CN104786525A - 具有几何成形填料元件的叠层复合圆角填料及其形成方法 - Google Patents

具有几何成形填料元件的叠层复合圆角填料及其形成方法 Download PDF

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Abstract

具有几何成形填料元件的叠层复合圆角填料及其形成方法。一种用于复合结构的叠层复合圆角填料具有堆叠层片组件，该堆叠层片组件具有被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个叠层。所述叠层复合圆角填料还具有被设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处的几何成形填料元件。所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。所述叠层复合圆角填料具有与所述复合结构的圆角填料区域基本上对应的形状。

Description

具有几何成形填料元件的叠层复合圆角填料及其形成方法
技术领域
本公开总体上涉及复合结构(composite structure)和方法，并且更具体地，涉及用于复合结构(诸如用于飞机的结构)的叠层复合圆角填料(radius filler)和形成该叠层复合圆角填料的方法。
背景技术
由于它们的高强度重量比、耐腐蚀性和其它有利的性能，复合结构(诸如由碳纤维加强塑料(CFRP)材料制成的结构)可以用在广泛的各种应用中，包括用在飞机、宇宙飞船、旋翼机、船舶、汽车、卡车及其它交通工具和结构的制造中。具体地，在飞机构造中，复合结构可以用来形成尾部、机翼、机身和其它部件。
当诸如接合至复合蒙皮板的增强加强筋或桁条的复合结构构件被接合在一起时，通常被称为“圆角填料区域”或“面条状物区域(noddle region)”的间隙或空隙区域可以沿着复合结构构件的接合线存在。由复合材料或粘合剂/环氧树脂材料制成并且具有通常三角形的横截面的圆角填料元件或“面条状物”可以用来填充圆角填料区域或面条状物区域以向这种区域提供附加的结构加强。
用来填充圆角填料区域或面条状物区域的圆角填料元件或面条状物可以是叠层复合圆角填料的形式。这种已知的叠层复合圆角填料可以由堆叠(stack)的复合层片(ply)形成的叠层制成。然而，在诸如在包括增强加强筋或桁条的复合结构中使用的这种已知的叠层复合圆角填料的制造固化和热循环阶段期间，可能在叠层复合圆角填料中发生分层或层分离。通常，这种分层发生在靠近叠层复合圆角填料的尖端的上部三分之一区域中并且可能更频繁地发生在更大的叠层复合圆角填料中。这种分层通常是由邻近叠层复合圆角填料的层片(即，包裹层片(wrap ply))与该叠层复合圆角填料之间的热膨胀系数(CTE)的差引起的。
存在解决叠层复合圆角填料的这种分层的已知解决方案。例如，一个这种已知解决方案涉及表明叠层复合圆角填料的分层不是有害的。然而，这种已知解决方案可能增加风险，因为它可能难以表明分层将不在复合结构的整个寿命中在所有环境和负载条件下增长至有害尺寸。
因此，期望能够解决在诸如增强加强筋和桁条的复合结构中使用的叠层复合圆角填料的分层的问题。因此，在本领域中存在对于相对于已知元件、组件和方法提供优点的改进的叠层复合圆角填料和形成该改进的叠层复合圆角填料的方法的需要。
发明内容
对于改进的叠层复合圆角填料和形成该改进的叠层复合圆角填料的方法的这个需要被满足。如在下面的具体描述中所讨论的，改进的叠层复合圆角填料和形成该改进的叠层复合圆角填料的方法的实施方式可以相对于已知元件、组件和方法提供显著优点。
在本公开的一个实施方式中，提供了一种用于复合结构的叠层复合圆角填料。该叠层复合圆角填料包括堆叠层片组件。该堆叠层片组件包括被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠。
所述叠层复合圆角填料还包括设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处的几何成形填料元件。所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。所述叠层复合圆角填料具有与所述复合结构的圆角填料区域基本上对应的形状。
在本公开的另一实施方式中，提供了一种飞机复合组件。该飞机复合组件包括复合结构。该复合结构包括圆角填料区域和邻近该圆角填料区域的多个包裹层片。
所述飞机复合组件还包括具有与所述圆角填料区域基本上对应的形状并且填充所述圆角填料区域的叠层复合圆角填料。所述叠层复合圆角填料包括堆叠层片组件。所述堆叠层片组件包括被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠。
所述叠层复合圆角填料还包括设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处的几何成形填料元件。所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。
在本公开的另一实施方式中，提供了一种形成用于复合结构的叠层复合圆角填料的方法。所述方法包括以下步骤：组装被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠，以形成堆叠层片组件。所述方法还包括以下步骤：将所述堆叠层片组件的第一部分铺叠(lay up)在形成设备上。所述方法还包括以下步骤：将几何成形填料元件设置在所述堆叠层片组件的所述第一部分上的期望位置处。
所述方法还包括以下步骤：将所述堆叠层片组件的第二部分铺叠在所述几何成形填料元件和所述第一部分上以形成叠层复合圆角填料。所述几何成形填料元件使所述第二部分变形，使得所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。所述方法还包括以下步骤：在复合结构的圆角填料区域中组装所述叠层复合圆角填料。
已讨论的特征、功能和优点能够在本公开的各种实施方式中独立地实现，或可以组合在其它的实施方式中，其另外的细节能够参照以下描述和附图看到。
附图说明
能够参照结合附图进行的以下具体描述更好地理解本公开，附图例示了优选和示例性实施方式，但是附图不必按比例绘制，其中：
图1是可以并入具有一个或更多个复合结构的一个或更多个复合组件的飞机的立体图的例示，该一个或更多个复合结构具有本公开的叠层复合圆角填料的实施方式；
图2A是飞机生产和使用方法的流程图的例示；
图2B是飞机的框图的例示；
图3是示出本公开的叠层复合圆角填料的实施方式的复合组件的框图的例示；
图4A是具有利用本公开的叠层复合圆角填料的实施方式填充的圆角填料区域的T型加强筋的形式的复合结构的立体图的例示；
图4B是复合组件中的图4A的叠层复合圆角填料的放大的局部正视截面图的例示；
图5是本公开的叠层复合圆角填料的实施方式中的具有一个几何成形填料元件和尖端(tip)元件的一个实施方式的放大的正视截面图的例示；
图6是本公开的叠层复合圆角填料的实施方式中的具有两个几何成形填料元件和尖端元件的另一实施方式的放大的正视截面图的例示；
图7是本公开的叠层复合圆角填料的实施方式中的具有两个几何成形填料元件并且没有尖端元件的另一实施方式的放大的正视截面图的例示；以及
图8是本公开的方法的示例性实施方式的流程图的例示。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述所公开的实施方式，在附图中示出了所公开的实施方式中的一些但非全部。实际上，多个不同的实施方式可以被提供并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方式。相反地，提供这些实施方式使得本公开将是彻底的，并且将完全地将本公开的范围传达给本领域的技术人员。
现参照附图，图1是可以并入具有一个或更多个复合结构28的一个或更多个复合组件26的飞机10的立体图的例示。复合结构28(见图1)可以并入通过本公开的方法150(见图8)的一个或更多个实施方式所形成的叠层复合圆角填料70(见图3、4A-4B、5-7)的实施方式，诸如例如叠层复合圆角填料70a(见图5)、叠层复合圆角填料70b(见图6)或叠层复合圆角填料70c(见图7)。
如图1中所示，飞机10包括机身12、机头14、驾驶舱16、机翼18、一个或更多个推进单元20、垂直尾部22和水平尾部24。图1中所示出的飞机10通常表示具有一个或更多个复合组件26的商用客机，该一个或更多个复合组件26具有一个或更多个复合结构28。然而，所公开的实施方式的教导可以应用于其它客机、货机、军用飞机、旋翼机和其它类型的飞机或飞行器，以及航空航天飞行器、卫星、空间运载工具、火箭及其它航天飞行器，以及船和其它船舶、火车、汽车、卡车、公交车或具有一个或多个复合组件26(该一个或多个复合组件26具有一个或更多个复合结构28)的其它合适结构，所述复合结构28可以并入利用本公开的方法150(见图8)的一个或更多个实施方式所制成的叠层复合圆角填料70(见图3、4A-4B、5-7)的实施方式。
图2A是飞机生产和使用方法30的流程图的例示。图2B是飞机50的框图的例示。参照图2A-2B，可以在如图2A中所示出的飞机生产和使用方法30和如图2B中所示出的飞机50的背景下描述本公开的实施方式。在预生产期间，示例性飞机生产和使用方法30可以包括飞机50的规格和设计32及材料采购34。在生产期间，进行飞机50的部件和配件制造36以及系统集成38。此后，飞机50可以经历验收和交付40以进行使用42。在客户的使用42期间，飞机50可安排用于日常维修和保养44(其也可包括改进、重新配置、翻新以及其它合适的服务)。
飞机生产和使用方法30的过程的每一个都可以由系统集成者、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实行。出于本描述的目的，系统集成者可以包括但不限于任何数目的飞机制造商和主系统转包商；第三方可以包括但不限于任何数目的销售商、转包商和供应商；并且，运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织和其它适合的运营商。
如图2B中所示，由示例性飞机生产和使用方法30所生产的飞机50可以包括具有多个高级系统54和内部56的机体52。该多个高级系统54的示例可以包括推进系统58、电气系统60、液压系统62和环境系统64中的一个或更多个。还可以包括任何数目的其它系统。尽管示出了航空航天示例，但是本发明的原理可以应用于其它工业，诸如汽车工业。
可以在生产和使用方法30的多个阶段中的任何一个或更多个期间采用本文所具体实现的方法和系统。例如，可以按照与在飞机50在使用中42的同时所生产的部件或配件相似的方式制作或制造与部件和配件制造36对应的部件或配件。并且，可以例如通过基本上加快飞机50的组装或减少飞机50的成本在部件和配件制造36和系统集成38期间利用一个或更多个设备实施方式、方法实施方式或其组合。类似地，可以在飞机50在服务中42的同时利用设备实施方式、方法实施方式或其组合中的一个或更多个，所述服务例如但不限于例行维修和保养44。
在本公开的实施方式中，提供了用于复合组件26(见图3、4B)中的复合结构28(见图3、4A-4B)的叠层复合圆角填料70(见图3、4A-4B、5-7)，即，“面条状物”，用于填充圆角填料区域72(见图3、4A-4B)，即，“面条状物区域”。图3是示出本公开的叠层复合圆角填料70的实施方式的复合组件26(诸如飞机复合组件26a)的框图的例示。
如图3中所示，复合组件26包括具有圆角填料区域72的复合结构28。如图3中进一步所示，复合结构28包括叠层复合圆角填料70，其邻近复合结构28的包裹层片84a、包裹层片84b和包裹层片92a。
图4A是具有利用本公开的叠层复合圆角填料70的实施方式填充的圆角填料区域72、诸如为T型加强筋的形式的复合结构28的立体图的例示。图4B是复合组件26(诸如飞机复合组件26a)中的图4A的叠层复合圆角填料70的放大的局部正视截面图的例示。如图4B中所示，诸如为叠层复合圆角填料70a的形式的叠层复合圆角填料70优选地具有与复合结构28的圆角填料区域72的尺寸和形状基本上对应的构造74。
如图4A中所示，诸如为T型加强筋76的形式的复合结构28包括垂直腹板(web)78、水平凸缘80和径向(radial)围绕叠层复合圆角填料70的凸缘-腰板过渡部82。垂直腹板78(见图4A-4B)和水平凸缘80(见图4A-4B)优选地包括邻近叠层复合圆角填料70(见图3、4A-4B)的堆叠复合层片84(见图4A-4B)，诸如包裹层片84a、84b(见图3、4B)。包裹层片84a、84b(见图4B)优选地具有在垂直方向118b(见图4B)或基本上垂直方向上延伸的径向取向86(见图4B)。如图4A中进一步所示，T型加强筋76的水平凸缘80可以在界面88(例如，蒙皮加强筋界面)处接合到一个或更多个基部叠层件90和/或蒙皮板96。
如图4B中所示，一个或更多个基部叠层件90可以包括邻近叠层复合圆角填料70的、诸如为包裹层片92a的形式的堆叠复合基部层片92。包裹层片92a(见图3、4B)优选地具有在水平方向118a(见图4B)上延伸的径向取向94(见图4B、5-7)。如图4B中进一步所示，诸如为飞机复合组件26a的形式的复合组件26示出了被翼梁(spar)98所围绕的叠层复合圆角填料70。
如图3、4B中所示，叠层复合圆角填料70包括具有几何形状102的几何成形填料元件100(见图4B)、可选的尖端元件104、基部106a、106b(见图4B)、顶部106c(见图4B)和堆叠层片组件108。叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)可以并入设置在叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)内的一个或更多个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)。
叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)可以通过任何适合的手段由复合材料形成，所述任何适合的手段包括但不限于拉挤、推挤、手工铺叠、自动铺叠，或如在下面更详细地描述的任何其它适合的形成工艺。叠层复合半径填充物70(见图3、4B、5-7)可以通过首先形成堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)来形成。如图3中所示，堆叠层片组件108优选地包括被切割为期望的宽度132并且具有期望的层片取向134的叠层圆角填料层片110a(也见图4B)、110b(也见图4B)、110c(也见图6)和/或110d(也见图7)的多个堆叠110(也见图4B、5-7)。
所期望的宽度132(见图3)可以从大宽度到小宽度选择，并且可以被选择成符合最后形成的叠层复合圆角填料70(见图4B)的圆角114(见图4B)的尺寸和形状。所期望的层片取向134(见图3)可以被修整为所期望的任何层片方向。例如，所期望的层片取向134可以包括但不限于如+45度/-45度、+50度/-50度、0度、90度的层片取向或另一适合的层片取向。通过示例的方式，如本文所使用的，“+45度”意味着层片被顺时针旋转45度，而“-45度”意味着层片被逆时针旋转45度。为堆叠层片组件108(见图3、4B)选择所期望的层片取向134(见图3)取决于叠层复合圆角填料70(见图3、4B)相对于周围的包裹层片84a、84b、92a(见图3、4B)的期望刚性。
如图3、4B中所示，堆叠层片组件108优选地包括第一部分108a和第二部分108b。在一个以上的几何成形填料元件100(见图6、7)形成在叠层复合圆角填料70(见图6、7)中的情况下，附加部分108c(见图6)、附加部分108d(见图7)或其它附加部分中的一个或更多个可以从第二部分108b(见图5-7)形成。
叠层复合圆角填料70(见图3、4B)的堆叠层片组件108(见图3、4B)可以由用来形成复合组件26(见图3、4B)的部件的相同的或相似的树脂和纤维材料制成，所述部件诸如复合结构28(见图3、4B)、翼梁98(见图4B)、基部叠层件90(见图4B)和蒙皮板96(见图4B)。例如，堆叠复合层片84、堆叠复合基部层片92和叠层圆角填料层片110a(见图4B)、110b(见图4B)、110c(见图6)和/或110d(见图7)的多个堆叠110(见图3)可以由被基质(matrix)材料(诸如例如预浸料坯(prepreg)材料)围绕并且支承在该基质材料内的加强材料形成。
加强材料可以包括高强度纤维，诸如玻璃纤维或碳纤维、石墨、芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃，或另一适合的加强材料。基质材料可以包括各种聚合物或树脂材料，诸如环氧树脂、聚脂、乙烯基酯树脂、聚醚醚酮聚合物(PEEK)、聚醚酮酮聚合物(PEKK)、双马来酰亚胺，或另一适合的基质材料。如本文所使用的，“预浸料坯”意指纺织或编织的织物或类似布的带材，例如玻璃纤维或碳纤维，其已用未固化的或部分固化的树脂浸渍，所述树脂足够柔性以形成为期望的形状，然后例如通过在烤箱或高压釜(autoclave)或其它加热装置中施加热而“固化”，以使树脂硬化为坚固的、刚性、纤维加强的结构。
堆叠复合层片84、堆叠复合基部层片92和叠层圆角填料层片110a(见图4B)、110b(见图4B)、110c(见图6)和/或110d(见图7)的多个堆叠110(见图3)可以为预浸料坯单向带、单向纤维带、碳纤维加强塑料(CFRP)带或另一适合的带；碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物或另一适合的织物；带或其织物的组合；或另一适合的复合材料的形式。
如关于方法150在下面更详细地讨论的，堆叠层片组件108(见图3)的第一部分108a(见图3)可以包括三个或四个层片，其中优选地至少一个层片具有零度(0°)层片取向。如果使用自动铺叠工艺来形成堆叠层片组件108(见图3)，则包括叠层圆角填料层片110a(见图4B)、110b(见图4B)、110c(见图6)和/或110d(见图7)的多个堆叠110可以使用任何期望的层片取向134(见图3)的多个单个的层片来铺叠。
如图3、4B、5-6中进一步所示，叠层复合圆角填料70可以可选地包括尖端元件104。尖端元件104(见图3、4B、5-6)优选地由多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束(tow)、狭缝单向带、碳纤维加强塑料(CFRP)带、碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维(chopped fiber)、其组合或另一适合的纤维材料组成。
尖端元件104(见图3、4B、5-6)优选地具有包括基本上箭头构造105a(见图5)、多三角形构造105b(见图6)之一的构造105(见图4B、5-6)，或另一适合的构造。如图5中所示，诸如尖端元件104a的形式的尖端元件104被设置在堆叠层片组件108的顶部122(诸如堆叠层片组件108的第二部分108b的顶部122)上。如图5中进一步所示，尖端元件104a具有为基本箭头构造105a的形式的构造105。
如图6中所示，诸如尖端元件104b的形式的尖端元件104被设置在堆叠层片组件108的顶部122(诸如堆叠层片组件108的附加部分108c的顶部122)上。如图6中进一步所示，尖端元件104b具有多三角形构造105b的形式的构造105。
如图3、4B、5-7中进一步所示，叠层复合圆角填料70包括被设置在堆叠层片组件108的第一部分108a(见图5-7)上的期望位置120(见图5-7)处的、诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100。如图5中所示，在一个实施方式中，堆叠层片组件108的第一部分108a上的期望位置120优选地是第一部分108a上的中央位置120a或基本上中央位置。然而，还可以选择其它适合的期望位置。因为叠层复合圆角填料中的分层或裂缝形成通常可以在叠层复合圆角填料的上部(诸如上部二分之一部分或上部三分之一部分)中开始，所以优选地，一个或更多个几何成形填料元件100(见图4B、5-7)被设置在或位于叠层复合圆角填料70(见图4B、5-7)的上部(诸如上部二分之一部分或上部三分之一部分)中。
另外，优选地，堆叠层片组件108(见图4B、5-7)在叠层复合圆角填料70(见图4B、5-7)的上部(诸如上部二分之一部分或上部三分之一部分)中的第二部分108b(见图4B、5-7)通过一个或更多个几何成形填料元件100(见图4B、5-7)而变形或成形。一个或更多个几何成形填料元件100(见图4B、5-7)优选地使堆叠在相应的几何成形填料元件100(见图4B、5-7)上的堆叠层片组件108(见图4B、5-7)的第二部分108b(见图4B、5-7)和任何附加部分108c(见图6)、108d(见图7)变形或弯曲。这个变形使堆叠层片组件108(见图4B、5)的第二部分108b(见图4B、5-7)和任何附加部分108c(见图6)、108d(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图4B、4-7)、110c(见图6)和/或110d(见图7)弯曲并改变方向，从而具有包括水平方向118a(见图3、4B、5-7)和垂直方向118b(见图3、4B、5-7)的方向分量116(见图3、4B、5-7)，以便和邻近叠层复合半径填料70(见图3、4B、5-7)的包裹层片84a、84b(见图4B)的垂直方向118b(见图4B)基本上匹配。如本文所使用的，“水平方向”意指与水平或基本上水平、以及与地平面平行或基本上平行、和与垂直方向垂直或基本上垂直的方向。如本文所使用的，“垂直方向”意指垂直或基本上垂直、以及与水平方向正交或垂直或者基本上正交或基本上垂直的方向。
如图3中所示，叠层复合半径填充物70可以进一步包括一个或更多个附加的几何成形填料元件100，诸如附加的几何成形填料元件100b(也见图6)或附加的几何成形填料元件100c(也见图7)或另一适合的附加的几何成形填料元件100。如图6中所示，附加的几何成形填料元件100b优选地被设置于在第二部分108b上并且在附加部分108c中和下面的期望位置124处。此外，如图7中所示，附加的几何成形填料元件100c优选地被设置于在第二部分108b上并且在附加部分108d中和下面的期望位置126处。
几何成形填料元件100、100a(见图3)和任何附加的几何成形填料元件100、100b、100c(见图3)各自优选地由多个单向纤维101(见图3)、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料(CFRP)带、碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维、其组合或另一适合的纤维材料组成。单向纤维101(见图3)优选地基本上延伸通过(run down)复合结构28(见图4A)的长度。
在一个实施方式中，几何成形填料元件100、100a(见图3)和任何附加的几何成形填料元件100、100b、100c(见图3)可以由具有零度(0°)层片取向的拉挤单向纤维101a(见图3)组成。优选地，拉挤单向纤维101a(见图3)使用拉挤工艺和拉挤设备130(见图3)形成，如在下面更详细地讨论的。
几何成形填料元件100、100a(见图3)和任何附加的几何成形填料元件100、100b、100c(见图3)优选地各自具有几何形状102(见图4B、5-7)。几何形状102(见图4B、5-7)可以包括三角形形状102a(见图4B、5)、带弯曲角部的三角形形状102b(见图6)、箭头形状102c(见图7)、角部被去除的三角形形状(未示出)、带一个或更多个曲边的三角形形状(未示出)、圆角填料形状(未示出)、半圆形状(未示出)或另一适合的几何形状。
如以上所讨论的几何成形填料元件100、100a(见图3)和任何附加的几何成形填料元件100、100b、100c(见图3)的目的在于改变第二部分108b(见图3)和任何附加部分108c、108d(见图3)的叠层圆角填料层片110b(见图4B)、100c(见图6)和/或110d(见图7)的相应方向以弯曲并改变方向，从而具有包括水平方向118a(见图3、4B、5-7)和垂直方向118b(见图3、4B、5-7)的方向分量。
在图5-7中示出了叠层复合圆角填料70的各种实施方式。这些实施方式不意在为限制性的。
图5是本公开的诸如叠层复合圆角填料70a的形式的叠层复合圆角填料70的实施方式中的一个的放大的正视截面图的例示。图5中所示出的叠层复合圆角填料70a具有诸如第一几何成形填料元件100a的形式的一个几何成形填料元件100。第一几何成形填料元件100a(见图5)优选地具有三角形形状102a(见图5)的形式的几何形状102(见图5)。然而，诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100可以具有另一适合的几何形状。
图5示出了诸如叠层复合圆角填料70a的形式的叠层复合圆角填料70的基部106a、106b和顶部106c。图5还示出了诸如包裹层片84a、84b的形式的堆叠复合层片84，和诸如包裹层片92a的形式的基部叠层件90的堆叠复合基部层片92。包裹层片84a、84b和包裹层片92a围绕诸如叠层复合圆角填料70a的形式的叠层复合圆角填料70。
诸如叠层复合圆角填料70a(见图5)的形式的叠层复合圆角填料70(见图5)优选地具有与复合结构28(见图4B)的圆角填料区域72(见图4B)的形状和尺寸基本上对应的构造74(见图5)。如图5中所示，叠层复合圆角填料70的构造74是基本上三角形形状。然而，叠层复合圆角填料70(见图5)可以具有另一适合的形状或构造。
图5中所示出的叠层复合圆角填料70a还具有诸如尖端元件104a的形式的尖端元件104。尖端元件104a(见图5)具有基本上箭头构造105a(见图5)的形式的构造105(见图5)。如图5中进一步所示，尖端元件104a优选地被设置在叠层复合圆角填料70(诸如叠层复合圆角填料70a)的尖端位置112处。如图5中进一步所示，尖端元件104a优选地被设置在堆叠层片组件108的顶部122(诸如堆叠层片组件108的第二部分108b的顶部122)上。
图5示出了被设置在堆叠层片组件108的第一部分108a上的期望位置120(诸如中央位置120a或基本上中央位置)处的、诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100。然而，诸如第一几何成形填料元件100a(见图5)的形式的几何成形填料元件100(见图5)可以被设置在第一部分108a(见图5)上的另一适合的期望位置120(见图5)处。
如图5中所示，诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100优选地使堆叠在第一几何成形填料元件100a上的堆叠层片组件108的第二部分108b变形。这使第二部分108b(见图5)的叠层圆角填料层片110b(见图5)的多个堆叠110(见图5)改变方向。如图5中进一步所示，叠层圆角填料层片110a优选地各自具有包括水平方向118a和垂直方向118b的方向分量116。优选地，改变第二部分108b(见图5)的叠层圆角填料层片110b(见图5)的方向最小化叠层复合圆角填料70(见图5)与邻近叠层复合圆角填料70(见图5)的包裹层片84a、84b(见图70)之间的热膨胀系数(CTE)136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差。
如本文所使用的，“热膨胀系数(CTE)”意指响应于材料的温度的改变的材料的尺寸或体积的改变的度量。如本文所使用的，“层间拉应力”意指倾向于拉开层片或使它们分层的与多个层片(例如，带或织物层片)正交的应力。最小化CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)方面的差优选地消除了分层或导致叠层复合圆角填料70(见图5)的减少的分层140(见图3)。这种分层可以由在复合结构28(见图4B)和/或复合组件26(见图4B)的制造的固化和热循环阶段期间发生的热应力产生。
因此，不是在水平方向118a(见图4B)上堆叠在整个叠层复合圆角填料70上的，而是堆叠在几何成形填料元件100(见图5)上的叠层复合圆角填料层片110b(见图5)开始变形或弯曲，以具有包括水平方向118a(见图5)和垂直方向118b(见图5)的方向分量116(见图5)，以与邻近叠层复合圆角填料70(见图5)的包裹层片84a、84b(见图4B、5)的垂直方向118b(见图4B)基本上匹配或遵循邻近叠层复合圆角填料70(见图5)的包裹层片84a、84b(见图4B、5)的垂直方向118b(见图4B)。
这优选地最小化叠层复合圆角填料70(见图5)与邻近叠层复合圆角填料70(见图5)的包裹层片84a、84b(见图5)之间的CTE 136(见图3)的差。这是因为叠层复合圆角填料70(见图5)的叠层圆角填料层片110b(见图5)和包裹层片84a、84b(见图5)具有相同的或相似的垂直取向。另外，对于堆叠在几何成形填料元件100a(见图5)上的叠层圆角填料层片110b(见图5)，叠层复合圆角填料70(见图5)的第二部分108b(见图5)的径向取向114(见图5)优选地和诸如包裹层片84a、84b(见图5)的堆叠复合层片84(见图5)的径向取向基本上匹配。
图6是本公开的诸如叠层复合圆角填料70b的形式的叠层复合圆角填料70的实施方式中的另一个的放大的正视截面图的例示。图6中所示出的叠层复合圆角填料70b具有诸如第一几何成形填料元件100a和附加的几何成形填料元件100b的形式的两个几何成形填料元件100。第一几何成形填料元件100a(见图6)优选地具有三角形形状102a(见图6)的形式的几何形状102(见图6)。附加的几何成形填料元件100b(见图6)优选地具有带弯曲角部的三角形形状102b(见图6)的形式的几何形状102(见图6)。然而，诸如第一几何成形填料元件100a和附加的几何成形填料元件100b的形式的几何成形填料元件100可以各自具有另一适合的几何形状。
图6示出了诸如叠层复合圆角填料70b的形式的叠层复合圆角填料70的基部106a、106b和顶部106c。图6还示出了诸如包裹层片84a、84b的形式的堆叠复合层片84，和基部叠层件90的诸如包裹层片92a的形式的堆叠复合基部层片92。如图6中所示，包裹层片84a、84b和包裹层片92a围绕诸如叠层复合圆角填料70b的形式的叠层复合圆角填料70。
诸如叠层复合圆角填料70b(见图6)的形式的叠层复合圆角填料70(见图6)优选地具有与复合结构28(见图4B)的圆角填料区域72(见图4B)的形状和尺寸基本上对应的构造74(见图6)。如图6中所示，叠层复合圆角填料70的构造74是基本上三角形形状。然而，叠层复合圆角填料70(见图6)可以具有另一适合的形状或构造。
图6中所示出的叠层复合圆角填料70b还具有诸如尖端元件104b的形式的尖端元件104。如图6中所示，尖端元件104b具有多三角形构造105b的形式的构造105。如图6中进一步所示，尖端元件104b优选地被设置在诸如叠层复合圆角填料70b的形式的叠层复合圆角填料70的尖端位置112处。如图6中进一步所示，尖端元件104b优选地被设置在堆叠层片组件108的顶部122(诸如堆叠层片组件108的附加部分108c的顶部122)上。可以经由拉挤工艺或另一适合的工艺形成尖端元件104b(见图6)。如果使用了冲模(die)，则除了被拉挤的尖端元件104(见图6)之外或代替被拉挤的尖端元件104(见图6)可以使用取向为具有在垂直方向118b(见图6)上的高度和在水平方向118a(见图6)上的宽度的织物或带的垂直层片125(见图6)。垂直层片125(见图6)将优选地为待放入冲模中的叠层复合圆角填料70b的第一部分。
图6示出了被设置在堆叠层片组件108的第一部分108a上的期望位置120(诸如中央位置120a或基本上中央位置)处、诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100。然而，诸如第一几何成形填料元件100a(见图6)的形式的几何成形填料元件100(见图6)可以被设置在第一部分108a(见图5)上的另一适合的期望位置处。
图6还示出了被设置在堆叠层片组件108的第二部分108a上的期望位置124处、诸如附加的几何成形填料元件100b的形式的几何成形填料元件100。优选地，期望位置124(见图6)是第二部分108b(见图6)上的中央位置或基本上中央位置。然而，诸如附加的几何成形填料元件100b(见图6)的形式的几何成形填料元件100(见图6)可以被设置在第二部分108b(见图6)上的另一适合的期望位置处。
如图6中所示，诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100优选地使堆叠在第一几何成形填料元件100a上的堆叠层片组件108的第二部分108b变形。这使第二部分108b(见图6)的叠层圆角填料层片110b(见图6)的多个堆叠110(见图6)改变方向。叠层圆角填料层片110a(见图6)在水平方向118a(见图6)上取向并且改变方向或变形为具有包括水平方向118a和垂直方向118b(见图6)的方向分量116(见图6)的叠层圆角填料层片110b(见图6)。
如图6中进一步所示，诸如附加的几何成形填料元件110b的形式的几何成形填料元件100优选地使堆叠在附加的几何成形填料元件100b上的附加部分108c变形。这使附加部分108c(见图6)的叠层圆角填料层片110c(见图6)的多个堆叠110(见图6)改变方向。叠层圆角填料层片110c(见图6)变形或弯曲以具有包括水平方向118a(见图6)和垂直方向118b(见图6)的方向分量116(见图6)。
优选地，改变第二部分108b(见图6)的叠层圆角填料层片110b(见图6)的方向并且改变附加部分108c(见图6)的叠层圆角填料层片110c(见图6)的方向两者都有助于最小化叠层复合圆角填料70(见图6)与邻近叠层复合圆角填料70(见图6)的包裹层片84a、84b(见图6)之间的CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差。最小化CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差优选地消除了分层或导致叠层复合圆角填料70(见图5)的减少的分层140(见图3)。这种分层可以由在复合结构28(见图4B)和/或复合组件26(见图4B)的制造的固化和热循环阶段期间发生的热应力产生。
因此，不是在水平方向118a(见图4B)上堆叠在整个叠层复合圆角填料70(见图6)上的，而是堆叠在第一几何成形填料元件100a(见图6)上的叠层复合圆角填料层片110b(见图6)和堆叠在附加的几何成形填料元件100b(见图6)上的叠层圆角填料层片110c(见图6)两者都开始变形或弯曲，以具有包括水平方向118a和垂直方向118b(见图6)的方向分量116(见图6)，以便和邻近叠层复合圆角填料70(见图6)的包裹层片84a、84b(见图4B、6)的垂直方向118b(见图4B)匹配或基本上匹配或者遵循邻近叠层复合圆角填料70(见图6)的包裹层片84a、84b(见图4B、6)的垂直方向118b(见图4B)。
这优选地最小化叠层复合圆角填料70(见图6)与邻近叠层复合圆角填料70(见图6)的包裹层片84a、84b(见图6)之间的CTE 136(见图3)的差。这是因为叠层复合圆角填料70(见图6)的叠层圆角填料层片110b(见图6)和叠层圆角填料层片110c(见图6)两者以及包裹层片84a、84b(见图6)具有相同的或相似的垂直取向。
另外，对于堆叠在几何成形填料元件100a(见图6)上的叠层圆角填料层片110b(见图6)，并且对于堆叠在附加的几何成形填料元件100b(见图6)上的叠层圆角填料层片110c(见图6)，叠层复合圆角填料70(见图5)的第二部分108b(见图6)和附加部分108c(见图6)的径向取向114(见图6)优选地和诸如包裹层片84a、84b(见图6)的堆叠复合层片84(见图6)的径向取向86基本上匹配。
图7是本公开的诸如叠层复合圆角填料70c的形式的叠层复合圆角填料70的实施方式中的另一个的放大的正视截面图的例示。图7中所示出的叠层复合圆角填料70c具有诸如第一几何成形填料元件100a和附加的几何成形填料元件100c的形式的两个几何成形填料元件100。
第一几何成形填料元件100a(见图7)优选地具有三角形形状102a(见图7)的形式的几何形状102(见图7)。附加的几何成形填料元件100c(见图7)优选地具有箭头形状102c(见图7)的形式的几何形状102(见图7)。然而，诸如第一几何成形填料元件100a和附加的几何成形填料元件100c的形式的几何成形填料元件100可以各自具有另一适合的几何形状。
图7示出了诸如叠层复合圆角填料70c的形式的叠层复合圆角填料70的基部106a、106b和顶部106c。图7还示出了诸如包裹层片84a、84b的形式的堆叠复合层片84，和基部叠层件90的诸如包裹层片92a的形式的堆叠复合基部层片92。如图7中所示，包裹层片84a、84b和包裹层片92a围绕诸如叠层复合圆角填料70c的形式的叠层复合圆角填料70。
诸如叠层复合圆角填料70c(见图7)的形式的叠层复合圆角填料70(见图7)优选地具有与复合结构28(见图4B)的圆角填料区域72(见图4B)的形状和尺寸基本上对应的构造74(见图7)。如图7中所示，叠层复合圆角填料70的构造74是基本上三角形形状。然而，叠层复合圆角填料70(见图7)可以具有另一适合的形状或构造。
图7示出了被设置在堆叠层片组件108的第一部分108a上的期望位置120(诸如中央位置120a或基本上中央位置)处、诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100。然而，诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100可以被设置在第一部分108a(见图7)上的另一适合的期望位置处。
图7中所示出的叠层复合圆角填料70c不具有尖端元件104(见图5-6)。代替尖端元件104(见图5-6)，图7示出了具有被设置在堆叠层片组件108的第二部分108b上的期望位置126处、诸如附加的几何成形填料元件100c的形式的几何成形填料元件100的叠层复合圆角填料70。优选地，期望位置126(见图7)是第二部分108b(见图7)上的中央位置或基本上中央位置。然而，诸如附加的几何成形填料元件100c的形式的几何成形填料元件100可以被设置在第二部分108b(见图7)上的另一适合的期望位置处。
如图7中所示，诸如第一几何成形填料元件100a的形式的几何成形填料元件100优选地使堆叠在第一几何成形填料元件100a上的堆叠层片组件108的第二部分108b变形。这使第二部分108b(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图7)的多个堆叠110(见图7)改变方向。叠层圆角填料层片100a(见图7)的多个堆叠110(见图7)在水平方向118a(见图4B)上取向，并且改变方向或变形为具有包括水平方向118a和垂直方向118b(见图7)的方向分量116(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图7)。
如图7中进一步所示，诸如附加的几何成形填料元件100c的形式的几何成形填料元件100优选地使堆叠在附加的几何成形填料元件100c上的堆叠层片组件108的附加部分108d变形。这使附加部分108d(见图7)的叠层圆角填料层片110d(见图7)的多个堆叠110(见图7)改变方向。叠层圆角填料层片110d(见图7)变形或弯曲以具有包括水平方向118a(见图7)和垂直方向118b(见图7)的方向分量116(见图7)。
优选地，改变第二部分108b(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图7)的方向并且改变附加部分108d(见图7)的叠层圆角填料层片110d的方向两者都有助于最小化叠层复合圆角填料70(见图7)与邻近叠层复合圆角填料70(见图7)的包裹层片84a、84b(见图7)之间的CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差。最小化CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差优选地消除了分层或导致叠层复合圆角填料70(见图7)的减少的分层140(见图3)。这种分层可以由在复合结构28(见图4B)和/或复合组件26(见图4B)的制造的固化和热循环阶段期间发生的热应力产生。
因此，不是在水平方向118a(见图4B)上堆叠在整个叠层复合圆角填料70上的，而是堆叠在第一几何成形填料元件100a(见图7)上的叠层圆角填料层片110b(见图7)和堆叠在附加的几何成形填料元件100c(见图7)上的叠层圆角填料层片110d(见图7)两者都开始变形或弯曲，以具有包括水平方向118a(见图7)和垂直方向118b(见图7)的方向分量116(见图7)，以便和邻近叠层复合圆角填料70(见图7)的包裹层片84a、84b(见图4B、7)的垂直方向118b(见图4B)匹配或基本上匹配或遵循邻近叠层复合圆角填料70(见图7)的包裹层片84a、84b(见图4B、7)的垂直方向118b(见图4B)。
这优选地最小化叠层复合圆角填料70(见图7)与邻近叠层复合圆角填料70(见图7)的包裹层片84a、84b(见图7)之间的CTE 136(见图3)的差。这是因为叠层复合圆角填料70(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图7)和叠层圆角填料层片110d(见图7)两者以及包裹层片84a、84b(见图7)具有相同的或相似的垂直取向。
另外，对于堆叠在第一几何成形填料元件100a(见图7)上的叠层圆角填料层片110b(见图7)，并且对于堆叠在附加的几何成形填料元件100c(见图7)上的叠层圆角填料层片110d(见图7)，叠层复合圆角填料70(见图7)的第二部分108b(见图7)和附加部分108d(见图7)的径向取向114(见图7)优选地和诸如包裹层片84a、84b(见图7)的堆叠复合层片84(见图7)的径向取向86(见图7)基本上匹配。
在本公开的另一实施方式中，提供了用于在飞机10(见图1)中使用的飞机复合组件26a(见图1、4B)。飞机复合组件26a(见图1、4B)包括复合结构28(见图1、4B)。复合结构28(见图4B)包括圆角填料区域72(见图4B)和邻近圆角填料区域72(见图4B)的多个包裹层片84a、84b、92a(见图4B)。
飞机复合组件26a(见图4B)还包括具有与圆角填料区域72(见图4B)基本上对应的构造74(见图4B)并且填充圆角填料区域72(见图4B)的叠层复合圆角填料70(见图4B)。叠层复合圆角填料70(见图4B)包括堆叠层片组件108(见图4B)。堆叠层片组件108(见图4B)包括被切割为期望的宽度132(见图3)并且具有期望的层片取向134(见图3)的叠层圆角填料层片110a(见图4B)、110b(见图4B)、110c(见图6)、110d(见图7)的多个堆叠110(见图4B)。堆叠层片组件108(见图4B)的详情以上详细讨论了并且同样地适用于飞机复合组件26a(见图4B)的这个实施方式。
叠层复合圆角填料70(见图4B)还包括被设置在堆叠层片组件108(见图4B)的第一部分108a(见图4B、5)上的期望位置120(见图5)处的几何成形填料元件100(见图4B)。几何成形填料元件100(见图4B)使堆叠在几何成形填料元件100(见图4B)上的堆叠层片组件108(见图4B)的第二部分108b变形，使得堆叠层片组件108(见图4B)的第二部分108b(见图4B)的叠层圆角填料层片110b(见图4B)改变方向并且具有包括水平方向118a(见图4B、5)和垂直方向118b(见图4B、5)的方向分量116(见图4B)。
飞机复合组件26a(见图4B)的叠层复合圆角填料70(见图4B)的叠层复合圆角填料70(见图6-7)可以进一步包括一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)。一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)中的每一个都分别可以优选地被设置在分别在堆叠层片组件108(见图6-7)的一个或更多个附加部分108c(见图6)、108d(见图7)中的期望位置124(见图6)或期望位置126(见图7)处。此外，一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)中的每一个都还使堆叠在相应的一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)上的堆叠层片组件108(见图6-7)的一个或更多个相应的附加部分108c(见图6)、108d(见图7)变形。
如以上所讨论的，各个几何成形填料元件100(见图5-7)优选地由多个单向纤维101(见图3)、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料(CFRP)带、碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维、其组合或另一适合的纤维材料组成。
更优选地，各个几何成形填料元件100(见图5-7)可以由具有零度(0°)层片取向的拉挤单向纤维101a(见图3)组成。优选地，拉挤单向纤维101a(见图3)使用拉挤工艺和拉挤设备130(见图3)形成，如在下面更详细地讨论的。
如以上所讨论的，几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)优选地具有几何形状102(见图4B、5-7)。几何形状102(见图4B、5-7)可以包括三角形形状102a(见图4B、5)、带弯曲角部的三角形形状102b(见图6)、箭头形状102c(见图7)、角部去除的三角形形状(未示出)、带一个或更多个曲边的三角形形状(未示出)、圆角填料形状(未示出)、半圆形状(未示出)或另一适合的几何形状。
飞机复合组件26a(见图4B)的叠层复合圆角填料70(见图4B、5)可以进一步包括被设置在堆叠层片组件108(见图5)的顶部122(见图5)(诸如堆叠层片组件108(见图5)的第二部分108b(见图5)的顶部122(见图5))上的尖端元件104(见图4B、5)。尖端元件104(见图4B、5)优选地由多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料(CFRP)带、碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括编、纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维、其组合或另一适合的纤维材料组成。
优选地，改变相应的第二部分108b(见图5)、附加部分108c(见图6)和/或附加部分108d(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图5)的方向最小化叠层复合圆角填料70(见图4B、5)与邻近叠层复合圆角填料70(见图4B、5)的包裹层片84a、84b(见图4B、5)之间的CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差。最小化CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差优选地消除了分层或导致叠层复合圆角填料70(见图7)的减少的分层140(见图3)。这种分层可以由在复合结构28(见图4B)和/或复合组件26(见图4B)的制造的固化和热循环阶段期间发生的热应力产生。
在本公开的另一实施方式中，提供了形成用于复合结构28(见图4A-4B)的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的方法150。图8是本公开的方法150的示例性实施方式的流程图的例示。可以按照所呈现的次序以外的次序执行针对方法150所列举的步骤。可以同时执行一些步骤。一些步骤可以为可选的或被省略。可以添加除所列举的那些以外的步骤。
叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)可以通过任何适合的手段由复合材料形成，所述任何适合的手段包括但不限于拉挤、推挤、手工铺叠、自动铺叠，或如在下面更详细地描述的任何其它适合的形成工艺。叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)依次形成以填充待填充的圆角填料区域72(见图3、4A)的体积并且表现为(assume)待填充的圆角填料区域72(见图3、4A)的形状和几何结构(geometry)。叠层复合圆角填料70(见图4B、5-7)的构造74(见图4B、5-7)可以优选地包括基本上三角形成形的构造，并且可以优选地具有通常三角形的截面。然而，叠层复合圆角填料70可以具有另一适合的构造和截面形状。
如图8中所示，方法150包括步骤152：组装被切割为期望的宽度132(见图3)并且具有期望的层片取向134(见图3)的叠层圆角填料层片110a、110b、110c、110d(见图3)的多个堆叠110(见图3)，以形成堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)。可以压实(debulk)叠层圆角填料层片110a、110b、110c、110d(见图3)的多个堆叠110(见图3)，以压缩或强化(consolidate)该多个堆叠110(见图3)，以便于去除可能被困在该多个堆叠110(见图3)的层之间的空隙，诸如空气或其它气体。
如图8所示，方法150进一步包括步骤154：将堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)的第一部分108a(见图3、4B、5-7)铺叠在形成设备128(见图3)上。形成设备128(见图3)可以包括形成工具、模具、心轴(mandrel)、铺叠机平台、自动铺丝(AFP)机或另一适合的形成设备。可以利用已知的铺叠设备或机器经由手工工艺或经由自动工艺进行多个堆叠110(见图3)在形成设备128(见图3)上的铺叠。
堆叠层片组件108(见图3)的第一部分108(见图3)可以包括三个或四个层片的堆叠，其中优选地至少一个层片具有零度(0°)层片取向而其它层片具有+50度/-50度层片取向或另一期望的层片取向134(见图3)。如果使用自动铺叠工艺来形成堆叠层片组件108(见图3)，则第一部分108a(见图3)的叠层圆角填料层片110a(见图4B)可以按照任何期望的层片取向134(见图3)使用多个单个的层片铺叠。
多个堆叠110(见图3、4B、5-7)可以从层片装料(charge)切割成条，具有从大宽度到小宽度变化的宽度，以符合叠层复合圆角填料70(见图5-7)的径向取向114(见图5-7)。可以使用已知切割装置和已知切割工艺(诸如超声波切割装置和超声波切割工艺、织物切割装置和织物切割工艺、激光切割装置和激光切割工艺)或另一适合的切割装置和切割工艺来切割该多个堆叠110(见图3、4B、5-7)。
然后可以在一个或更多个几何成形填料元件100(见图4B、5-7)上组装该多个堆叠110(见图3、4B、5-7)，诸如例如，从最宽堆叠开始并且进行到最后堆叠，以形成叠层复合圆角填料70(见图4B、5-7)的构造74(见图4B、5-7)。
如图8中所示，方法150还包括步骤156：将几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)例如设置在堆叠层片组件108(见图5)的第一部分108a(见图5)上的期望位置120(见图5)处、在堆叠层片组件108(见图6)的第二部分108b(见图6)上的期望位置124(见图6)处和/或在堆叠层片组件108(见图7)的第二部分108b(见图7)上的期望位置126(见图7)处。优选地，期望位置120(见图5)是第一部分108a(见图5)上的中央位置120a或基本上中央位置(见图5)。然而，还可以使用其它适合的位置。优选地，期望位置124和期望位置126也是中央位置或基本上中央位置。优选地，一个或更多个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)被设置在叠层复合圆角填料70(见图4B、5-7)的上部(诸如上部二分之一部分或上部三分之一部分)中。
方法150可以进一步包括在将几何成形填料元件100(见图5)设置在期望位置120(见图5)处的步骤156之前，从包括以下各项的材料形成几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)的步骤：多个单向纤维101(见图3)、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料(CFRP)带、碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、切短纤维、其组合或另一适合的纤维材料。
方法150可以进一步包括在将几何成形填料元件100(见图3、4B、57)设置在期望位置120(见图5)处的步骤156之前，还以几何形状102(见图3、4B、5-7)形成几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)的步骤。几何形状102(见图3、4B、5-7)可以包括三角形形状102a(见图4B、5)、带弯曲角部的三角形形状102b(见图6)、箭头形状102c(见图7)、角部去除的三角形形状(未示出)、带一个或更多个曲边的三角形形状(未示出)、圆角填料形状(未示出)、半圆形状(未示出)或另一适合的几何形状中的一个。
方法150(见图8)可以进一步包括在将几何成形填料元件100(见图5)设置在期望位置120(见图5)处的步骤156之前，制造几何成形填料元件100(见图3)的步骤。在一个实施方式中，几何成形填料元件100(见图3)可以利用使用已知拉挤设备130(见图3)的已知拉挤工艺制造。使用已知拉挤设备130(见图3)的已知拉挤工艺可以用来组装诸如单向复合纤维束或狭缝带(例如，1/8英寸宽)的形式的具有零度(0°)层片取向的期望量的单向纤维101(见图3)，并且用来通过期望形状的被加热冲模来拉出它们。挤拉工艺产生由挤拉单向纤维101a(见图3)组成的几何成形纤维元件100(见图3)的强化的连续复合型式(profile)。已被拉挤的几何成形填料元件100(见图3)可以用来产生飞离工具表面(fly away tool surface)以将叠层圆角填料层片110、110c、110d(见图3)铺叠在上面。另选地，可以利用另一适合的方法(例如，利用短切纤维和模具)制造几何成形填料元件100(见图3)。
如图8中所示，方法150还包括步骤158：将堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)的第二部分108b(见图3、4B、5-7)铺叠在几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)和堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)的第一部分108a(见图3、4B、5-7)上以形成叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)。如图5中所示，几何成形填料元件100优选地使堆叠层片组件108的第二部分108b变形，使得第二部分108b的叠层圆角填料层片110b改变方向并且具有包括水平分量118a和垂直分量118b的方向分量116。
如图8中所示，方法150还包括分别将一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)分别被设置在分别在堆叠层片组件108(见图5)的附加部分108c(见图6)和/或附加部分108d(见图7)中的一个或更多个中的每一个中的期望位置124(见图6)或期望位置126(见图7)处的可选步骤160。一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)中的每一个都可以进一步分别使堆叠在相应的一个或更多个附加的几何成形填料元件100b(见图6)、100c(见图7)上的堆叠层片组件108(见图6)的一个或更多个相应的附加部分108c(见图6)、108d(见图7)变形。
如图8中所示，方法150还包括将尖端元件104(见图5、6)设置在堆叠层片组件108(见图5、6)的顶部122(见图5、6)上的可选步骤162，所述堆叠层片组件108(见图5、6)的顶部122(见图5、6)诸如例如堆叠层片组件108(见图5)的第二部分108b(见图5)的顶部122(见图5)或堆叠层片组件108(见图6)的附加部分108c(见图6)的顶部122(见图6)。尖端元件104(见图5、6)优选地包括多个单向纤维101(见图3)、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料(CFRP)带、碳纤维加强塑料(CFRP)织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维、其组合或另一适合的纤维材料。
在一个实施方式中，可以利用使用已知拉挤设备130(见图3)的已知拉挤工艺来制造尖端元件(见图5、6)。使用已知拉挤设备130(见图3)的已知拉挤工艺可以用来组装诸如单向复合纤维束或狭缝带(例如，1/8英寸宽)的形式的具有零度(0°)层片取向的期望量的单向纤维101(见图3)，并且用来通过期望形状的被加热冲模拉出它们。挤拉工艺产生由挤拉单向纤维101a(见图3)组成的尖端元件104(见图5、6)的强化的连续复合型式。另选地，可以利用另一适合的方法(例如，利用短切纤维和模具)制造尖端元件104(见图5、6)。
在制造尖端元件104(见图5、6)后，可以将尖端元件104设置在堆叠层片组件108(见图5、6)的顶部122(见图5、6)上，根据有多少几何成形填料元件100(见图5、6)被设置在叠层复合圆角填料70(见图5、6)中，所述堆叠层片组件108(见图5、6)的顶部122诸如例如堆叠层片组件108(见图5)的第二部分108b(见图5)的顶部122(见图5)，或堆叠层片组件108(见图6)的附加部分108c(见图6)的顶部122(见图6)。
如图8中所示，方法150还包括步骤164：将叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)组装或安装在复合结构28(见图3、4A)的圆角填料区域72(见图3、4A-4B)中。组装叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的步骤164可以进一步包括将叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)与邻近圆角填料区域72(见图4B)设置的多个包裹层片84a、84b、92a(见图4B)组装在一起。
如图8中所示，方法150可以进一步包括可选步骤166：使叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)与邻近圆角填料区域72(见图4B)设置的多个包裹层片84a、84b、92a(见图4B)固化，从而导致叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)中的分层的消除或减少的分层140(见图3)。复合结构28(见图4B)的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)和包裹层片84a、84b、92a(见图4B)优选地在适合的热和压力下一起固化。复合结构28可以进一步组装成复合组件26。
固化的步骤166可以可选地包括将所形成的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)放入具有期望的半径和形状的全长度冲模并且挤压所形成的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)以便于强化该叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)。另选地，不进行所形成的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)在冲模中的强化。
固化可以包括诸如高压釜固化工艺、真空袋固化工艺、组合高压釜和真空装袋固化工艺的已知固化工艺，或另一适合的固化工艺。固化可以优选地在如按照材料规格所要求的升高的温度和压力下进行，以有效地使叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)和复合结构28(见图3、4B)和/或复合组件26(见图3、4B)固化。在固化期间，叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的复合材料硬化，并且在复合结构28和/或复合组件26内优选地保持圆角填料区域72的形状。复合结构28可以被组装成复合结构26，并且可以像本领域内所知的那样诸如根据压力装袋工艺或另一适合的设备或工艺在高压釜内共固化。
在另一实施方式中，叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)可以在组装或安装到复合结构28(见图4A)和/或复合组件26(见图4B)的圆角填料区域72(见图4A)中之前固化，并且经固化的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)可以经由粘合剂接合、共固化、二次接合或另一已知接合或共接合工艺在固化的或未固化的复合结构28和/或复合组件26的圆角填料区域72内接合或共接合。接合工艺可以在如按照材料规格所要求的升高的温度和压力下进行，以在固化的或未固化的复合结构28和/或复合组件26的圆角填料区域72内有效地接合或共接合经固化的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)。例如，包括叠层复合圆角填料70(见图4B)和包裹层片84a、84b、92a(见图4B)的复合结构28(见图4B)可以被单独地固化，并且然后可以被接合到完全固化的蒙皮板96(见图4B)，以便于形成适合于例如在飞机10(见图1)的机翼18(见图1)中使用的复合组件26(见图4B)。
如将由本领域的技术人员所理解的，将由所公开的方法150(见图8)的实施方式所形成的、诸如叠层复合圆角填料70a(见图3、4B、图5)、叠层复合圆角填料70b(见图6)或叠层复合圆角填料70c(见图7)的形式的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)并入到复合结构28(见图1、图4A)(例如，飞机10(见图1)的机翼18(见图1))中产生了许多重要的有益效果。叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)和方法150(见图8)的公开的实施方式使用一个或更多个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)以最小化热膨胀系数(CTE)136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差。这可以通过改变相应的第二部分108b(见图5)、附加部分108c(见图6)和附加部分108d(见图7)的叠层圆角填料层片110b(见图5)、110c(见图6)和/或110d(见图7)的方向而最小化，使得它们具有包括水平分量118a(见图3)和垂直分量118b(见图3)的方向分量116(见图3)。在CTE 136(见图3)和层间拉应力138(见图3)的差方面的经改进的最小化可以通过改变各个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)的尺寸和形状和各个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)在叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)内的位置而最优化。
另外，叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)和方法150(见图8)的公开的实施方式提供了对在特定的现有叠层复合圆角填料(例如，飞机的桁条内的特定叠层复合圆角填料)的制造的固化和热循环阶段期间发生分层的解决方案，同时继续允许叠层复合圆角填料的使用，这可以在各种应用中相对于其它类型的圆角填料具有优点。在叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)中使用一个或更多个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)可以消除或减少叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)中的分层。这种分层可以由在制造的固化和热循环阶段期间发生的热应力产生。经改进的设计可以减少叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)中的层间拉应力138(见图3)。进而，残余层间拉应力138(见图3)的减少还可以改进叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的拉脱(pull-off)强度或能力。通过减少叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)中的残余层间拉应力138(见图3)，叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)能够更好地处理传送到叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的负载。另外，可以通过一个或更多个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)而变形的叠层圆角填料层片110b、110c、110d(见图3)可以随着拉脱负载而弯曲离开平面并且因此能够对拉脱负载进行反应。
而且，与要求仅使用具有零度(0°)层片取向的层片相反，叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)和方法150(见图8)的公开的实施方式提供也许可定制为具有任何期望的层片取向的叠层圆角填料层片110a、110b、110c、110d(见图3)的多个堆叠110(见图3)。另外，优选地在分层或裂缝形成通常开始处的叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的上部中的堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)可以通过一个或更多个几何成形填料元件100(见图3、4B、5-7)而变形或成形以弯曲，以便具有包括水平方向118a(见图5-7)和垂直方向118b(见图5-7)的方向分量，从而和邻近叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的包裹层片84a、84b(见图4B)的垂直方向118b(见图4B)基本上匹配。通过改变堆叠层片组件108(见图3、4B、5-7)在叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的上部中的方向以与邻近叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的包裹层片84a、84b(见图4B)的方向更紧密地对准，可以最小化叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的和邻近叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)的包裹层片84a、84b(见图4B)的CTE 136(见图3)的差。
此外，叠层复合圆角填料70(见图3、4B、5-7)和方法150(见图8)的公开的实施方式可以提供已经由使用拉挤设备130(见图3)的拉挤工艺而拉挤的并且由拉挤单向纤维101a(见图3)组成的几何成形填料元件100(见图3)。这种几何成形填料元件100(见图3)优选地具有三角形形状102a(见图4B)的形式的几何形状102(见图4B)以创建飞离工具表面以将叠层圆角填料层片110b、110c、110d(见图3)铺叠在上面。
本公开的许多修改和其它实施方式将被受益于在前面的描述和所关联的附图中所呈现的教导的、本公开所属本领域的技术人员想到。本文所描述的实施方式意在为说明性的，并且不旨在为限制性的或详尽的。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们仅在通用和描述性意义上使用并且不用于限制的目的。

Claims (20)

1.一种用于复合结构的叠层复合圆角填料，该叠层复合圆角填料包括：
堆叠层片组件，该堆叠层片组件包括被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠；以及
几何成形填料元件，该几何成形填料元件被设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处，所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量，所述叠层复合圆角填料具有与所述复合结构的圆角填料区域基本上对应的形状。
2.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，该叠层复合圆角填料还包括被设置在所述堆叠层片组件的顶部上的尖端元件，所述尖端元件包括多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料CFRP带、碳纤维加强塑料CFRP织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维或其组合。
3.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，该叠层复合圆角填料还包括一个或更多个附加的几何成形填料元件，所述一个或更多个附加的几何成形填料元件分别被设置在所述堆叠层片组件的一个或更多个附加部分上的期望位置处，并且所述一个或更多个附加的几何成形填料元件中的每一个还使堆叠在所述相应的一个或更多个几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的一个或更多个相应的附加部分变形。
4.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，其中，所述几何成形填料元件包括多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料CFRP带、碳纤维加强塑料CFRP织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维或其组合。
5.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，其中，所述几何成形填料元件由具有零度0°层片取向的拉挤单向纤维组成。
6.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，其中，所述几何成形填料元件具有包括以下中的一个的几何形状：三角形形状、具有弯曲角部的三角形形状、箭头形状、角部去除的三角形形状、具有一个或更多个曲边的三角形形状、圆角填料形状和半圆形状。
7.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，其中，改变所述第二部分的叠层圆角填料层片的方向最小化所述叠层复合圆角填料与邻近所述叠层复合圆角填料的多个包裹层片之间的热膨胀系数CTE和层间拉应力的差。
8.根据权利要求1所述的叠层复合圆角填料，其中，所述堆叠层片组件的所述第一部分上的所述期望位置是中央位置。
9.一种飞机复合组件，该飞机复合组件包括：
复合结构，该复合结构包括圆角填料区域和邻近所述圆角填料区域的多个包裹层片；以及
叠层复合圆角填料，该叠层复合圆角填料具有与所述圆角填料区域基本上对应的形状并且填充所述圆角填料区域，所述叠层复合圆角填料包括：
堆叠层片组件，该堆叠层片组件包括被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠；以及
几何成形填料元件，该几何成形填料元件被设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处，所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。
10.根据权利要求9所述的飞机复合组件，其中，所述叠层复合圆角填料还包括被设置在所述堆叠层片组件的顶部上的尖端元件，所述尖端元件包括多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料CFRP带、碳纤维加强塑料CFRP织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维或其组合。
11.根据权利要求9所述的飞机复合组件，其中，所述叠层复合圆角填料还包括一个或更多个附加的几何成形填料元件，所述一个或更多个附加的几何成形填料元件分别被设置在所述堆叠层片组件的一个或更多个附加部分上的期望位置处，并且所述一个或更多个附加的几何成形填料元件中的每一个还使堆叠在所述相应的一个或更多个几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的一个或更多个相应的附加部分变形。
12.根据权利要求9所述的飞机复合组件，其中，所述几何成形填料元件包括多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料CFRP带、碳纤维加强塑料CFRP织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维或其组合。
13.根据权利要求9所述的飞机复合组件，其中，所述几何成形填料元件具有包括以下中的一个的几何形状：三角形形状、具有弯曲角部的三角形形状、箭头形状、角部去除的三角形形状、具有一个或更多个曲边的三角形形状、圆角填料形状和半圆形状。
14.根据权利要求9所述的飞机复合组件，其中，改变所述第二部分的叠层圆角填料层片的方向最小化所述叠层复合圆角填料与邻近所述叠层复合圆角填料的多个包裹层片之间的热膨胀系数CTE和层间拉应力的差，导致所述叠层复合圆角填料中的分层的消除或减少的分层。
15.一种形成用于复合结构的叠层复合圆角填料的方法，所述方法包括以下步骤：
组装被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠以形成堆叠层片组件；
将所述堆叠层片组件的第一部分铺叠在形成设备上；
将几何成形填料元件设置在所述堆叠层片组件的所述第一部分上的期望位置处；
将所述堆叠层片组件的第二部分铺叠在所述几何成形填料元件和所述第一部分上以形成叠层复合圆角填料，所述几何成形填料元件使所述第二部分变形，使得所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量；以及
在复合结构的圆角填料区域中组装所述叠层复合圆角填料。
16.根据权利要求15所述的方法，该方法在所述复合结构的圆角填料区域中组装所述叠层复合圆角填料的步骤之前，还包括以下步骤：将一个或更多个附加的几何成形填料元件设置在所述堆叠层片组件的一个或更多个附加部分中的每一个中的期望位置处，所述一个或更多个附加的几何成形填料元件中的每一个还使堆叠在所述相应的一个或更多个几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的一个或更多个相应的附加部分变形。
17.根据权利要求15所述的方法，该方法在所述复合结构的圆角填料区域中组装所述叠层复合圆角填料的步骤之前，还包括以下步骤：将尖端元件设置在所述堆叠层片组件的顶部上，所述尖端元件包括多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料CFRP带、碳纤维加强塑料CFRP织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维或其组合。
18.根据权利要求15的方法，该方法在所述复合结构的圆角填料区域中组装所述叠层复合圆角填料的步骤之后，还包括以下步骤：使所述叠层复合圆角填料与邻近所述圆角填料区域设置的多个包裹层片固化，从而导致所述叠层复合圆角填料中的分层的消除或减少的分层。
19.根据权利要求15所述的方法，该方法在将所述几何成形填料元件设置在所述期望位置处的步骤之前，还包括以下步骤：从包括多个单向纤维、单向纤维带、预浸料坯单向带、单向复合纤维束、狭缝单向带、碳纤维加强塑料CFRP带、碳纤维加强塑料CFRP织物、预浸料坯织物、包括纺织碳纤维织物的纺织织物、短切纤维或其组合的材料形成所述几何成形填料元件，并且还以包括三角形形状、具有弯曲角部的三角形形状、箭头形状、角部去除的三角形形状、具有一个或更多个曲边的三角形形状、圆角填料形状和半圆形状中的一个的几何形状形成所述几何成形填料元件。
20.根据权利要求15所述的方法，该方法在将所述几何成形填料元件设置在所述期望位置处的步骤之前，还包括以下步骤：经由拉挤工艺拉挤具有零度0°层片取向的单向纤维，以形成所述几何形填充物元件。
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