CN105366073B - 纤维铺缝窗框预制体的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纤维铺缝窗框预制体的制造方法，通过子预制体铺缝、预制体缝合局部定型、子预制体层间增强得到窗框预制体，根据子预制体的铺层方案，采用环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中的一项或两项以上的组合，在基材或已缝合于基材的铺层上缝合增强铺层，沿环状铺缝边界修剪多余的基材，得到子预制体；在已定型的子预制体上安放一个以上的子预制体，形成最终窗框预制体。所制得的预制体能使纤维合理排布、保证各个方向增强、精确成型变厚度截面，结合树脂注入工艺，可用于成形含有多个L型拐角或台阶曲面的复杂外形复合材料结构件，如飞机窗框、喷气发动机燃烧室或轮辋等。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维铺缝窗框预制体的制造方法，属于复合材料成型领域。
背景技术
复合材料因其优异的力学性能和减重效果，近年来在飞机上越来越多的替代金属材料作为制造飞机零部件的首选材料。如波音B787和空客A350 XWB大型客机复合材料用量均超过50%，用其制造的零部件有机身、尾翼、机翼翼梁、蒙皮、中央翼盒、窗框等。
为了更好的理解飞机窗框的结构特点，以图1、图2为例进行说明。
如图1，飞机窗框通常含有一个内凸缘和一个外凸缘，以及在内外凸缘之间的L型拐角，内外凸缘与L型拐角使窗框截面形成台阶状的曲面结构。
如图2，飞机窗框安装在圆筒形的机身段上，其侧面的外形为了适应机身段外形，窗框通常带有一个侧向的弯曲半径R。
台阶曲面与侧向弯曲使窗框外形复杂，传统的窗框制造方法是采用延展性好的轻质金属进行成形，但随着飞机对轻量化的要求的提高，很多先进飞机均采用复合材料制造窗框。
复合材料窗框有着极佳的力比强度、比刚度和疲劳性能。但用复合材料预浸料或织物成形如此复杂的窗框外形易造成制件空隙率增加、纤维方向排布不均匀，从而降低窗框的力学性能。为了避免这些问题，波音公司采用短切纤维模压的方法制造B787的窗框，空客公司采用纤维铺缝的方法制造A350 XWB的窗框，均取得良好效果并得以成功运用。
发明内容
本发明的目的是提供一种窗框预制体的制造方法，能够实现成形复杂外形的窗框，并在实现各个方向实现力学增强、以满足窗框复杂的受力环境。
本发明的技术解决方案是：
一种纤维铺缝窗框预制体的制造方法，通过子预制体铺缝、预制体缝合局部定型、子预制体层间增强得到窗框预制体，具体为包括如下步骤：
子预制体铺缝，在基材上使用纱线将纤维丝束缝合，形成子预制体的第一方向铺层，根据子预制体的铺层方案，采用环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中的一项或两项以上的组合，在基材或已缝合于基材的铺层上缝合增强铺层，沿环状铺缝边界修剪多余的基材，得到子预制体；
预制体缝合局部定型，将所得子预制体安放在模具上，用纱线在L型拐角区域进行环向缝合，使子预制件定型、形成窗框外形；
子预制体层间增强，在已定型的子预制体上安放一个以上的子预制体，用纱线在L型拐角区域进行环向缝合，使子预制件定型、形成窗框外形，形成最终窗框预制体；或直接在已定型的子预制体上缝合纤维丝束形成铺层，用纱线在L型拐角区域进行环向缝合，用纱线缝合在内凸缘上的内边界和外凸缘上的外边界，形成窗框形面的最终预制体。
进一步地，环向纤维增强模式为在基材或已缝合于基材的铺层上采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束沿环状铺缝区域均匀排布。
进一步地，径向纤维增强模式为在基材或已缝合于基材的铺层上采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束循环呈S型沿径向呈放射状排布，形成径向增强纤维。
进一步地，径向纤维增强模式中，在放射状径向增强纤维靠近环状铺缝区域外径处，采用纱线将纤维丝束缝合在基材或已缝合于基材的铺层上形成扇形增强路径。
进一步地，任意角度纤维增强模式为在基材或已缝合于基材的铺层上选取第一铺缝起始点，采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束在第一铺缝区域沿任意角度θ方向排布；然后，在基材上选取第二铺缝起始点，采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束在第二铺缝区域沿任意角度θ方向排布。
进一步地，子预制体为由纱线将纤维丝束铺缝在基材或已缝合于基材的铺层上，使纤维丝束固定在预定方向，且子预制体包含环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中至少一个增强模式的纤维丝束。
进一步地，在已定型的子预制体上安放一个以上的子预制体，两个以上的子预制体采用环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中的一项或两项以上的组合缝合而成。
本发明的有益效果是：该种纤维铺缝窗框预制体的制造方法，所制得的预制体能使纤维合理排布、保证各个方向增强、精确成型变厚度截面，结合树脂注入工艺，可用于成形含有多个L型拐角或台阶曲面的复杂外形复合材料结构件，如飞机窗框、喷气发动机燃烧室或轮辋等。
附图说明
图1是实施例中窗框的结构示意图；
图2是实施例中窗框结构的侧视图；
图3是实施例中纤维铺缝方法的原理示意图；
图4是实施例中环向纤维增强方案示意图；
图5是实施例中径向纤维增强方案示意图；
图6是图5中a部的局部放大图；
图7是实施例中任意角度纤维增强方案示意图；
图8是实施例中局部定型方案和缝合窗框预制体的示意图。
图9是图8中b部的局部放大图；
其中：01-窗框，02-台阶曲面，03-纤维束，04-基材，05-缝合线，06-环向增强纤维束，07-径向增强纤维束，08-任意角度θ方向增强纤维束，09-模具，010-拐角两侧，011-铺缝边界，021-内凸缘，022-L型拐角，023-外凸缘，071~072-扇形增强区域，081~082-θ方向与内外圆的切线划分区域。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种纤维铺缝窗框预制体的制造方法，通过子预制体铺缝、预制体缝合局部定型、子预制体层间增强得到窗框预制体，具体为包括如下步骤：
子预制体铺缝，在基材04上使用纱线05将纤维丝束缝合，形成子预制体的第一方向铺层，根据子预制体的铺层方案，采用环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中的一项或两项以上的组合，在基材04或已缝合于基材04的铺层上缝合增强铺层，沿环状铺缝边界011修剪多余的基材，得到子预制体。
预制体缝合局部定型，将所得子预制体安放在模具09上，用纱线05在L型拐角区域进行环向缝合，使子预制件定型、形成窗框01外形。
子预制体层间增强，在已定型的子预制体上安放一个以上的子预制体，用纱线05在L型拐角022区域进行环向缝合，使子预制件定型、形成窗框01外形，形成最终窗框01预制体；或直接在已定型的子预制体上缝合纤维丝束形成铺层，用纱线05在L型拐角区域进行环向缝合，用纱线05缝合在内凸缘上的内边界和外凸缘上的外边界，形成窗框01形面的最终预制体。
实施例所得窗框如图1，该窗框包括至少一个内凸缘021和一个外凸缘023，以及包括至少一个设在内凸缘021、外凸缘023之间的L型拐角022或台阶曲面02。
纤维铺缝的原理为用纱线05将纤维束03缝合在基材04上，如图3。
环向纤维增强模式，如图4，在基材04或已缝合铺层上的铺缝边界011内，用纱线05将纤维束03按一定的缝距和针距，缝合形成平行的环向连续纤维06，实现预制体在环向内的增强，且根据外形不同，平行的连续环向纤维06的间距可变。
径向纤维增强模式，见图5，在基材04或已缝合铺层上的铺缝边界011内，用纱线05将纤维束03按一定的缝距和针距，缝合形成径向放射状连续纤维07，实现预制体在径向内的增强，且根据外形不同，径向放射状连续径向增强纤维束07的扇形增强区域071、072的大小可变。
径向纤维增强模式，包含一种扇形增强区域的增强模式，见图6，在放射状花样区域内，用纱线05将纤维束03按一定的缝距和针距，沿平行于放射状边界铺缝布满放射状花样，形成扇形增强区域071、072，实现扇形增强区域071、072的连续纤维增强，且根据外形不同，扇形增强区域071、072内的平行的连续纤维间距可变。
任意角度纤维增强模式，如图7，在铺缝边界011内外圆上沿θ方向做内外圆的切线，得到切点O1、O2，以及θ方向与内外圆的切线划分区域081、082。以O1为铺缝起始点，在基材04或已缝合铺层上的铺缝边界011内，用纱线05将纤维束03按一定的缝距和针距缝合，在θ方向与内外圆的切线划分区域081内形成沿θ方向排布的平行连续的任意角度θ方向增强纤维束08；以O2为铺缝起始点，在基材04或已缝合铺层上的铺缝边界011内，用纱线05将纤维束03按一定的缝距和针距缝合，在θ方向与内外圆的切线划分区域082内形成沿θ方向排布的平行连续的任意角度θ方向增强纤维束08；θ方向与内外圆的切线划分区域081、082内沿θ方向排布的平行连续的任意角度θ方向增强纤维束08，实现了沿θ方向的增强。该方法以最小的纤维间断率保证纤维连续排布，有助于提高制件强度。
预制体缝合局部定型，如图8、图9，将在基材04平面上铺缝好的预制体置于窗框模具09上，使预制体沿模具09形面弯曲，形成L型拐角022，在L型拐角022的拐角两侧10处用纱线05将纤维束03按一定的缝距和针距沿L型拐角022的环向型线铺缝，在拐角两侧10形成增强纤维，在纤维束03和纱线05的作用下，使预制体弯曲形成L型拐角022。
进一步地，按照上述方法使预制体形成内凸缘021、外凸缘023，使预制体形成窗框外形面。
实施例方法所得的窗框预制体通过复合材料液体成型（Liquid CompositesMolding）工艺，在模具内导入树脂，放入烘箱或热压罐中固化，得到最终的窗框制件。所得窗框制件实现了各个方向的纤维增强，保证了其力学强度；局部定型线有助于预制体在导入树脂期间维持外形，获得高精准度的窗框外形曲面；缝合多个子预制体可精确成型变厚度截面。
Claims (6)
1.一种纤维铺缝窗框预制体的制造方法，其特征在于，通过子预制体铺缝、预制体缝合局部定型、子预制体层间增强得到窗框预制体，具体为包括如下步骤：
子预制体铺缝，在基材上使用纱线将纤维丝束缝合，形成子预制体的第一方向铺层，根据子预制体的铺层方案，采用环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中的一项或两项以上的组合，在基材或已缝合于基材的铺层上缝合增强铺层，沿环状铺缝边界修剪多余的基材，得到子预制体；其中，环向纤维增强模式为在基材或已缝合于基材的铺层上采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束沿环状铺缝区域均匀排布；
预制体缝合局部定型，将所得子预制体安放在模具上，用纱线在L型拐角区域进行环向缝合，使子预制件定型、形成窗框外形；
子预制体层间增强，在已定型的子预制体上安放一个以上的子预制体，用纱线在L型拐角区域进行环向或任意角度缝合，使子预制件定型、形成窗框外形，形成最终窗框预制体；或直接在已定型的子预制体上缝合纤维丝束形成铺层，用纱线在L型拐角区域进行环向缝合，用纱线缝合在内凸缘上的内边界和外凸缘上的外边界，形成窗框形面的最终预制体。
2.如权利要求1所述的纤维铺缝窗框预制体的制造方法，其特征在于：径向纤维增强模式为在基材或已缝合于基材的铺层上采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束循环呈S型沿径向呈放射状排布，形成径向增强纤维。
3.如权利要求2所述的纤维铺缝窗框预制体的制造方法，其特征在于：径向纤维增强模式中，在放射状径向增强纤维靠近环状铺缝区域外径处，采用纱线将纤维丝束缝合在基材或已缝合于基材的铺层上形成扇形增强路径。
4.如权利要求1所述的纤维铺缝窗框预制体的制造方法，其特征在于：任意角度纤维增强模式为在基材或已缝合于基材的铺层上选取第一铺缝起始点，采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束在第一铺缝区域沿任意角度θ方向排布；然后，在基材上选取第二铺缝起始点，采用纱线将纤维丝束缝合，使连续纤维丝束在第二铺缝区域沿任意角度θ方向排布。
5.如权利要求1-4任一项所述的纤维铺缝窗框预制体的制造方法，其特征在于：子预制体为由纱线将纤维丝束铺缝在基材或已缝合于基材的铺层上，使纤维丝束固定在预定方向，且子预制体包含环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中至少一个增强模式的纤维丝束。
6.如权利要求1-4任一项所述的纤维铺缝窗框预制体的制造方法，其特征在于：在已定型的子预制体上安放一个以上的子预制体，两个以上的子预制体采用环向纤维增强模式、径向纤维增强模式、任意角度方向纤维增强模式和厚度方向增强模式中的一项或两项以上的组合缝合而成。
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