CN103415388B - 包括固定装置的复合材料零件 - Google Patents

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Abstract

一种用于加强由复合材料制成的零件的纤维结构（100），所述结构通过多层编织多层经纱（101）和多层纬纱（102）而获得。该纤维结构（100）在其至少一个面上还包括固定元件（120，130），每个固定元件均包括位于所述纤维结构的面上的纱线（1011，1012）下方的主体（121，131），以及位于所述纱线上方的固定部分（122，123；132，133）。

Description

包括固定装置的复合材料零件
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安装有附件或紧固件装置的复合材料零件。
背景技术
本发明的应用领域更具体说是制造由结构性复合材料，即制造具有由所密化的纤维加强件的结构性零件。复合材料使得可制造总重量小于由金属材料制成的相同零件重量的零件。例如罩或面板这样的标准形状的复合材料零件的纤维加强件，通常通过在经纱层和纬纱层之间多层编织而制成为单一件。一旦该加强件通过一基体密化，其在整个零件上提供局部机械力的良好分配，从而赋予该零件良好的结构特性和较高的机械强度。
使用由金属材料制成的零件，设备上的件或用于紧固这些设备的件的支撑件直接紧固到零件上，特别是通过焊接，或利用钻于该零件中并适于穿过例如螺栓或铆钉这样的紧固件的孔。
然而，使用复合材料零件，不可能将支撑件或设备的件直接焊接到零件上。而且，钻孔在机械上弱化零件，因为孔在力沿其传递的路径中产生间隙。对于用于航空领域的零件，例如涡轮螺旋桨发动机壳体，不允许在用于保持该零件的区域中钻孔。
发明内容
因此，希望能够具有可使设备的件紧固于其上的复合材料零件，特别是通过焊接或钎焊，而不需要在零件的结构性主体中开孔。
为此，本发明提供一种用于加强复合材料零件的纤维结构，所述结构通过在多层经纱和多层纬纱之间多层编织而获得，该纤维结构的特征在于，其还包括，至少在其一个面上，一个或多个紧固件元件，每个紧固件元件包括设置在至少在位于所述纤维结构的面上的纱线下方的部分中的主体，以及至少一个跨越所述纱线的紧固件部分。
这样，通过使用本发明的纤维结构，可形成复合材料零件，它们包括紧固件元件，所述紧固件元件固定到零件上，并具有紧固件部分，所述紧固件部分可用于紧固设备的件，而不削弱该零件的结构特性。
在本发明的第一方面，各紧固件元件均由金属材料制成，从而使得设备的件或其他紧固件元件部分可紧固到该零件上，特别是通过焊接、钎焊或金属粘合剂。
在本发明的第二方面中，各紧固件元件包括第一和第二紧固件部分，所述紧固件部分在所述主体的两侧上并跨越该纤维结构的纱线延伸。
在本发明的第三方面中，所述第一和第二部分具有平的形状。
在本发明的第四方面中，各紧固件部分对应于一紧固件片。
在本发明的第五方面中，各紧固件部分由设置在该纤维结构的一个或多个纱线下的一保持片延伸。
本发明还提供一种复合材料零件，其包括本发明的纤维结构。
在本发明的一实施例中，各紧固件元件进一步包括一紧固到各紧固件部分上的带。
在本发明的一个方面中，该零件构成一航空引擎壳体。
本发明还提供一种涡轮螺旋桨发动机，其包括本发明的航空引擎壳体。
本发明还提供一种飞机，其配备有至少一个本发明的涡轮螺旋桨发动机。
本发明还提供一种制造复合材料零件的方法，该方法包括以下步骤：
·通过在多层经纱与多层纬纱之间进行多层编织而制造一纤维结构；
·成形该纤维结构；和
·用一基体密化该预成型件；
本方法的特征在于，其还包括，在密化该预成型件之前，在该纤维结构的面上的纱线下插入一主体，各紧固件元件还包括位于所述纱线上的至少一个紧固件部分。
在本发明的方法的第一方面，在将各紧固件元件的主体插入到可从所述纤维结构的面接近的纱线下的过程中，所述纱线被松开，以使各紧固件元件可从其下穿过，所述纱线随后被绷紧。
在本发明的第二方面，在编织过程中各紧固件元件设置在该纤维结构上，一个或多个附加层在其紧固件元件上被编织。
在本发明的方法的第三方面，在将各紧固件元件插入到该纤维结构的纱线下的过程中，该紧固件元件为杆的形式。在所述插入后，该紧固件元件的位于该纤维结构的纱线上的至少一部分被平化，以形成一紧固件部分。
在本发明的方法的第四方面，当该预成型件被密化时，紧固件元件的各紧固件部分的避开该纤维结构的面被处理为清除在密化端部的任何基体。
在本发明的方法的第五方面，在将紧固件元件插到该结构的纱线下的过程中，各紧固件部分由设置在该纤维结构的一个或多个纱线下的保持片延伸。
在本发明的方法的第六方面，各紧固件元件还包括紧固在各紧固件部分上的带。
附图说明
从以下参照附图并作为非限定性例子给出的本发明的具体实施例的描述，本发明的其他特征和优点将呈现，其中：
图1为根据本发明的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一部分的示意性透视图；
图3A-3D为显示图2纤维结构中的纬纱布置的示例的放大纬纱截面图；
图4为显示在图2纤维结构中插入两个紧固件基部的示意性透视图；
图5为显示在紧固件基部已插入其中后的图2纤维结构的示意性透视图；
图6为显示密化前图5纤维结构的形状的示意性透视图；
图7为显示密化图6纤维预成型件后获得的零件的示意性透视图；
图8为显示具有紧固件基部的图1航空引擎壳体的部分的示意性透视图；
图9为显示具有紧固件基部的图1航空引擎壳体的部分的示意性透视图，其中所述紧固件基部具有紧固于其上的带；
图10为显示在根据另一实施例的纤维结构中用于形成紧固件元件的两个杆的示意性透视图；
图11为显示在插入所述杆后及在所述杆的端部已被弄平后图10纤维结构的示意性透视图；
图12为显示在密化后图10纤维结构的示意性透视图；
图13为显示在将一紧固件基部插入一根据另一实施例的纤维结构中的示意性透视图；
图14为显示密化后图13纤维结构的示意性透视图。
具体实施方式
本发明通常应用于制造复合材料零件，所述零件包括由一基体密化的纤维加强件，并且其中主体用于固定和支撑设备的件（盒、电缆等）。术语“主体”在此用来表示以例如罩这样的旋转主体形式的特别而非排他的零件的任何结构性部分。
根据本发明，一个或多个紧固件元件结合到该主体的至少一个表面，特别是使设备的件能够被固定或紧固，而无须钻入该零件的主体。
图1显示由罩11制成的复合材料的航空引擎壳体10，其中罩11具有第一紧固件元件12和第二紧固件元件13，用于将设备的件连接到罩11上，或用于穿过和固定电缆（在图1中未示出）。
图2为用于形成壳体10的罩11的纤维加强件的纤维坯体100的高度示意性示图。
如图2中示意性所示，该纤维坯体100通过以传统方式利用提花机型织布机进行多层编织而获得，在该织布机上设置有一束经纱101或多层的股，所述经纱与纬纱102互连。
在所示例中，所述多层编织通过“互锁”型编织来进行。术语“互锁”在此用来表示其中每层纬纱与多层经纱互连的织法，其中在一给定纬纱柱中的所有纱在该编织平面中具有相同移动。
术语“纱”在此用来表示股，其中每股由一组非编织细丝制成。特别是，每个纱可包括3000-12000细丝的缠绕的股。
其他已知类型的多层编织自然可使用。
本发明的纤维坯体可具体但非排他地编织自由碳纤维或陶瓷纤维（例如碳化硅纤维）制成的纱线。
如图2中所示，纤维坯体100为以方向X纵向延伸的条的形式，该坯体100在其成形和密化后将形成壳体10的罩11。
通过互锁型编织而进行坯体100的多层编织的一种方法示意性地显示于图3A-3D中，图3A-3D分别为连续经纱截平面的放大的局部示图。在此例中，坯体100具有六层沿方向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。为了简化的目的，仅六层经纱和仅五层纬纱显示于此，自然沿希望获得的纤维结构的（宽度和厚度）尺寸延伸，该结构可以数层经纱和纬纱制成，其中每层纱线的数量很大。
在编织结束时，非编织的纱线和纬纱被切断，以如图2中所示得到坯体100，其中该坯体显示为在多层编织的末端。
一旦该纤维坯体100已成形，紧固件基部120和130就被插到纤维结构120的纱线下，如图4中所示。在目前所描述的例中，元件120和130分别由主体121或131制成，所述主体121或131在其两端部分别具有紧固件部分122和123，或132和133，所述部分的形状是平的。紧固件基部120和130优选但非限定地由金属材料制成，以使紧固件元件的其他部分或设备的其他部分可通过焊接或钎焊紧固到所述紧固件部分122、123、132和133上。
仍在目前描述的实施例中，经纱1011和1012在其位置被拖走（图2），以对它们进行松化，并使基部120和130的主体121和131可在那些纱线下穿过。
一旦基部120和130以此方式定位，经纱1011和1012就被绷紧，以压靠主体121和131，如图5中所示。
其后，纤维坯体100被成形，以形成壳体10的罩11，如图6中所示。为此，如图6中所示，纤维坯体100成形在模140上，在此以心轴的形式，并对应于将制造的壳体10的内侧形状。在例中，坯体100的自由端可在密化前缝制在一起，或它们可仅重叠，所述端部随后在密化过程中被粘结在一起。这制成了待密化的纤维预成型件160。在不同实施例中，该纤维坯体的长度对应于该壳体周长的几倍。
纤维预成型件160随后被密化，其中密化包括在其全部或部分体积使用构成基体的材料填充该预成型件的孔。
构成流线形轮廓的结构的复合材料的基体可使用液体技术以已知方式获得。
该液体技术包括使用液体合成物来填充该预成型件，所述液体合成物包含用于该基体的材料的有机前体。所述有机前体通常为聚合体的形式，例如树脂，可稀释于一溶剂。所述预成型件被放置在一可以密封方式关闭，以具有有最终模制零件形状的腔的模中。在此例中，该预成型件被放置在由两个部分151和152制成的模140和对模150之间，所述模和对模分别具有待制造壳体的内侧和外侧形状。一旦对模150封闭，该基体的液体前体（例如树脂）被注入整个腔中，以填充该预成型件的全部纤维部分。
所述前体被转换为有机基体，即它被聚合，通过应用热处理，通常通过加热该模，同时该预成型件持续固定在该形状对应于待制造零件形状的模中。该有机基体具体可使用例如高性能环氧树脂这样的环氧树脂来获得，或通过使用用于可以是碳或陶瓷的基体的液体前体获得。
当形成碳或陶瓷基体时，所述热处理包括聚合该有机前体，以将该有机基体转换为碳或陶瓷基体，这取决于所使用的前体和热解条件。在例中，碳的液体前体可以是具有相对较高焦炭含量的树脂，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）型或聚钛碳硅烷（PTCS）型或聚硅氮烷（PSZ）型的树脂。可进行从注入到热处理的几个连续循环，以实现所希望程度的密化。
在本发明的一个方面，该纤维预成型件可通过众所周知的树脂转换模制（RTM）方法而被密化。在RTM方法中，该纤维预成型件160被放置在一模与一对模之间，所述模与对模分别具有待制造壳体的内侧形状和外侧形状（如同模140和对模150）。一热固性树脂随后注入限定在所述模与对模之间的包含该纤维预成型件的内侧空间。一压力梯度在此空间内侧在树脂被注入的位置与排出树脂的孔之间逐渐建立，以控制和优化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。适合于RTM方法的树脂是已知的。它们优选具有较低的粘性，以利于注入纤维中。树脂的温度等级和/或化学特性取决于该零件所受到的热机械应力。一旦该树脂被注入该加强件，其通过在应用RTM方法中的热温度而被聚合。
无论所使用的密化方法是什么，均应注意避免在避开所述纤维坯体的紧固件部分122、123、132和133的面上沉积树脂或形成基体，例如通过刮除可能存在于其上的树脂溅点，或通过可使它们被清除掉的任何其他处理方式。
在注入和聚合后，该零件被从模中取出。该零件随后被修整以去除多余的树脂，并加工倒角，以获得如图7中所示由罩11制成的单件壳体10，其中罩11在其外侧表面包括紧固件基部120和130的紧固件部分122、123、132和133。如图8中所示，基部120和130的主体121和131通过经纱1011和1012并通过聚合树脂103（基体）而固定在该壳体的罩11上。在这种情况下，本发明的复合材料零件的紧固件元件由紧固件基部120和130构成。
如图9中所示，部分122、123、132和133可用于紧固带125和135。更准确说，带125包括一拱形主体128，该拱形主体具有平的端部126和127，所述端部126和127通过例如焊接、钎焊或金属粘结而分别紧固到基部120的紧固件部分122和123上。同样，该带135包括一拱形主体138，该拱形主体具有平的端部136和137，所述端部136和137通过例如焊接、钎焊或金属粘结而分别紧固到基部130的紧固件部分132和133上。在这种情况下，壳体10的紧固件元件12和13分别由紧固件基部120和130以及由带125和135构成。
在另一实施例中，设备的一个或多个件通过例如焊接、钎焊或金属粘结而直接紧固到紧固件基部120和130的紧固件部分122、123、132和133上。在这种情况下，该壳体的紧固件元件仅由基部120和130构成。
而且，在某种情况下，例如当该纤维坯体预加应力而进行编织时，该坯体的经纱或纬纱可能难于变松。在这种情况下，插入具有有相对较大体积的部分（例如平的紧固件部分）的紧固件元件可能是困难的。为此原因，本发明建议使用最初以圆柱形、矩形或其他易于插到一个或多个纱线下的杆的形式的紧固件元件，具有在插入后成形的紧固件部分。
在例中，图10显示通过在多层经纱201与多层纬纱202之间进行多层编织，例如互锁编织而获得的纤维坯体200，这些纱线在预加应力下编织在一起。原柱形杆22和23形式的元件，例如由金属材料制成，被插到经纱2011和2012之下。由于它们的紧凑形状，元件22和23可在经纱2011和2012下滑动，而不必使它们变松。一旦元件22和23以此方式插入，它们的端部使用例如钳240而变平，以形成紧固件部分，如图11中所示。在元件22和23的端部被弄平后，以及在坯体200已成形并密化后，如图12中所示，获得一复合材料零件250，其具有两个紧固件元件220和230，所述紧固件元件220和230包括主体221和231，所述主体221和231通过经纱2011和2012，并通过聚合后的树脂203（基体）而被固定到零件250上，连同平形状的紧固件部分222、223、232和233在其端部，从而提供一足以紧固例如带或设备的件的紧固件片这样的其他元件的区域。
可设想本发明的许多不同实施例。这样的变例可具体涉及：
·所述紧固件元件插至其下的纱线（经纱或纬纱）的数量和类型；
·所述紧固件元件的形状，涉及主体的形状和尺寸，并涉及那些元件的紧固件部分的形状和尺寸；
·所述紧固件元件的材料，其不必为金属材料；
·在该零件表面的紧固件元件的数量和布置，可一起使用几个这样的元件，或结合这样的元件，以形成紧固件基部，特别是当必须紧固设备的较重件；和
·用于将设备的件通过例如焊接、钎焊、螺纹紧固、夹紧等方式紧固到紧固件元件上的紧固件装置。
另外，使用本发明的纤维结构制造的复合材料零件的形状和尺寸可以是不同的，不具体限于具有罩形式的结构性主体的零件，而是延伸到根据本发明一个或多个紧固件元件可结合于其上的任何形状的零件（例如平的或弯曲的罩区部或板）。
在另一实施例中，所述紧固件基部可包括从各保持件部分的各端部延伸的各保持片，以增加该基部的机械强度，特别是对抗可施加于其上的撕扯力。如图13所示，紧固件基部320包括一主体323，该主体323在其端部具有第一和第二紧固件部分322和324。该第一紧固件部分322通过第一保持片321从主体323延伸开去，同时第二紧部分通过第二保持片325从主体323延伸开去。基部320插入以上述对于坯体100相同的方式形成的纤维坯体300中。经纱3011、3012、3013和3014在局部被拔出，以使它们变松，并使基部320可在它们下面穿过。
一旦基部320放置就位，经纱3011、3012、3013和3014再次被绷紧，以分别压靠第一保持片321（纱线3011）、主体323（纱线3012和3013），以及第二保持片325（纱线3014）。
在坯体300已定形和密化后，如图14中所示，获得一复合材料零件350，其包括一紧固件元件，该紧固件元件对应于基部320，其主体323和其保持片321和325均通过经纱2011和2012，以及通过聚合后的树脂203（基体）而固定在零件250上，连同在其端部具有的平形状的紧固件部分222、223、232和233，从而提供足以紧固例如带或设备的件的紧固件片这样的其他元件的区域。
当使用如上所述参照图10-12初始具有杆形式的紧固件元件时，与上述基部320相同类型的一紧固件元件可通过将适合长度的杆插到坯体的多个纱线下，并通过平化该杆的位于其两端之间的中间距离的部分而获得，以形成由保持片延伸的紧固件部分。
而且，所述紧固件元件的机械长度可通过覆盖所述紧固件元件的紧固件部分的位于具有与用于密化的基体相适合的粘合剂的纤维坯体旁的面而进一步增加。
除了所述紧固件部分自身以外的该紧固件元件的部分可平等地放置在经纱下、纬纱下，或实际上放置在经纱和纬纱下（所述元件相对于经纱和纬纱方向成45°）。
在上述实施例中，一紧固件元件通过将所述元件的主体紧固到所述纤维结构的局部拔出的纱线下面，并在该紧固件元件的主体穿过这些纱线下方并放置就位后随即被上紧而结合到所述纤维结构上。
在另一实施例中，紧固件元件的主体在编织该结构时可固定在该纤维结构的纱线之间。在此情况下，一个或多个紧固件元件，例如基部120、130和320，或将形成紧固件元件的多个零件，例如杆22和23，设置在该纤维结构上。随后将一个或多个附加层编织在以此方式布置在该结构表面的紧固件元件上，此/这些附加层的一些纱线固定所述紧固件元件或将形成这些元件的零件。根据此/这些附加层编织的密度，可位于所述紧固件元件的紧固件部分上方或位于随即形成所述紧固件元件的紧固件部分的零件的部分（例如将被弄平，以形成所述紧固件部分的杆22、23的部分）上方的纱线，从这些部分或零件移开和/或局部切除。其后，包括紧固件元件的复合材料零件的制造以上述方式继续进行。

Claims (15)

1.一种用于加强复合材料零件的纤维结构(100)，所述结构通过在多层经纱(101)和多层纬纱(102)之间进行多层编织而获得，其特征在于，所述纤维结构至少在其一个面上还包括一个或多个紧固件元件(12，13)，每个紧固件元件均包括设置在至少在位于所述纤维结构的面上的纱线(1011，1012)下方的部分中的主体(121，131)，以及位于所述纱线上方的至少一个紧固件部分。
2.根据权利要求1所述的纤维结构，其特征在于，每个紧固件元件(12，13)均包括第一和第二紧固件部分，所述紧固件部分在所述主体(121，131)的两侧并在所述纤维结构(100)的纱线上方延伸。
3.根据权利要求2所述的纤维结构，其特征在于，所述第一和第二紧固件部分具有平的形状。
4.根据权利要求1所述的纤维结构，其特征在于，每个紧固件部分均由设置在该纤维结构的一个或多个纱线下的一保持片(321，325)延伸。
5.一种复合材料的零件，其包括由一基体密化的根据权利要求1-4中任何一项所述的纤维结构。
6.根据权利要求5所述的零件，其特征在于，每个紧固件元件(12，13)进一步包括一紧固到各紧固件部分上的带(125，135)。
7.根据权利要求5所述的零件，其特征在于，该零件构成一航空引擎壳体。
8.一种涡轮螺旋桨发动机，其包括根据权利要求7所述的航空引擎壳体。
9.一种飞机，其具有根据权利要求8所述的至少一个涡轮螺旋桨发动机。
10.一种制造复合材料零件的方法，该方法包括以下步骤：
·通过在多层经纱(101)与多层纬纱(102)之间进行多层编织而制造一纤维结构(100)；
·成形该纤维结构(100)，以制成一纤维预成型件；和
·用一基体(103)密化该纤维预成型件；
其特征在于，该方法还包括，在密化该纤维预成型件之前，在该纤维结构的面上的纱线(1011，1012)下插入至少一紧固件元件(12，13)的主体(121，131)，各紧固件元件还包括位于所述纱线上方的至少一个紧固件部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在将各紧固件元件(12，13)的主体(121，131)插入到可从所述纤维结构(100)的面接近的纱线(1011，1012)下的过程中，所述纱线被松开，以使各紧固件元件可从其下穿过，所述纱线随后被绷紧。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在编织过程中各紧固件元件设置在所述纤维结构上，一个或多个附加层在其紧固件元件上被编织。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在将各紧固件元件插入到所述纤维结构(100)的纱线(1011，1012)下的过程中，该紧固件元件为杆(22，23)的形式，在所述插入后，该紧固件元件的位于该纤维结构的纱线上方的至少一部分被平化，以形成一紧固件部分。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在将所述紧固件元件插到该纤维结构的纱线下的过程中，各紧固件部分由设置在该纤维结构的一个或多个纱线下的保持片(321，325)延伸。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，各紧固件元件(12，13)还包括紧固在各紧固件部分上的带(125，135)。
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