CN104015412B - 具有减小的交叉层角度的复合层压板 - Google Patents

具有减小的交叉层角度的复合层压板 Download PDF

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Abstract

本发明的名称是具有减小的交叉层角度的复合层压板。复合层压板包括用于相对于主要载荷方向的纵向强度的第一多个层的增强纤维，和相对于主要载荷方向以角度±β取向的第二多个增强纤维，其中β在15度和35度之间。

Description

具有减小的交叉层角度的复合层压板
背景技术
设计商用飞机的复合机翼在正常运行条件下（此处的弯曲载荷是主要的）用于弯曲强度和刚度。由复合材料——例如碳纤维增强塑料（CFRP）制成的机翼蒙皮可以包括多层相对于主要载荷方向以0度取向的用于弯曲强度的增强纤维。
机翼蒙皮还可以包括多层以90度（相对于主要载荷方向）取向的用于弯曲刚度的增强纤维。这些90度纤维还可以增加横向强度和承载强度。
机翼蒙皮也可以设计用于损伤容限(damage tolerance)。可以增加多层以+45度和-45度（相对于主要载荷方向）取向的增强纤维以抑制当蒙皮蒙受大的穿透损坏和纤维被破坏时可能会出现的纵向蒙皮分裂。这些±45度纤维还可以增加剪切强度、抗扭强度和弯曲刚度。
每层增强纤维都增加了机翼蒙皮重量。因为重量增加，使得燃料成本和其它飞机运行成本也增加。
存在降低机翼蒙皮的重量而不损害弯曲强度、弯曲刚度和损伤容限的挑战。
发明内容
根据本文的实施方式，复合层压板包括用于在主要载荷方向中的纵向强度的第一多个层的增强纤维，和以相对于主要载荷方向的角度±β取向的第二多个增强纤维，其中β在15度和35度之间。
根据本文的另一个实施方式，具有主要载荷方向的结构包括层压复合板，该层压复合板包括相对于x轴以角度+α和-α取向的多个层的α纤维，和相对于x轴以角度+β和-β取向的多个层的β纤维。角度β在15度和35度之间，并且角度α为0度或在2度和12度之间。
根据本文的另一个实施方式，复合箱形梁包括加固的亚结构、覆盖亚结构的一侧的第一层压板、和覆盖亚结构的相对侧的第二层压板。每个板都包括相对于亚结构的纵轴以15度和35度之间的角度取向的第一多个增强纤维。
根据本文的另一个实施方式，形成具有x轴的板的方法包括形成层叠置件，该层叠置件包括相对于x轴以角度±α取向的第一多个增强纤维，和相对于x轴以角度β取向的第二多个增强纤维，其中β在15度和35度之间，并且α为0度或在2度和12度之间。
这些特征和功能可以以各种实施方式单独实现，或者可以与其它的实施方式组合实现。实施方式的进一步的细节将参考以下描述与附图可见。
附图说明
图1A是增强纤维层和层坐标系统的图示。
图1B是包括相对于板的x轴以不同的角度取向的增强纤维层的复合层压板的图示。
图2是不同的纤维角度对复合层压板的整体强度的影响的图示。
图3是在一组复合试样上进行的大切口拉伸实验的一般结果的图示，该实验由申请人进行。
图4是在一组复合试样上进行的填充孔拉伸实验的一般结果的图示，该实验由申请人进行。
图5是形成复合层压板的方法的图示。
图6是增强纤维的层叠置件的图示。
图7是包括复合层压板的箱形梁的图示。
图8是包括复合层压板的不同的梁的图示。
具体实施方式
参考图1A，其示出了增强纤维12的层10和层坐标系统。该层坐标系统包括1轴、2轴、和3轴。纤维12是单向的，并且沿着1轴延伸。2轴与1轴位于平面内，但垂直于1轴。3轴位于1轴和2轴的平面外，但垂直于1轴和2轴。层10具有沿着1轴的非常强的方向，并且其具有穿过纤维（沿着2轴和3轴）的非常弱的方向。
参考图1B，其示出了包括嵌入在基体中的多层增强纤维的复合层压板110。增强纤维和基体不局限于任何特定的组合物。增强纤维的材料的实例包括但不限于碳、玻璃纤维、Kevlar、硼和钛。基体的材料的实例包括但不限于塑料和金属。作为第一实例，板110包括嵌入在塑料基体中的碳纤维。作为第二实例，板110包括嵌入到钛基体中的碳纤维。
板110具有x方向轴，其是用虚线表示的。例如，x轴可以对应于板110的主要载荷方向，由此拉伸力或压缩力被施加在x轴方向上。该板还具y轴和z轴，y轴与x轴位于平面内，而z轴位于x轴和y轴的平面外（y轴和z轴未被示出）。x轴、y轴和z轴是正交的。
第一多个层的增强纤维120相对于x轴以角度+α和-α取向。这些纤维在下文中被称为α纤维120，在x轴的方向中提供纵向强度。在一些实施方式中，对于最大的纵向强度，α=0度。
第二多个增强纤维130相对于x轴以角度+β和-β取向，其中β在15度和35度之间。这些纤维在下文中被称为β纤维130。在一些实施方式中，β为约25度。
如果所有的β纤维都是以相同的角度取向的，那么在那些β纤维的方向中出现层分裂是有可能的。为抑制层分裂，β纤维可以以稍微不同的角度取向，也就是说，β纤维的角度是“杂乱的（blurred）”。考虑到β=25度的实例。代替使用具有仅以+25度取向的β纤维的层，一些层具有以+22度取向的β纤维，其它层具有以+25度取向的β纤维，和其它层以+28度取向，使得β纤维的平均角度为+25度。类似地，通过使一些β纤维层以-22度取向、其它的以-25度取向、和其它的以-28度取向，可以获得-25度的平均角度。
在一些实施方式中，第三多个层的增强纤维可以是相对于主要载荷方向以角度+γ和-γ取向的，其中γ在87度和92度之间。这些纤维在下文中被称为γ纤维140，提供横向强度和刚度并且还提高承载强度。在一些实施方式中，γ=90度。
在图1B的板110中，β纤维被用来代替传统的交叉层(crossply)45度纤维。本申请人已经发现在15度和35度之间的角度β所提供的剪切强度略低于45度纤维所提供的剪切强度，但所提供的纵向强度显著大于45度纤维所提供的纵向强度。申请人还进一步认识到，相对于主要载荷方向的α纤维的层数可以减少而不损害纵向强度和刚度以及损伤容限。所得到的层压α/β/γ板比具有类似的纵向强度和刚度以及损伤容限的传统的0/45/90板更薄和更轻。
抑制或延缓纵向层分裂（沿x轴）可以通过使用以2度和12度之间的角度α而不是以0度取向的α纤维来进一步加强。在一些实施方式中，角度α的范围在3度和5度之间。α纤维的角度也可以是杂乱的（即，α纤维可以以稍微不同的角度取向以得到平均角度α）。例如，通过使一些α纤维层以+5度取向和一些α纤维层以-5度取向，可以获得0度的平均角度。
参考图2，其示出了不同的纤维角度对层压板的整体强度的影响。在水平轴上表示出了从0度到90度的不同的纤维角度值，并且在垂直轴上表示出了板强度。一般而言，随着纤维角度的增加，纵向强度非线性地减小。另一方面，随着纤维角度增加至45度，剪切非线性地增加，并且然后随着纤维角度的进一步增加而非线性地降低。当纤维角度从传统的45度减小到35度时，剪切仅仅会降低约5%，但纵向强度会增加约30%。当纤维角度被进一步减小至15度，继续进行该过程，由此剪切减小的百分比小于纵向强度减小的百分比。
图3和图4示出了由申请人所进行的实验的一般结果。每个实验都在一组复合试样上进行，该组复合试样具有以α=5度取向的α纤维、以γ=90度取向的γ纤维、和以在15度和45度之间变化的角度取向的β纤维。在图3和图4中，水平轴表示当β从15度增加到45度时的不同的α/β/γ试样，并且垂直轴表示纵向强度。
图3示出了在一组复合试样上进行的大切口拉伸试验的一般结果。大切口拉伸试验模拟了破坏增强纤维的大的穿透损坏。这些实验提供了关于损坏的试样的纵向强度的信息。黑色方块表示具有传统的0/45/90纤维取向的试样的强度。纤维的相对百分比是50%的0度纤维、40%的±45度纤维和10%的90度纤维（即，50/40/10%）。然而，该试样会发生层分裂。
为防止层分裂，0/45/90试样的纤维的比例变化为30/60/10%。0/45/90试样的实验结果由黑色圆圈来表示。尽管防止了层分裂，但减小了纵向强度。
然后，在具有在15度和40度之间的β纤维的不同试样上进行大切口拉伸试验。此外，那些试样具有比α纤维（即，“软”层压板）更大百分比的β纤维。在α/β/γ软层压板试样上进行的那些实验的一般结果用空心圆圈表示。那些结果表明，该试样与0/45/90软层压板试样相比而不是与0/45/90硬层压板试样相比具有更大的纵向强度。
在几个试样上进行大切口拉伸试验，该试样具有比β纤维（即，“硬”层压板）更大百分比的α纤维。在α/β/γ硬层压板试样上进行的那些实验的一般结果用空心方框表示。那些结果表明，具有在15度和35度之间的β纤维的试样比0/45/90硬层压板试样具有更大的纵向强度。由于一些原因，在β=25度时，α/β/γ硬层压板试样的纵向强度最大。
这些实验表明，5/25/90硬层压板的层数可以减少以提供与0/45/90硬层压板相同的纵向强度。然而，由于5/25/90硬层压板比0/45/90硬层压板具有更少的层，所以它更薄且更轻。此外，相对于层分裂，5/25/90硬层压板具有更大的损伤容限。
现将参考图4，其示出了填充孔拉伸实验的一般结果。例如，通过在试样中钻孔并且插入螺栓通过钻孔可以在试样中形成填充孔。随着孔被钻出，切割增强纤维，但认为该试样是未被损坏的。因此，该实验提供关于未损坏的试样的纵向强度的信息。
硬层压板（由空心和黑色方框表示）比软层压板（由空心和黑色圆圈表示）具有更大的纵向强度。此外，具有以β=20度取向的β纤维的硬层压板具有与传统的0/45/90硬层压板（由黑色方框表示）类似的纵向强度。
现将参考图5，其示出了一种制造层压板的方法。在方框510中，形成层叠置件。该叠置件包括α纤维层、β纤维层和γ纤维层。在铺叠之前或之后，增强纤维可以用树脂浸渍。
可以将这些增强纤维层沉积在铺叠工具（例如，心轴或模具工具）上。在一些实施方式中，每一层可以是具有在单一方向取向的纤维的单向条带。在其它实施方式中，每一层可以是在多于一个的方向取向的纤维织物。例如，织物可以具有以+α取向的一些纤维和以-α取向的其它纤维。在仍其它实施方式中，“盒”可以包括相对于x轴具有正确的纤维取向（例如，+α和-α）的预先包装的层。
层的1轴可以与层压板的x轴排成行(align)。即，1轴可以与主要载荷方向排成行。
在方框520中，层叠置件被固化以生产复合层压板。在方框530中，任选地对该层压板进行加工。例如，可以在层压板上钻出或切出紧固孔或其它类型的开口。β纤维抑制或延迟在这些孔处的纵向分离。通过以2度和12度之间的角度取向的α纤维可以进一步抑制或延迟层分裂。
参考图6，其示出了层叠置件610的实例，该层叠置件610具有以下层布置：[β、γ、-β、α、α、β、-α、-α、-β、α、α、β、-α、-α、-β、α、α]s，其中术语“s”代表对称性。即，层压板中间平面以上的层可以是中间平面下方的那些层的镜像。
本实例的目的是简单地示出每一层都包含具有相同纤维取向的纤维，并且不同的层具有不同的纤维取向。在该特定的实例中，纤维的分布是60%α纤维、30%β纤维和10%γ纤维（即60/30/10%）。其它实例可以具有其它层布置和其它相对百分比的纤维。
现将参考图8。本文所述的层压板可以在具有主要载荷方向的结构中使用。这种结构的一个实例是具有沿其纵轴的主要载荷方向的细长梁。在一些实施方式中，梁包括片材810、至少一个凸缘820、和至少一个复合帽盖830。片材810和凸缘（一个或多个）820可以由金属或复合材料制成。至少一个帽盖830包括相对于梁的主要载荷方向取向的α纤维和β纤维。帽盖830还可以包括γ纤维。
这些实施方式并不局限于任何特定的几何形状。梁的几何形状的实例包括，但不限于帽形框架(hat frame)、C形通道、Z形梁、J形梁、T形梁和I形梁、和叶片加固梁。在图8中，示出了帽形框架800a、Z形梁800b和C形通道800c。
在其它实施方式中，梁是箱形梁，所述箱形梁包括箱形的加固亚结构和覆盖所述框架的一个或多个复合层压板。一个或多个板包括相对于箱形梁的主要载荷方向取向的α纤维和β纤维。
现将参考图7，其示出了飞机机翼700，所述飞机机翼700包括翼箱710（其是一种类型的箱形梁）、前缘720、和后缘730。翼箱710包括翼梁712（例如，前翼梁和后翼梁）和翼肋714的加固亚结构。翼梁712沿翼展方向延伸，并且翼肋714以翼弦方向在翼梁712之间延伸。翼箱710可以具有多翼梁或多翼肋构造。多翼肋构造优选用于具有长机翼纵横比的商用飞机。
翼箱710进一步包括覆盖翼梁712和翼肋714的复合蒙皮716。蒙皮716可以包括上蒙皮716a和下蒙皮716b。
在运行过程中，机翼受到弯曲载荷和扭转载荷。例如，阵风或其它重的载荷可迫使机翼700向上弯曲，从而使得上蒙皮716a处于纵向压缩中并使得下蒙皮716b处于纵向拉伸中。弯曲载荷是主要的。为处理纵向载荷，每个蒙皮716a和716b都是由一个或多个复合层压板组成的，所述复合层压板包括相对于主要载荷方向取向的α纤维和β纤维。α纤维提供弯曲强度，因为它们承载了大部分的纵向载荷。
β纤维抑制当蒙皮716蒙受较大的穿透损坏和纤维被破坏时否则会出现的纵向蒙皮分裂。β纤维还可以增加剪切强度、抗扭强度、和弯曲刚度。
相对于传统的0/45/90硬层压板，由于β纤维也承载一些纵向载荷，所以α纤维层数可以减少，而不损害弯曲强度、弯曲刚度、和损伤容限。通过减少α纤维层数，蒙皮716的规格和重量减小。使用这种蒙皮716来代替传统的0/45/90板可以导致减轻数千磅的重量。减轻重量是非常期望的，因为它降低了燃料成本和其它的飞机运行成本。
在一些实施方式中，蒙皮716可以略微地不平衡。在一些实施方式中，蒙皮可以略微地非对称。
翼箱710的加固亚结构可以进一步包括纵梁718，该纵梁718执行的功能包括但不限于，加固所述蒙皮716。纵梁718还可以沿翼展方向延伸。
翼梁712、翼肋714、和纵梁718可以由金属或余量的复合材料制成。纵梁718可以被配置为具有帽盖、凸缘、和片材的梁。帽盖可以由复合材料板制成，该复合材料板包括相对于它们的纵梁718的纵轴取向的α纤维、β纤维、和γ纤维。
对于其中所述纵梁718可以由复合材料制成的实施方式，纵梁718可以与蒙皮716整体形成。在层叠置件形成期间，纵梁718的增强纤维可以沉积在用于蒙皮716的增强纤维上。
翼梁712可以包括由复合材料制成的帽盖，该复合材料具有α纤维层、β纤维层、和γ纤维层。翼肋714可以包括由复合材料制成的弦，该复合材料具有α纤维层、β纤维层、和γ纤维层。
本公开进一步包括根据以下条款的实施方式：
1.一种复合层压板，其包括用于相对于主要载荷方向的纵向强度的第一多个层的增强纤维，和相对于主要载荷方向以角度±β取向的第二多个增强纤维，其中β在15度和35度之间。
2.根据条款1所述的板，其中β约为25度。
3.根据条款1所述的板，其中所述β纤维的角度是杂乱的。
4.根据条款1所述的板，其中所述第一多个层的增强纤维是相对于主要载荷方向以角度±α取向的，其中α在2度和12度之间。
5.根据条款4所述的板，其中所述α纤维的角度是杂乱的。
6.根据条款1所述的板，进一步包括相对于主要载荷方向以角度γ取向的第三多个层的增强纤维，其中γ在87度和92度之间。
7.根据条款1所述的板，进一步包括基体，其中所述纤维嵌入在所述基体中。
8.根据条款7所述的板，其中所述基体是塑料基体，并且其中所述纤维包括嵌入在所述塑料基体中的碳纤维。
9.根据条款1所述的板，其中在所述第一多个层的增强纤维中比在所述第二多个增强纤维中使用了更大百分比的纤维。
10.一种具有主要载荷方向的结构，所述结构包括层压复合板，所述层压复合板包括相对于x轴以角度+α和-α取向的多个层的α纤维；和相对于x轴以角度+β和-β取向的多个层的β纤维，其中β在15度和35度之间，并且其中α为0度或在2度和12度之间。
11.根据条款10所述的结构，进一步包括承受沿着x轴产生纵向力的弯曲的箱形梁加固亚结构；其中所述板附接到加固亚结构。
12.根据条款10所述的结构，进一步包括梁，所述梁包括片材和凸缘；其中所述板附接到所述凸缘上作为帽盖。
13.一种箱形梁，其包括加固亚结构；第一层压板覆盖所述亚结构的一侧；第二层压板覆盖所述亚结构的相对侧，每个板都包括相对于亚结构的纵轴以15度和35度之间的角度取向的第一多个增强纤维。
14.根据条款13所述的箱形梁，其中每个板都进一步包括相对于亚结构的纵轴以2度和12度之间的角度取向的第二多个增强纤维。
15.根据条款14所述的箱形梁，其中在所述第二多个增强纤维中比在所述第一多个增强纤维中使用了更大百分比的纤维。
16.一种形成具有x轴的板的方法，所述方法包括形成层叠置件，所述层叠置件包括相对于x轴以角度±α取向的第一多个增强纤维，和相对于x轴以角度±β取向的第二多个增强纤维，其中β在15度和35度之间，并且α为0度或在2度和12度之间。
17.根据条款16所述的方法，进一步包括相对于x轴以角度γ铺叠第三多个纤维，其中γ在87度和92度之间。
18.根据条款16所述的方法，进一步包括在所述层叠置件上铺叠整体加固件。
19.根据条款16所述的方法，进一步包括将所述纤维嵌入在树脂中并固化所述层叠置件。
20.根据条款19所述的方法，进一步包括在所固化的层叠置件中切割纤维。

Claims (8)

1.一种复合层压板(110)，其包括相对于主要载荷方向以角度±α取向的第一多个层(10)的增强纤维(12)，其中所述第一多个层(10)的增强纤维(12)相对于所述主要载荷方向以围绕平均角度±α的不同角度取向，其中α在2度和12度之间，相对于所述主要载荷方向以围绕平均角度±β的不同角度取向的第二多个增强纤维(12)，其中β在15度和35度之间，并且其中所述复合层压板包括在所述第一多个层的增强纤维中比在所述第二多个增强纤维中更大百分比的纤维，以及相对于所述主要载荷方向以角度γ取向的第三多个层(10)的增强纤维(12)，其中γ在87度和92度之间。
2.一种形成具有沿主要载荷方向延伸的x轴的板(110)的方法，所述方法包括形成层叠置件，所述层叠置件包括相对于所述x轴以角度±α取向的第一多个增强纤维(12)，相对于所述x轴以围绕平均角度±β的不同角度取向的第二多个增强纤维(12)，和相对于所述x轴以角度γ取向的第三多个增强纤维(12)，其中β在15度和35度之间，α为0度或在2度和12度之间，并且γ在87度和92度之间，并且其中所述板包括在所述第一多个层的增强纤维中比在所述第二多个增强纤维中更大百分比的纤维。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在所述层叠置件(610)上铺叠整体加固件。
4.一种具有主要载荷方向的结构，所述结构包括层压复合板，所述层压复合板包括相对于沿所述主要载荷方向延伸的x轴以角度+α和-α取向的多个层的α纤维；相对于所述x轴以围绕平均角度+β和-β的不同角度取向的多个层的β纤维，和相对于x轴以角度+γ和-γ取向的多个层的γ纤维，其中β在15度和35度之间，其中α为0度或在2度和12度之间，并且其中γ在87度和92度之间，并且其中所述复合层压板包括比β纤维更大百分比的α纤维。
5.根据权利要求4所述的结构，进一步包括承受沿着所述x轴产生纵向力的弯曲的箱形梁加固亚结构；其中所述板附接到所述加固亚结构。
6.根据权利要求4所述的结构，进一步包括梁，所述梁包括片材和凸缘；其中所述板附接到所述凸缘上作为帽盖。
7.一种箱形梁，其包括加固亚结构；第一层压板，其覆盖所述亚结构的一侧；和第二层压板，其覆盖所述亚结构的相对侧，每个板都包括相对于所述亚结构的纵轴以角度+β和-β取向的第一多个增强β纤维，相对于所述亚结构的所述纵轴以角度+α和-α取向的第二多个增强α纤维，相对于所述亚结构的所述纵轴角度+γ和-γ取向的第三多个增强γ-纤维，其中α在2度和12度之间，β在15度和35度之间，γ在87度和92度之间，并且每个板包括比β纤维更大百分比的α纤维。
8.根据权利要求7所述的箱形梁，其中所述加固亚结构包括沿翼展方向延伸的翼梁和沿翼弦方向延伸的翼肋，并且其中所述第一和第二层压板是覆盖所述翼梁和所述翼肋的蒙皮。
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