从而允许飞行器到达其最终目的地。

这个问题可被推广到由复合材料制成的飞行器的所有壁，例如那些形成机身的壁。对于消音处理面板，限定裂缝在给定方向上的扩散是重要的，以使得飞行器的结构尽可能少的损坏以允许飞行器继续其飞行任务。

按照一个更具体的问题，飞行器的由复合材料制成的部件在横向平面上具有封闭周界的截面，例如机身的一部分、用于进气口的消音面板或一部分机翼，这些部件具有轨道加强的结构来限制裂缝在垂直于横向平面的方向上扩散。但是，这些由复合材料制成的部件具有较低阻力来限制裂缝在横向平面内扩散的风险，进而裂缝可能延伸覆盖整个周围。

文献US2005/0112348提出了一种加强面板的方案，包括在面板表面上粘附突起的条带。这些条带可包括非金属的加强纤维。由于具有突起的元件，这种面板可能不被用于接触空气动力流的应用中。此外，非金属纤维不能限制裂缝的扩散，因为它们与制成面板的纤维层“破裂”得一样多。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决现有技术中的缺点，提出一种由加强复合材料制成的壁，用以限制裂缝在给定方向上的扩散而不会过多影响飞行器的机载质量。

为此，本发明涉及的由复合材料制成的壁包括至少两层嵌入树脂基体的纤维，裂缝能够在所述壁上沿扩展方向扩散，其特征在于，所述壁包括至少一个细长的金属加强件，其布置在与扩展方向相割的方向上且插入在所述壁的两层纤维层之间。

有利地，所述加强件由具有高于所述纤维层50％的断裂伸长率的材料制成。由于金属的可塑特性，金属加强件能够在破裂之前比纤维更易变形。

优选地，所述金属加强件表现为在张力施加于其一端时能够固定在纤维层之间。这一特征允许金属加强件不会在基体中移动，同时限定了加强件和相邻层之间的粘接。这一特征有利于裂缝的偏移，该偏移趋向于在加强件20的方向上扩散。

附图说明

其他特征和优点将由如下本发明的描述中显现，该描述仅为示例，附图中：

图1为消音面板的横向平面的截面图；

图2为示出由基准复合材料制成的面板的简图；

图3A为示出由复合材料制成的面板的简图，其由额外的织物夹层加强，其中裂缝已扩散；

图3B为示出裂缝已扩散的面板的简图，其由加强复合材料制成，具有凯夫拉(Kevlar)条带形式的加强件；

图3C为示出由复合材料制成的面板的简图，根据本发明其由金属加强件加强，以使其能够偏移裂缝的扩散；

图4示出了在平行于加强件方向上对面板测试抗张强度的曲线，分别测试了没有加强件、具有额外的夹层、具有凯夫拉加强件以及具有金属加强件的情况；

图5示出了在垂直于面板方向上对面板测试抗张强度的曲线，分别测试了没有加强件、具有额外的夹层、具有凯夫拉加强件以及具有金属加强件的情况；

图6A至6G为根据本发明各种变例的加强件的横向视图；

图7为图6B所示的加强件沿切割线VII-VII的截面图；

图8为用于飞行器发动机舱进气口的消音面板的透视图，示出了加强件的安装；

图9为图8中面板的横截面图；以及

图10为根据本发明的壁的横截面图。

具体实施方式

图1示出了消音面板10，其从外向内包括多孔消音层12、至少一个蜂窝结构14以及反射壁或非渗透壁16。

所述消音层12和蜂窝结构14不必详细描述，因为它们已被本领域技术人员所熟知，并且能够以相同于现有技术的消音面板的方式来制得。

所述消音层12和蜂窝结构14可由复合材料制成。所述反射壁16由复合材料制成，其包括至少两层平行于面板的平面定向且嵌入树脂基体的纤维18、18′。

根据一种实施方式，所述反射壁16包括至少两层纤维18、18′，所述纤维可以是也可以不是编织的，并且可以是也可以不是预浸制的，所述层彼此覆盖。所述壁可包括多于两层的纤维。如图10所示的，层18、18′可以交叉或交织。

根据一种实施方式，这些纤维可由碳制成。举例来说，为了提供数量级，碳纤维具有在0.005mm和0.015mm之间的直径，或者小于0.0002mm²的截面。

本发明可适用于所有类型的纤维，包括短纤维或长纤维。

所述壁16能够承受可产生裂缝(也被称为裂隙)的压力。

“裂缝”是指至少一个夹层的破裂。当其直接或间接穿过整个厚度时被称为裂穿。

考虑到所承受的压力，裂缝可在被称为扩展方向的方向上扩散。

根据本发明，所述壁16包括至少一个细长的金属加强件20，其与裂缝的扩展方向相割布置并插入到两层纤维18、18′之间。所述加强件20可如图1所示被布置在两个平行的层之间，或者如图10所示插入到交叉且穿过加强件上方/下方的层之间。

所述加强件是金属的，由于金属的可塑特性，其可在破裂之前比纤维更易变形。因此，用于加强件的材料必须具有高于纤维50％的断裂伸长率。

“金属”同样包含金属合金以及金属基体纳米技术。

“细长”意味着加强件的尺寸大于其他尺寸。如图6F和6G所示，加强件不必是直线形的，还可以具有弯曲的轮廓，例如波浪形。

对于本说明的其余部分，纵向X是指对应于加强件最大尺寸的方向，即其长度方向。

当加强件不是直线形时，在一给定点的纵向对应于加强件在该给定点的切线方向。

“横向平面”是指垂直于所述纵向的平面。

根据本发明的一个重点，金属加强件20必须具有使其在张力施加于其一端时被固定在两层纤维18、18′之间并且防止其向外移动的形状。

为此，如图6A至6E所示，加强件20不具有等截面，其截面在纵向上是变化的。

可替换地，如图6F和6G所示，加强件20在纵向上具有非直线形的轮廓，例如波浪形。

可替换地，如图6G所示，加强件20包括紧固点22，以将其连接至相邻层18、18′的至少一个上。

将金属加强件20成形为使其在张力施加于其一端时被固定在两层纤维18、18′之间能够限制在加强件20和相邻层18、18′之间的粘接。最佳地，加强件20的外表面不会粘附在相邻层18、18′上。这一特征有助于裂缝的偏移，裂缝趋向于在加强件20的方向上扩散。

根据本发明，在金属加强件20任一侧上的纤维层18、18′连接在由加强件覆盖的表面外侧。以这种方式，纤维层和金属加强件所嵌入的基体在加强件20的任一侧上是连续的，且在相同的聚合阶段期间发生聚合。所述壁在加强件的平面的任一侧上包括相同的组装基体。

有利地，加强件20为条带的形式，如图6A至6E和图7所示。这一特征能够使条带形式的加强件相比于圆柱杆形式的加强件在等截面处具有减小的厚度。可提供厚度为0.5mm，宽度接近0.7mm的条带，其对应0.35mm²的截面。为了获得相同的截面，圆柱形加强件必须具有接近0.65mm的直径。提供条带形式的加强件可限制加强件过厚，且因此限制了邻近层纤维破裂的风险。

根据另一个优点，提供条带形式的加强件可相对于具有圆形截面的加强件限制了纤维被剪切的风险，这种剪切的作用就像切断丝线。

根据图6A和6E示出的一种优选实施方式，加强件为具有凹槽24的金属条带形式，凹槽的宽度小于加强件的宽度，且相对于条带的纵向中轴线对称布置。这些凹槽限定了条带的两个支柱26、26′，所述支柱被布置在条带的纵向边缘(平行于纵向)且由横档28连接。相邻层18、18′在凹槽处嵌入相同的基体。

为了提供数量级，加强件的宽度如图6A和6B所示邻近30mm，如图6D和6E所示邻近20mm，或者如图6C所示邻近10mm。

支柱26、26′可以具有或不具有相同的宽度。支柱的宽度可在2mm至10mm范围内变化。

凹槽24可有规律地间隔开，如图6A至6C和6E所示，或者如图6D所示在其间具有不同的间隔。

凹槽24可在纵向上具有尺寸L1，其与横向上的尺寸L2相同或至多为其两倍，如图6B、6D和6E所示。

可替换地，如图6A和6C所示，凹槽的尺寸L1大于或等于尺寸L2的两倍。

最后，支柱26、26′和横档28可如6A至6C所示图具有基本上相同的宽度，或者如图6D和6E所示，某些横档28可具有大于支柱宽度的宽度。

根据一种优选实施方式，金属加强件20具有接近30mm的宽度和接近0.5mm的厚度，支柱和横档具有接近2mm至4mm的宽度，凹槽有规律地间隔开且具有30mm至35mm的尺寸L1和接近25mm的尺寸L2。

如图8和9所示，在消音面板10的反射壁16为具有轴线30的管状部分的情况下，加强件20应在平行于轴线30的方向上(优选有规律地)分布在圆周上。有利地，在进气口的圆柱形壁上，12至35个加强件应有规律地分布在周边上，在其间形成大致10°到30°变化的角度。有利地，应提供16至18个加强件。

对于增压机身的壁来说，不仅应限制裂缝的扩散，还要保证壁的密封。在这种情况下，加强件紧密布置在一起并在其间形成大致2°到10°变化的角度。

更一般地，在飞行器的由复合材料制成的壁在平行平面内具有封闭周界的截面的情况下，例如机身或机翼，加强件被布置在壁的层之间并垂直于截面平面定向。

当它们并入裂缝可在扩展方向扩散的壁中时，加强件20以大于或等于在扩展方向上加强件宽度5倍的距离间隔开。优选地，它们垂直于扩展方向定向，扩展方向必须优先被预防。

在图2中，测试片32被提供为由复合材料制成的板状形式，包括至少两层纤维。

测试片32包括裂缝34且在垂直于测试片平面的Z方向上承受沿相对方向定向布置于裂缝34任一侧上的张力36、36′，从而促使裂缝34在由箭头38标识的Y方向上扩散。

基准测试片32不包括任何加强件而是包括夹层的重叠，例如7个夹层，某些夹层具有在纵向上定向的纤维，其他纤维相对于纵向以±45°定向。根据一种实施方式，纤维由碳制成且嵌入环氧树脂。

在图3A中，测试片32′由相同性质的额外的夹层加强。以这种方式，测试片32′包括20％额外的夹层，测试片的质量合计增加20％。

测试片32′承受与测试片32相同的压力。如图3A所示，裂缝趋于在扩展方向上扩散。

如图4的曲线所示，在纵向X上的张力增益在曲线40和曲线42之间是15％，曲线40对应基准测试片32，曲线42对应测试片32′。

如图5所示，在垂直方向Z上的张力增益在曲线44和曲线46之间是2％，曲线44对应基准测试片32，曲线46对应测试片32′。

因此，尽管在质量上增加20％，对裂缝扩散的限制仅获得了2％的增益，裂缝的扩散与没有加强的测试片32的扩散相同。

在图3B中，测试片32″通过增加凯夫拉条带形式的加强件48来加强。测试片32″因此具有比基准测试片32高5％的质量。如图3B所示，裂缝趋于在扩展方向Y上扩散。

如图4的曲线所示，在纵向X上的张力增益在曲线40和曲线50之间是15％，曲线40对应基准测试片32，曲线50对应测试片32″。

如图5所示，在垂直方向Z上的张力增益在曲线44和曲线52之间是50％，曲线44对应基准测试片32，曲线52对应测试片32″。

在图3C中，测试片32″′通过增加根据本发明的金属加强件54来加强，金属加强件在扩展方向Y上间隔开。测试片32″′因此具有比基准测试片32高2％的质量。如图3C所示，裂缝趋于在扩展方向Y上扩散到加强件，然后偏移并趋于在纵向X上扩散。

如图4的曲线所示，在纵向X上的张力增益在曲线40和曲线56之间是30％，曲线40对应基准测试片32，曲线56对应测试片32″′。

如图5所示，在垂直方向Z上的张力增益在曲线44和曲线58之间是120％，曲线44对应基准测试片32，曲线58对应测试片32″′。

因此，如该试验所示出的，裂缝不在扩展方向上扩散，而是由于根据本发明的加强件而偏移。此外，应注意到对于具有根据本发明金属加强件的测试片，其具有比其他测试片大的增益且更加限制了对质量的影响。这些试验解决了本领域技术人员仅考虑相同质量的偏见；复合材料具有比金属更好的机械特性，由此金属飞行器部件可由复合材料制成的元件来替换。

Claims (12)

1.一种由复合材料制成的壁，其包括至少两个嵌入树脂基体的纤维层(18、18′)，裂缝能够在扩展方向上沿所述壁扩散，其特征在于，所述壁包括至少一个细长的金属加强件(20)，所述金属加强件沿与所述扩展方向相割的方向定向，并插入所述壁的两个纤维层(18、18′)之间。

2.根据权利要求1所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述加强件由具有高于纤维层50％的断裂伸长率的材料制成。

3.根据权利要求2所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述金属加强件(20)在张力施加于其一端时固定在所述纤维层(18、18′)之间。

4.根据权利要求3所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述加强件(20)的截面在其长度上变化。

5.根据前述任一权利要求所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述加强件(20)为插入在所述纤维层(18、18′)之间的条带。

6.根据权利要求5所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述加强件(20)为具有凹槽(24)的金属条带形式，所述凹槽的宽度小于所述加强件的宽度，且相对于所述加强件的纵向中轴线对称布置。

7.根据权利要求6所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述加强件的宽度为大约30mm。

8.根据权利要求6或7所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述加强件的厚度为大约0.5mm。

9.根据权利要求6至8中任一所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述凹槽(24)按大致2mm至4mm有规律地间隔开，并沿加强件的长度具有30mm至35mm的尺寸和沿加强件的宽度具有大致25mm的尺寸。

10.根据前述任一权利要求所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述壁包括数个加强件(20)，所述加强件以大于或等于在扩展方向上所述加强件宽度5倍的距离间隔开。

11.根据前述任一权利要求所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述壁具有在平行平面内封闭周界的截面，并且所述壁包括有规律地分布在所述封闭周界的外围上的多个加强件，在所述多个加强件之间形成大致10°到30°变化的角度。

12.根据权利要求1至10中任一所述的由复合材料制成的壁，其特征在于，所述壁具有在平行平面内封闭周界的截面，并且所述壁包括有规律地分布在所述封闭周界的外围上的多个加强件，在所述多个加强件之间形成大致2°到10°变化的角度。

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