CN105392620A - 复合材料加筋板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种加筋板，包括复合面板和加筋件，该加筋件包括位于所述复合面板上的基体法兰。该基体法兰朝所述面板方向呈锥形。所述加筋板进一步包括仅位于所述复合面板和所述基体法兰的锥面上的复合外包装层。

Description

复合材料加筋板及其制造方法
技术领域
本技术领域总体上涉及复合面板，具体而言，涉及飞机的复合材料加筋板。
背景技术
大型复合材料加筋板目前用于新型商用飞机。这些面板包括与复合腹板和复合蒙皮共胶接(co-bonded)的加筋件。
共胶接提供了优于将加筋件固定在腹板和蒙皮的优势。共胶接可减少或消除固定操作(例如，打孔和安装紧固件)，因此可减少复杂性、重量、材料成本、加工成本、库存和制造加工时间。
但是，共胶接可产生诸如板层褶皱、粘合袋囊、树脂囊等不良影响。这些影响主要形成在加筋件边缘。
因此需要一种包括与腹板和蒙皮共胶接的加筋件的复合面板，以避免产生上述不良影响。
发明内容
根据本发明的一种配置，一种加筋板(stiffenedplane)，包括复合面板和加筋件，所述加筋件包括位于所述复合面板上的基体法兰。所述基体法兰朝向所述面板呈锥形。该加筋板进一步包括仅位于所述复合面板和所述基体法兰的锥面上的复合外包装层。
根据本发明的另一种配置，一种方法包括：将加筋件和外包装层放置在未固化的复合面板上。所述加筋件包括锥形基体法兰。所述外包装层仅位于所述锥形基体法兰的锥面以及所述复合面板的邻接部上。
根据本发明的另一种配置，一种具有主承重方向的飞机组件，包括复合材料蒙皮以及用于该蒙皮的加筋底层结构。所述加筋底层结构包括朝主承重方向呈锥形的基体法兰。所述飞机组件进一步包括多个外包装层。每个外包装层从相应基体法兰的锥面开始并延伸至所述蒙皮。
根据本发明的另一种配置，一种飞机包括多个加筋板。每个加筋板包括复合面板和多个加筋件，所述加筋件包括位于所述复合面板上的基体法兰。所述基体法兰朝所述面板方向呈锥形且终止于不超过0.050英寸的高度。每个加筋板进一步包括多个外包装层。每个外包装层仅将锥面和所述复合面板的邻接部接合。所述外包装层与所述面板共胶接。
根据本发明的一个方面，提供一种加筋板，包括复合面板；包括位于所述复合面板上的基体法兰的加筋件，所述基体法兰朝所述面板呈锥形；以及仅位于所述复合面板和所述基体法兰的锥面上的复合外包装层。
有利地，所述外包装层与所述基体法兰共胶接，并与所述复合面板共固化。可替换地，所述外包装层、基体法兰和复合面板共固化。可替换地，所述外包装层与所述加筋件共固化，且所述共固化的加筋件和外包装层与所述复合面板共胶接。
有利地，所述基体法兰的第一侧和第二侧呈锥形，且其中第一外包装层位于所述复合面板和第一侧的锥面上，且第二外包装层位于所述复合面板和第二侧的锥面上。
有利地，所述基体法兰的一端呈锥形；其中锥角小于45°；其中所述基体法兰锥化为刀刃形；其中锥度(taper)为直的。可替换地，所述基体法兰锥化至不超过0.050英寸的高度。可替换地，所述锥度具有曲率。可替换地，所述锥度为复合的。
有利地，所述复合面板具有邻近于所述锥化基体法兰的铺层褶皱，且其中所述外包装层在该铺层褶皱上延伸。
有利地，所述加筋件是具有I形、帽形、J形和T形横截面中的一种的横梁；其中所述加筋件由复合材料制成；其中所述复合面板是飞机蒙皮和飞机腹板中的一种；其中所述加筋件是翼梁、翼肋和桁条中的一种。可替换地，所述复合面板是飞机机翼的蒙皮。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括在未固化的复合面板上放置加筋件和外包装层，所述加筋件包括锥形基体法兰，其中所述外包装层仅位于所述基体法兰的锥面和所述复合面板的邻接部上。
有利地，将所述基体法兰共胶接到所述面板和所述外包装层上，并将所述外包装层和所述面板共同固化。
有利地，所述加筋件由纤维增强复合材料制成，该复合材料经固化和加工以制作所述锥形基体法兰，所述固化和加工应在将所述加筋件置于面板上之前执行。
有利地，制作所述加筋件包括形成具有锥形基体法兰的复合板层叠层；并固化该板层叠层。
有利地，将所述加筋件置于所述面板上包括：将复合板层叠层置于所述未固化的面板上，该板层叠层具有锥形基体法兰；其中放置所述外包装层包括将未固化的板层置于所述基体法兰的锥面上；且其中所述方法进一步包括将所述面板、加筋件和外包装层进行共同固化。
有利地，所述面板为飞机蒙皮。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有主承重方向的飞机组件，所述组件包括复合蒙皮；该蒙皮的加筋底层结构，所述加筋底层结构包括沿主承重方向锥化的基体法兰；以及多个外包装层，每个外包装层从相应基体法兰的锥面开始并延伸至所述蒙皮。
有利地，所述蒙皮为机翼蒙皮；且其中所述加筋底层结构包括翼梁、翼肋和桁条中的至少一种。
根据本发明的另一方面，提供了一种飞机，包括多个加筋板，每个加筋板包括复合面板；多个加筋件，包括位于所述复合面板上的基体法兰，所述基体法兰朝所述面板呈锥形，且终止于不超过0.050英寸的高度；以及多个外包装层，每个外包装层仅接合锥面和所述复合面板的邻接部；其中所述外包装层和所述面板共同固化。
这些特征和功能可在不同配置中独立实现或在其他配置中进行组合。这些配置的进一步详情可参考以下说明和附图加以了解。
附图说明
图1是包括复合面板、加筋件和外包装层的加筋板的示意图。
图2是桥接面板和图1中的加筋件的基体法兰的外包装层的示意图。
图3A至图3C是飞机加筋件的不同横截面的示意图。
图4A至图4F是加筋件基体法兰的不同锥度和边缘的示意图。
图5A至图5C制造加筋板的方法的示意图。
图6是飞机的示意图。
具体实施方式
参考图1，其示出了加筋板110。该加筋板110包括由复合材料制成的面板120。在一些配置中，该复合材料可以是纤维增强塑料。复合面板120可以是平坦的或者具有曲率。用于飞机的复合面板120的示例包括但不限于蒙皮和腹板。蒙皮的示例包括但不限于飞机机翼蒙皮。飞机蒙皮通常具有流线型表面，但飞机腹板则没有。
加筋板110进一步包括用于加强复合面板120的加筋件130。加筋件130不限定于任何特定的几何图形。在一些配置中，加筋件130可为横梁。飞机的加筋件130的示例包括但不限于桁条、翼梁、主翼梁和翼弦。
单个加筋件130在图1示出。该加筋件130包括位于复合面板120上的基体法兰(baseflange)132。在一些配置中，基体法兰132可由复合材料制成，例如纤维增强塑料。在其它配置中，基体法兰132可由金属制成。加筋件可具有其他元件，例如腹板131和盖帽法兰134。其他元件131和134可由金属或复合材料(例如，纤维增强塑料)制成。
基体法兰132呈锥形，即，基体法兰132的至少一侧或一端朝向所述复合面板120呈锥形。该锥角小于45°。图1示出了基体法兰132的两侧横向锥化。参见图1所示的x-y-z坐标系。X轴对应于加筋件130的纵向，y轴对应于横向，z轴对应于法线方向。该横向锥形位于y-z平面中。
基体法兰132的端部可沿纵向锥化。该纵向锥形位于x-z平面。
在一些配置中，仅基体法兰132的侧面被横向锥化。在一些配置中，仅基体法兰132的端部被纵向锥化。在一些配置中，基体法兰132的所有侧面和端部均被锥化。
另参见图2。该基体法兰的锥形在不超过0.050英寸的高度终止。
基体法兰132的锥形能够使该基体法兰132与面板120一起弯曲。该增加的柔韧性可减少结合层的应力集中，并使基体法兰132和变形面板120一起弯曲，从而增加加筋板110的强度性能。
加筋板110进一步包括针对每个锥面的外包装层136。每个外包装层136位于复合面板120和基体法兰132的相应锥面133上。每个外包装层136可包括至少两个板层。每个外包装层136可包括一个或多个未固化的板层。作为第一个实例，板层可包括偏斜编织织物，该织物的两层相对主承重方向定向为+45/-45°。作为第二个实例，一个或多个板层可被定向为相对主承重方向成0/90°且其中一层被定向为成+45/-45°。
参见图2中示出的外包装层136。外包装层136桥接基体法兰132和面板120。该外包装层136将锥面133和复合面板120的足够部分接合以满足结构需要(该复合面板120的部分表示为字母D，该锥面133的部分表示为字母E)。容积138形成在复合面板120、基体法兰132和外包装层136之间。铺层褶皱(未示出)可形成在该容积138中。一小部分粘合剂或树脂(未示出)也可形成在该容积138中。
外包装层136提供备用承载路径，以绕开铺层褶皱进行承载，从而在无需考虑铺层褶皱尺寸的情况下提高性能。加筋件130、外包装层136和复合面板120的组合可减少囊袋粘合、胶质囊和铺层褶皱的形成。
在一些配置中，加筋板110可仅包括加筋件130，该加筋件具有基体法兰132和外包装层136。在一些配置中，加筋板110可包括普通加筋件和具有锥化基体法兰132和外包装层136的加筋件130的组合。
图1示出了具有I形横截面的加筋件130。但加筋件130并不限于此。加筋件130的其他横截面包括但不限于，帽形截面(图3A)、T形截面(图3B)和J型截面(图3C)。
图1、图2和图3A至图3C示出了具有直线的锥面133。但加筋件130并不限于此。在一些配置中，锥面133是具有半径的。锥面133的半径可为向内(图4A)或向外(图4B)。在一些配置中，锥面133具有复杂锥型或组合锥形(图4C)。
如上所述，锥形的高度不超过0.050英寸。在一些配置中，基体法兰132向下锥化为刀刃形(参见图4D)。该刀刃锥形可最大限度避免在基体法兰132附近的蒙皮形成褶皱。
在一些配置中，锥化基体法兰132终止于台阶。台阶的高度高于刀刃，但不超过0.050英寸。台阶可保证恰当的部件宽度。但该台阶所产生的褶皱通常比刀刃产生的褶皱大。该较大褶皱是由固化过程中进行桥接产生的低压区造成。
例如，图2示出了锥形终止于与复合面板120垂直的台阶。但加筋件130并不限于此。但在其他一些配置中，台阶137可有内向角度(图4E)或外向角度(图4F)。
在一些配置中，外包装层136沿基体法兰132的整个侧面延伸。在其它一些配置中，外包装层136沿基体法兰的侧面是间断的。例如，横向锥化的基体法兰132利用沿基体法兰132侧面间隔开的紧固件固定至复合面板120上。外包装层136部分在该紧固件之间延伸，而不是在紧固件上方延伸。
现在请参见图5A，该图示出了制造加筋复合面板的方法。在块510中，获得具有锥化基体法兰的加筋件。获得可包括购买加筋件，制造该加筋件或两者的组合。作为获得加筋件的第一个实例，购买具有常规几何形状的固化复合加筋件，且其法兰随后经加工以制成锥面。作为获得复合加筋件的第二个实例，多个增强纤维层板被层叠以形成腹板、基体法兰和盖帽法兰，其中锥面形成在基体法兰中。之后固化复合板层的叠层。作为第三个实例，购买具有锥形基体法兰的加筋件。
在块520，获得外包装层。例如，切割外包装层的板层的纤维。
在块530，加筋件和未固化的外包装板层置于未固化的复合面板上。外包装层的板层在基体法兰的锥面上置于适当定向上。每个外包装层的一部分将悬垂在每个基体法兰上。每个悬垂部分堆叠在未固化面板上。已切割的纤维可预浸有树脂，且粘合剂可置于锥面上。
如果面板具有主承重方向，则该加筋件在未固化的面板上可被定位为使得该锥型就在主方向上。同样地，外包装层的板层可相对于主方向取向。
粘合剂放置在基体法兰表面和未固化表面之间。因此，粘合剂放置在基体法兰的锥面和未固化外包装层的接触面之间，且粘合剂放置在基体法兰的接触面和未固化面板之间。
在块540上，面板、加筋件和外包装层在加压下被加热。例如，面板、加筋件和外包装层被装袋和放置在高压釜中。因此，加筋件的基体法兰与面板和外包装层共胶接，且外包装层和面板共胶接。
图5A的方法可制造一种加筋板，该加筋板部分或整体是复合材料，这取决于加筋件的构成。
现在参见图5B，其示出了制造复合材料加筋板的另一种方法。在图5B所示的方法中，加筋件形成在未固化面板上，并与面板和外包装层共胶接。
在块550中，加筋件的板层叠层放置在未固化的面板上。板层叠层具有锥化基体法兰。
在块560中，外包装层的多个板层在基体法兰的每个锥面上放置在适当位置。每个外包装层的悬垂部都放置在未固化面板上。
在块570中，加筋件、面板和外包装层都被固化。例如，面板、加筋件和外包装层都被装袋和放置在高压釜中，并在压力下进行加热。
现在参见图5C，该图示出了制造加筋复合面板的另一种方法。在图5C所示的方法中，加筋件和外包装层共胶接，并且共胶接的结构继而与面板共胶接。
在块575中，具有锥化法兰基体的加筋件的板层叠层放置在工具表面上。在块580中，外包装层的多个板层在基体法兰的每个锥面放置在适当位置。每个外包装层的悬垂部分放置工具表面上。
在块585中，具有锥形边缘的加筋件和一个或多个外包装层共胶接。例如，加筋件和一个或多个外包装层被袋装放置在高压釜中，并加压加热。
在块590中，具有锥度的共胶接的加筋件和一个或多个外包装层被共胶接到结构板。共胶接时，结构板可为已固化或未固化的复合材料或其他材料。
本发明的加筋板不限于任何特定应用。但尤为感兴趣的一个应用是飞机。
参见图6，该图示出了飞机610。该飞机610包括机身620、机翼组件630和尾翼640。这些组件620-640中的每个都包括加筋底层结构。
机翼组件630的加筋底层结构包括在翼展方向延伸的前后翼梁632，在弦展方向上在翼梁之间延伸的加强筋634，同样在翼展方向延伸的桁条636，以及覆盖翼梁632和加强筋634的上下蒙皮638。机翼组件630还可包括在翼展方向延伸的中梁632。
翼梁632可与蒙皮638的复合面板共胶接。翼梁632可承受轴向载荷。翼梁基体法兰的两端可沿轴向载荷(翼展)方向呈锥形。外包装层从锥面延伸至蒙皮638。
前梁632也可承受横向载荷。该前梁基体法兰的两侧可在横向承重(弦向)方向呈锥形。外包装层从锥面延伸至蒙皮638。
翼肋634和桁条636也可与蒙皮638的面板共胶接。翼肋基体法兰的两侧可在翼展方向上锥化至蒙皮638，桁条基体法兰的两侧也可在弦向方向上呈锥形。外包装层从锥面延伸至蒙皮638。
在一些配置中，机翼组件630包括从中心翼盒延伸出来的外翼。翼板可包括可承受高拉伸载荷的翼展加筋件。这些加筋件的基体法兰可沿翼展方向锥化至蒙皮638，且外包装层可从锥面延伸至蒙皮638。
尾翼640包括水平尾翼和垂直尾翼。每个尾翼的加筋底层结构包括翼梁642、翼肋644、桁条646和蒙皮648。翼肋644和桁条646可沿翼展方向锥化至蒙皮648。翼梁642和桁条646可沿首尾方向锥化至蒙皮。外包装层可从锥面延伸至蒙皮648。
机身620包括舱壁622，其用作压力阻挡版的加筋腹板。该舱壁框架的基体法兰与腹板共胶接。基体法兰可沿首尾方向锥化至腹板。外包装层可从锥面延伸至腹板。
机身620的加筋底层结构包括环形结构的框架构件624，该框架构件被固定在蒙皮626上。框架构件624的基体法兰可在首尾方向上锥化至蒙皮626。外包装层可从锥面延伸至蒙皮626。

Claims (26)

1.一种加筋板(110)，包括：
复合面板(120)；
加筋件(130)，包括位于所述复合面板(120)上的基体法兰(132)，所述基体法兰(132)朝向所述面板(120)呈锥形；和
复合外包装层(136)，仅位于所述复合面板(120)和所述基体法兰(132)的锥面(133)上。
2.根据权利要求1所述的加筋板(110)，其中，所述外包装层(136)与所述基体法兰(132)共胶接，并与所述复合面板(120)共固化。
3.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，所述外包装层(136)、所述基体法兰(132)和所述复合面板(120)共固化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，所述外包装层(136)与所述加筋件(130)共固化，且经共固化的所述加筋件(130)和所述外包装层(136)与所述复合面板(120)共胶接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，所述基体法兰(132)的第一侧和第二侧呈锥形；且其中第一外包装层(136)位于所述复合面板(120)和所述第一侧的锥面(133)上，第二外包装层(136)位于所述复合面板(120)和第二侧的锥面(133)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，所述基体法兰(132)的一端呈锥形。
7.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，所述基体法兰(132)被锥化为刀刃形。
8.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，所述基体法兰(132)被锥化成不超过0.050英寸的高度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中，锥角小于45°。
10.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述锥形为直的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述锥形具有曲率。
12.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述锥形为复合锥。
13.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述复合面板(120)具有与锥形的所述基体法兰(132)邻近的铺层褶皱；且其中所述外包装层(136)在所述铺层褶皱上延伸。
14.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述加筋件(130)为具有I形、帽形、J形和T形横截面中的一种的横梁。
15.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述加筋件(130)由复合材料制成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述复合面板(120)为飞机蒙皮和飞机腹板中的一种。
17.根据前述权利要求中任一项所述的加筋板(110)，其中所述复合面板(120)为飞机机翼蒙皮；且其中所述加筋件(130)为翼梁、翼肋和桁条中的一种。
18.一种方法，包括将加筋件(130)和外包装层(136)放置在未固化的复合面板(120)上，所述加筋件(130)包括锥形基体法兰(132)，其中所述外包装层(136)仅位于所述基体法兰(132)的锥面(133)和所述复合面板(120)的邻接部上。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：将所述基体法兰(132)共胶接到所述面板(120)和所述外包装层(136)上，并将所述外包装层(136)与所述面板(120)共固化。
20.根据权利要求18至19中任一项所述的方法，其中所述加筋件(130)由包括纤维增强塑料的复合材料制成，所述加筋件经固化和加工以制造所述锥形基体法兰(132)，该固化和加工在将所述加筋件(130)放置到所述面板(120)上之前执行。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，进一步包括制造所述加筋件(130)，包括形成具有锥形基体法兰(132)的复合板层叠层；以及固化所述板层叠层。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中将所述加筋件(130)放置在所述面板(120)上包括将复合板层叠层放置在未固化的面板(120)上，所述板层叠层具有锥形基体法兰(132)；其中放置所述外包装层(136)包括将未固化的板层放置在所述基体法兰(132)的所述锥面(133)上；且其中所述方法进一步包括将所述面板(120)、所述加筋件(130)和所述外包装层(136)共固化。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其中所述面板(120)为飞机蒙皮。
24.一种具有主承重方向的飞机组件，所述组件包括：
复合蒙皮；
用于所述蒙皮的加筋底层结构，所述加筋底层结构包括朝主承重方向呈锥形的基体法兰(132)；以及
多个外包装层(136)，每个外包装层(136)从相应基体法兰(132)的锥面(133)开始并延伸至所述蒙皮。
25.根据权利要求24所述的飞机，其中所述蒙皮为机翼蒙皮；且其中所述加筋底层结构进一步包括翼梁、翼肋、桁条中的一种或多种或者为其组合。
26.一种包括多个加筋板(110)的飞机，每个加筋板(110)包括：
复合面板(120)；
多个加筋件(130)，包括所述复合面板上的基体法兰(132)；所述基体法兰(132)朝所述面板(120)方向呈锥形且终止于不超过0.050英寸的高度；以及
多个外包装层(136)，每个外包装层(136)仅将所述基体法兰(132)的锥面(133)和所述复合面板(120)的邻接部接合；
其中所述外包装层(136)与所述面板(120)共固化。
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