CN103261499A - 用于具有一个或多个拱形部分的由复合材料制成的零件的纤维结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于复合材料零件的加强纤维结构（100），通过在以相邻方式设置在所述结构的两个面之间的多层纬纱（102）与多层经纱（101）之间进行的多层编织而作为单一件被编织。所述纤维结构（100）具有至少一个延伸过所述纤维结构（100）的一个面的拱形部分（120），该拱形部分（120）包括至少一些与位于该结构（100）的一个面上的至少两个相邻经纱层接续的经纱（101）。所述拱形部分（120）的所述经纱的长度比所述结构（100）的至少两个下面的经纱层的经纱长。另外，所述拱形部分（120）的所述经纱与该纤维结构（100）的其他经纱不相连结。

Description

用于具有一个或多个拱形部分的由复合材料制成的零件的纤维结构
技术领域
本发明涉及制造复合材料零件，更具体说，是涉及制造用于此种零件的纤维加强结构。
背景技术
本发明的应用领域更具体为制造用结构性复合材料制成的零件，即具有用基体密化的纤维加强结构的零件。复合材料使得可制造总重量比由金属制造的相同零件的重量轻的零件。
由复合材料制成的标准形状的零件通常具有良好的结构性特征和高强度，特别是由于该零件的纤维加强件通常制成为单一件，因此使作用在该零件的任何部分上的机械力可良好地分配。
相反，当制造形状更复杂的复合材料零件，特别是具有一个或多个用于支撑该零件整体的元件的零件时，通常无法在整个零件上都具有较高的机械强度。
举例来说，当使用复合材料来制造具有一个或多个用于将引擎与机翼相连的悬吊台的航空引擎壳体时，悬吊台中的纤维加强件独立于壳体罩的纤维加强件而制造，并随后通过例如缝合或粘结而增加到其上。由于作用在引擎支撑座上的巨大（几千吨）的机械应力，这样的壳体设计不能提供足够的机械强度。其结果是，该种类型的零件目前一直由金属制成，并因此具有相对较高的总重量。
发明内容
因此，希望能够得到具有减小总重量，同时仍具有所要求机械性能的复杂形状的零件。
为此，本发明提供一种复合材料零件，其包括由一种基体密化的纤维加强件，该零件具有至少一种拱形的元件，所述加强件由用于所述复合材料零件的加强纤维结构构成，所述结构通过在以相邻方式设置在所述结构的两个面之间的多层纬纱与多层经纱之间进行的多层编织而作为单一件被编织而成，所述复合材料零件的特征在于，所述纤维结构具有延伸过所述纤维结构的一个面的至少一个拱形部分，该拱形部分包括至少一些与至少两个位于该结构的一个面上的相邻经纱层接续的经纱，所述拱形部分的所述经纱的长度比所述结构的至少两个下面的经纱层的经纱长，所述拱形部分的所述经纱与该纤维结构的其他经纱不相连结。
这样，可形成包括由所述拱形部分形成的悬架或连接元件的复合材料零件。由于所述拱形部分由与所述纤维结构的剩余部分接续的经纱编织而成，因此作用在该零件的悬架或连接元件上的力可由该零件的总结构负担。
在本发明的不同实施例中，该纤维结构具有多个沿纬纱方向以相邻方式设置的拱形部分和/或多个沿经纱方向相互偏移的拱形部分，这应用于所述纤维结构的一个或两个面上。
根据本发明的特征，该纤维结构为沿经纱方向延伸过一确定长度的条的形式，并沿纬纱方向具有确定的宽度，每个拱形部分沿经纱方向延伸过的长度小于该纤维结构的长度，其沿纬纱方向的宽度小于所述结构的宽度。在一变化实施例中，所述拱形部分沿纬纱方向的宽度等于该纤维结构的条的宽度。
在本发明的一个方面，每个拱形部分沿经纱方向的线数大致与该纤维结构的位于该拱形部分下的部分的线数相同。
在本发明的另一方面，每个拱形部分沿经纱方向的线数小于该纤维结构的位于该拱形部分下的部分的线数。
在本发明的又一方面，每个拱形部分包括的纬纱其重量可大于该纤维结构位于该拱形部分下的部分的纬纱的重量。
本发明的复合材料零件可具体构成一具有至少一个悬吊台的航空引擎壳体。
本发明还提供一种安装有本发明的引擎壳体的涡轮螺旋桨发动机。
本发明还提供一种安装有至少一个本发明的涡轮螺旋桨发动机的飞机。
附图说明
通过参照附图阅读以下作为非限定性说明的描述，本发明的其他特征和优点显而易见，其中：
图1为根据本发明一实施例的航空引擎壳体的透视图；
图2为用于制造图1中航空引擎壳体的纤维结构的示意性透视图；
图3A-3D为放大尺寸的纬-截面图，显示在图1纤维坯的不包括该拱形部分的一个部分中的纬纱的一种示例性布置；
图3E-3H为放大尺寸的纬-截面图，显示在图1坯的包括该拱形部分的一个部分中的多个连续编织面；
图3I-3L为放大尺寸的经-截面图，显示在图1纤维坯的包括该拱形部分的一个部分中的多个连续编织面；
图4显示为密化做准备的图2纤维结构的形状；
图5A-5D为放大尺寸的纬-截面图，显示该纤维坯的不包括该拱形部分的该部分中的多个连续编织面；
图5E-5H为放大尺寸的纬-截面图，显示该纤维坯的包括一拱形部分的一个部分中的多个连续编织面；
图6为本发明的航空引擎壳体的另一实施例的透视图；
图7为本发明的配备有铰链的门的实施例的透视图；
图8为本发明的配备有内隔板的罩部分的实施例的透视图；
图9为本发明的配备有内隔板和外隔板的罩部分的实施例的透视图；
图10为本发明的航空引擎壳体的另一实施例的透视图。
具体实施方式
本发明通常用于制造适于构成用于制造复合材料零件的纤维加强件或预成型件的纤维结构，其中该复合材料零件包括至少一个拱形元件。
根据本发明，该纤维结构的形成拱形元件的部分与该纤维结构的剩余部分整体制成。更准确说，如下文中更详细描述那样，该形成拱形元件的部分由与该结构剩余部分接续的经纱编织而成。这样，施加在该拱形元件上的力可由该构成复合材料零件加强件的纤维结构作为整体承担。图1显示由复合材料制成的航空引擎的壳体10，该壳体形成罩11，该罩具有用于使该引擎可连接到机翼支架（未显示于图1中）上的悬吊台12。
图2为用于形成壳体10的纤维预成型件的纤维坯100的非常示意性的视图。
如图2中示意性所示，该纤维坯100通过以已知方式利用提花机型织布机进行多层编织而获得，该提花机型织布机具有一束或由多层形成的多股经纱101，该经纱与纬纱102互连。
在所示例中，所述多层编织为具有“互锁”编织方式的编织。术语“互锁”在此用来指一种编织方式，其中每层纬纱与多层经纱互连，在一给定纬柱中的所有纱线在该编织面内具有相同的运动。
也可使用其他已知类型的多层编织，例如具体在文献WO2006/136755中所描述的那些，其内容通过引用合并于此。
以特别但非限定性的方式，本发明的纤维坯可通过使用由碳、例如碳化硅纤维的陶瓷制品或例如钛这样的真正的金属制成的纤维纱线来编织。
如图2中所示，所述纤维坯100为沿方向X纵向延伸的条110的形式，一旦所述坯成形，该条将形成壳体10的罩11，在该纤维坯上具有一形成悬吊台12的拱形部分120。
在该纤维坯100的位于包括拱形部分120的部分100b两侧的部分100a和100c中，所有的经纱层均包括相同长度的经纱，纬纱被用来至少将每层经纱与相邻层的经纱互连，以获得该坯的部分100a和100c的结构，其中所有经纱层均互连。
在部分100b中，条110通过非互连区域111再分为两个子条110a和110b，该区域111形成在经纱层的第一组101a与经纱层的第二组101b之间。子条110a由至少两个取自第一层经纱的相邻或连续的经纱层构成，该第一层经纱位于该纤维坯100的一个面上，在此例中为顶面上，而子条110b由子条110a的层下面的经纱层构成。根据本发明，子条110a的经纱的长度大于子条110b的下面的经纱层的纱的长度。此长度差异可通过使应用于子条110a的经纱层的经纱的抽速快于应用到子条110b的经纱层的经纱的抽速来获得。在一变化实施例中，子条110a的经纱层的经纱的长度可通过继续拉子条110a的经纱层的经纱而相对于子条110b的经纱的长度被增加。
图3A-3D为显示执行多层编织的一种方法的示意图，其中在坯100的部分100a或100c中具有互锁编织结构，这些图分别为连续经截面的放大尺寸的局部图。在此例中，坯100包括六层沿方向X延伸的经纱101。在图3A-3D中，该六层经纱C1-C6通过纬纱T1-T5而互连。为了更简单，仅显示六层经纱和五层纬纱，沿将获得的纤维结构的宽度和厚度尺寸自然地延伸，实际上，该结构可由一定数量的经纱层和纬纱层制成，其中每层纱的数量很大。
图3E-3H分别为用于坯100的部分100b的编织的连续经截面中的局部放大图，坯100的部分100b包括具有拱形部分120的子条110a和子条110b。在部分100b中，纬纱T3不与经纱层C3和C4相连，以使坯100在子条110a与子条110b之间具有非-互连103，形成非-互连区域111。图3E-3H对应于位于拱形部分120的上升部分中的连续编织面。
在图3E中，对应于用于形成拱形部分120的三个经纱层C1，C2，C3中经纱的各片段的层C"1,C"2和C"3通过纬纱T1和T2相互连结，而对应于三个经纱层C1，C2和C3中的剩余经纱的层C'1,C'2和C'3未被编织。三个下面的经纱层C4，C5和C6通过纬纱T3，T4和T5互连。
图3F、3G和3H分别显示遵循图3E的编织面制成的三个连续编织面。图3E-3H的编织面重复于拱形部分120的整个长度。
图3I-3L分别为包括部分100b的坯100的编织的连续纬截面的局部放大图。在部分100b中，属于子条110a的两个纬纱层C"T1和C"T2的纬纱用经纱层C"1,C"2和C"3（图3E-3H）的经纱ch1,ch2和ch3来编织，而形成部分子条110b的下面的纬纱层CT3,CT4和CT5的其他纬纱由经纱层C4，C5和C6（图3E-3H）的经纱ch4,ch5和ch6来编织。
如图3I-3L所示，在部分100b中，分别存在于层C"T1和C"T2中的纬纱T1和T2的数量大于分别存在于层CT3,CT4和CT5中的纬纱T3,T4和T5的数量。这用来相对于子条110b和该坯100的剩余部分在子条110a中保持恒定的线数，即沿经纱方向单位长度的纬纱数量在两个子条110a与110b之间是恒定的，尽管在子条110a中的经纱有更大的长度。如果相同数量的纬纱插在子条110a和110b中，则在子条110a中沿经纱方向的相邻纬纱之间的间距可通过插入比插入在子条110b中的纬纱重的纬纱而减小。
子条110a中的线数也可比子条110b中小（或疏松），即子条110a中沿经纱方向每单位长度的纬纱数量小于子条110b中的。
在编织的端部，非-编织经纱，即在此例中层C'1,C'2和C'3（图3E-3H）的经纱，和非-编织纬纱，即位于层C"1,C"2和C"3外侧的纬纱T1和T2的部分被切断，以获得图2中所示的坯100，该图2显示通过多层编织而获得的在任何成形之前的该坯。在一变化实施例中，拱形部分还可使用例如水注来进行切割，以减小其厚度和/或沿纬纱方向修改其宽度轮廓。
在部分100b中的子条110a中的经纱的额外长度，和在编织过程中在子条110a与110b之间组织的非-互连区域111，共同使得可形成拱形部分120。
本发明的纤维结构的拱形部分由互连的多层经纱构成。相对于下面条的剩余部分，此部分限定一保存于该最终部分中的腔，即在该织物结构由基体密化之后。
其后，该纤维坯被密化，以形成图1中的壳体10。为此，如图4中所示，该纤维坯100环绕一心轴150成形，在例中，坯100的两个自由端可在所述密化之前缝在一起，或在密化过程中它们可仅重叠，端部粘结在一起。这制成了一准备密化的纤维预成型件130。一对应于该拱形部分120的内侧形状的插件160也放置于其中，以在密化过程中保持该拱形部分的形状，并阻止基体在拱形部分120与该坯的底部条之间的容积中形成。在一变化实施例中，该纤维坯的长度对应于该壳体周长的几倍，该拱形部分在最后一轮过程中，或相反，在初始轮或几轮过程中可位于该坯的放置于所述心轴上的部分上，具有孔使该拱形部分可穿过后面的轮，随后提供于该坯中。
该纤维预成型件的密化在于，通过使用构成基体的材料来填充该预成型件的孔的全部或部分体积。
构成流线型结构的复合材料的基体可通过使用液体技术以已知的方式获得。
该液体技术在于用包含用于基体材料的有机前体的液体合成物来注入该预成型件。所述有机前体通常是以聚合物，例如树脂的形式，可在溶剂中稀释。该预成型件被放置在可以密封的方式封闭并具有其形状为待模制完成零件形状的腔的模中。在此例中，该预成型件被放置在一模与一对模之间，该模与该对模分别具有待制造的壳体的外侧形状和内侧形状（例如所述心轴150）。其后，所述模被封闭，液体基体前体（例如树脂）被注入整个模腔中，以充满该预成型件的全部纤维部分。
所述前体被转换为一种有机基体，即其被聚合化，通过应用热处理，通常通过在消除任何溶剂后和在固化该聚合物后加热该模，该预成型件被持续保持在模内，从而具有将制造的零件的形状。所述有机基体可具体由环氧树脂，例如由在商业渠道可得到的高性能环氧树脂或用于碳或陶瓷基体的液体前体获得。
当形成碳或陶瓷基体时，热处理包括热解该有机前体，以根据所使用的前体和高温分解条件将该有机基体转换为碳或陶瓷基体。在例中，碳的液体前体可以是具有高焦炭含量的树脂，例如酚醛树脂，而陶瓷，特别是SiC的液体前体可以是聚碳硅烷（PCS），或含钛聚碳硅烷（PTCS），或聚硅氮烷（PSZ）类型的树脂。可进行从注入到热处理的几个连续循环，以达到所需的密化程度。
在本发明的一个方面中，该纤维预成型件可通过众所周知的树脂转换成型（RTM）方法来进行密化。在该RTM方法中，该纤维预成型件130连同心轴150和插件160（图4）被放置在一具有待制造壳体的外侧形状的模中。一种热固树脂被注入限定在刚性材料部分和包含该纤维预成型件的该模之间的内侧空间中。在所述树脂被注入的位置与树脂排放孔之间的内侧空间内通常建立起一压力梯度，以控制和优化用树脂注入该预成型件。
在例中，所使用的树脂可以是环氧树脂。适于RTM方法的树脂是众所周知的。它们优选具有较低的粘性，以使它们更容易地注入到纤维中。该树脂的温度等级和/或化学特性根据该零件将受到的热应力来确定。一旦该树脂已注入遍及该加强件，其根据RTM方法通过热处理而被聚合。
在注入和聚合后，该零件未成型的。该零件最终被修整以去除多余的树脂，并加工倒角以加工图1中的壳体10。
图5A-5H为连续弯曲截面的局部放大示意图，显示用于坯200的多层编织的互锁编织的一种变化，以形成类似于图1的壳体10的航空引擎壳体，即具有拱形悬吊台结合其中的罩。此编织与图3A-3H中编织的区别在于，仅使用两层经纱，以形成拱形部分220。在此例中，坯200具有五层C10-C50经纱201，所述经纱通过图5A-5D中的附图标记为T10-T40的纬纱201而互连，使该坯形成一条210。在图5E-5H中，其对应于该纤维坯的拱形部分220所形成的部分，纬纱220不与经纱层C20和C30互连，以使该坯200具有隔离两个子条210a和210b的非-互连203。对应于坯200的拱形部分220的子条210a的经纱长度大于子条210B的经纱长度。在图5E-5H中，对应于将形成拱形部分220的两经纱层C10和C20的经纱的各片段的层C"10和C"20通过纬纱T10和T20而互连，而对应于两经纱层C10和C20的剩余经纱的层C'10和C'20未被编织。该三个下面的经纱C30,C40和C50通过纬纱T30和T40来互连。图5E-5H的编织图案沿该拱形部分220的整个长度进行重复。插在子条210a中的纬纱的数量可大于插在子条210b中的纬纱的数量，以沿经纱方向在这两个子条之间保持恒定的线数，尽管在子条210a中的经纱长度更长。在子条210a中沿经纱方向的线数相对于在子条210b中沿经纱方向的线数还可更小（或更疏松），而相同数量的纬纱均插入到子条210a和210b中。如果相同数量的纬纱均插入到子条210a和210b中，则在子条210a中沿经纱方向两相邻纬纱的间距可通过插入重量大于插入在子条210b中的纬纱重量的纬纱而被减小。
本发明不限于形成具有单一拱形元件的旋转体形式的零件。作为非限定性例子，图6-10显示可根据本发明制造的其他类型的零件。图6显示一航空引擎壳体20，其具有罩21，该罩具有沿该罩的宽度方向形成于其上的三个相邻悬吊台22、23和24。图10显示一航空引擎壳体60，该壳体具有罩61，该罩61具有围绕该罩的圆周分布而形成于其上的三个悬吊台62、63和64。在这种情况下，当制造本发明的纤维结构时，三个拱形部分以上述制造部分120和220的相同方式形成，这三个拱形部分通过使用沿该纤维坯的纬纱方向相邻的经纱而制成，在这三个拱形部分中的经纱的长度自然比在下面经纱层中的经纱长度大，也比沿纬纱方向位于两拱形部分之间或它们外侧的经纱长度大。
图7显示门30，其包括配备有铰链32和33的面板31。在此例中，当制造本发明的纤维结构时，两个拱形部分以上述制造拱形部分120和220相同的方式形成，这两个拱形部分通过使用沿该纤维坯的纬纱方向相邻的经纱而制成，用于这两个拱形部分每个的经纱沿纬纱方向位于该坯的各边缘附近。这两个部分中的经纱的长度自然比下面的经纱层中经纱的长度大，也比沿纬纱方向位于两拱形部分之间或它们外侧的经纱长度大。
图8显示一罩部分40，该罩部分包括可用于引导电线或作为管道的内部分41。此部分通过制造具有沿纤维坯的纬纱方向的其整个宽度的拱形部分的纤维结构而获得，此拱形部分以上述制造部分120和220相同的方式形成，该纤维坯仅在以相对于坯100和200相反的曲率保持时被密化。
图9显示一罩部分50，其具有位于该罩部分的外侧面50a上的外部分51和位于该罩部分50的内侧面50b上的内部分52。在此例中，由其制造罩部分50的纤维加强件的纤维结构具有延伸过该纤维结构的一个面的第一拱形部分和延伸过该纤维结构的另一个面的第二拱形部分。所述第一和第二拱形部分分别由位于该纤维结构的各面上的至少两个相邻经纱层的经纱形成。这些第一和第二拱形部分以上述制造拱形部分120和220相同的方式制成，即用与该结构的剩余部分连续，但其长度大于该结构的至少两个下面经纱层的经纱长度的经纱制成，每个拱形部分的经纱与该纤维结构的其他经纱不互连。
根据本发明，悬吊台22-24、铰链32和33、内部分41和内部分51与外部分52的纤维加强件均使用与该结构的剩余部分的纤维加强件，即分别与罩21、面板31、罩部分40和罩部分50的纤维加强件连续的经纱而形成。
由本发明的纤维结构制成的复合材料零件的形状和尺寸可以是各种各样的，不需要具体限定为罩形或面板形的零件，而是可应用于其上制造一个或多个拱形部分的其他形状的零件。

Claims (11)

1.一种复合材料零件，其包括由基体密化的纤维加强件，该零件具有至少一个拱形元件，所述加强件由用于所述复合材料零件（10）的加强纤维结构（100）构成，所述结构通过在以相邻方式设置在所述结构的两个面之间的多层纬纱（102）与多层经纱（101）之间进行的多层编织而作为单一件被编织，其特征在于，所述纤维结构（100）具有至少一个延伸过所述纤维结构（100）的一个面的拱形部分（120），该拱形部分（120）包括至少一些与位于该结构（100）的一个面上的至少两个相邻经纱层接续的经纱（101），所述拱形部分（120）的所述经纱的长度比所述结构（100）的至少两个下面的经纱层的经纱长，所述拱形部分的所述经纱与该纤维结构（100）的其他经纱不相连结。
2.根据权利要求1所述的复合材料零件，其特征在于，所述纤维结构具有多个沿纬纱方向以相邻方式设置的拱形部分。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料零件，其特征在于，所述纤维结构具有多个沿经纱方向相互偏移的拱形部分。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的复合材料零件，其特征在于，所述纤维结构具有多个设置在所述纤维结构的两个面上的拱形部分。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的复合材料零件，其特征在于，所述纤维结构为沿经纱方向延伸过一确定长度的条（110）的形式，并沿纬纱方向具有确定的宽度，每个拱形部分（120）沿经纱方向延伸过的长度小于所述结构的长度，其沿纬纱方向的宽度小于所述结构的宽度。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的复合材料零件，其特征在于，每个拱形部分（120）沿经纱方向的线数大致与所述纤维结构（110b）的位于所述拱形部分（120）下的部分的线数相同。
7.根据权利要求1-5中任何一项所述的复合材料零件，其特征在于，每个拱形部分（120）沿经纱方向的线数小于所述纤维结构（110b）的位于所述拱形部分（120）下的部分的线数。
8.根据权利要求1-5中任何一项所述的复合材料零件，其特征在于，每个拱形部分具有的纬纱重量大于所述纤维结构的位于所述拱形部分下的部分的纬纱的重量。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述的复合材料零件，其特征在于，其构成具有至少一个悬吊台（12）的航空引擎壳体（10）。
10.一种具有根据权利要求9所述的引擎壳体的涡轮螺旋桨发动机。
11.一种具有至少一个根据权利要求10所述的涡轮螺旋桨发动机的飞机。
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