CN105459415A - 制造包括腹板和至少一个凸缘的复合材料零件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，包括以下阶段：铺设阶段，其中，铺设取向不同的多个堆叠(9)，包括取向为0°的堆叠，以获得具有包括外轮廓(6)和内轮廓(7)的边缘的平层压板(4)，所述平层压板(4)还包括至少一个曲率半径小于10m的区段(11)，以及成型阶段，包括在所述平层压板(4)上沿折线(5)形成折叠(8)，以生成与腹板(2)成角度的凸缘(3)，所述成型阶段另外包括向所述取向为0°的堆叠施加压迫张力，以避免褶皱的出现，所述取向为0°的堆叠至少部分地位于曲率半径小于10m的所述至少一个区段(11)中的所述平层压板(4)的所述折线(5)与所述外轮廓(6)之间。

Description

制造包括腹板和至少一个凸缘的复合材料零件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造包括腹板(web)和至少一个凸缘的复合材料零件的方法，并且尤其涉及一种用于制造航空工业中使用的包括腹板和至少一个凸缘的复合材料零件的方法，该零件例如机身框架，水平尾翼飞机(HTP)的弯曲梁、翼梁或翼纵梁。
背景技术
目前，结构完整性和高生产率是航空工业中的基本特点，航空公司之间的竞争是非常激烈的。
多年前，飞机主要或完全由金属部件建造，在机械特性方面提供了良好的性能，但缺点是在重量方面处于不利。
按航空工业对结构的要求，一方面，要能承受它们所受的负重，满足对强度和刚度的高要求，另一方面，要尽可能的轻，在主要结构中使用复合材料(如，碳纤维增强聚合物，CFRP)被越来越多地推广，因为相对于金属材料的设计，适当的应用所述复合材料可以实现有重要意义的重量减轻。
碳纤维增强复合材料很难适应弯曲的表面，在它们形成的过程中出现褶皱是很常见的。对于不需要明显的曲率的情况，由平层压板成型从而生成“C”形的工艺是可以实现的。常规的过程通常包括铺设预浸料堆叠(prepregplies)以形成平层压板，用来产生“C”形的成型过程，以及最后的固化过程。在此过程中，如果物件中有弯曲，则褶皱的出现是很常见的。
如今，用来形成梁的“C”形轮廓的方法为热成型法(对于简单的“C”形轮廓)、压力成型法(对于更大的厚度和较小的曲率)和利用高级纤维布置(AFP)的3D技术的直接沉积(当曲率很高时；然而，这种技术有一些限制)。
这些方法可以制造经典的C形梁，但当曲率更高时，褶皱的出现使得该工艺失效。
EP1775106A1，称为“用于制造弯曲梁和其他弯曲物体的方法”，公开了一种用于生产复合材料物体的方法，包括以下步骤：
-将一个或多个预浸料坯(prepregs)放置在飞机表面上，形成纤维堆(fibrestack)；
-将纤维堆升起至成型工具，
-下沉成型(downforming)纤维堆，
-固化下沉成型的纤维堆，以及
-确定纤维方向，使得在将纤维堆升起至成型工具时，所有纤维都会与成型工具的一个边缘仅交叉一次。
在该文献中，纤维堆中的预浸料坯的纤维方向被取向成使得预浸料坯的纤维方向都没有发生与成型工具的曲线平行。然后可以以更简单的方式进行下沉成型。
WO2010/056164A1，称为“复合物件的形成方法”，公开了一种方法，其中，可以在工具上通过热成型形成物件，而不在物件中产生褶皱。在这种方法中，使用一定的堆叠次序以避免在通过热成型形成物件时起皱。将在工具的纵向方向上具有纤维的层、在工具的正交方向上具有纤维的层和具有工具的对角方向的纤维以特定的顺序设置在堆中以避免褶皱。然而，在某些情况下，成型期间内可能仍有一些问题，物件中会形成褶皱。
WO2012/099512A1，称为“复合物件和形成复合物件的方法”，旨在解决复合物件的形成过程期间内堆叠的层中形成褶皱的问题。该文献涉及复合物件，其中物件具有纵向方向和横向方向，物件包括堆叠的层，其中一层为底层，一层为顶层，大部分或全部的层包括纤维，并且物件包括具有基本上在与物件的纵向方向正交的方向上的纤维的多个层，和具有基本上在与物件的纵向方向相同的方向上的纤维的多个层，其中具有基本上在与物件的纵向方向正交的方向上的纤维的至少一层包含的纤维比其余的层中的纤维更硬，其余层的纤维硬度较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制造包括腹板和至少一个凸缘的复合材料零件的方法，其能够避免出现褶皱。
本发明提供一种用于制造包括腹板和至少一个凸缘的复合材料零件的方法，包括以下阶段：
-铺设阶段，其中，铺设取向不同的多个堆叠(piles)，包括取向为0°的堆叠，以获得具有包含外轮廓和内轮廓的边缘的平层压板，所述平层压板还包含至少一个曲率半径小于10m的区段，以及
-成型阶段，其包括在平层压板上沿折线形成折叠，以生成与腹板成角度的凸缘，
其中，所述成型阶段另外包括向取向为0°的堆叠施加压迫张力(stresstension)以避免褶皱的出现，该取向为0°的堆叠至少部分地位于曲率半径小于10m的所述至少一个区段中的平层压板的折线与外轮廓之间。
在零件的形成过程中施加到取向为0°的堆叠上的压迫张力避免褶皱的出现，否则沿弯曲轮廓的折叠的形成会导致褶皱的出现，以及随之发生的0°堆叠中的压缩。
本发明的其他特点和优势将通过以下说明了本发明目的的几个实施例的详细描述并参照附图而变得清楚。
附图说明
图1示出了具有不同曲率的区段的几个梁；
图2为利用常规过程生成具有沿弯曲轮廓的折线的C形件之前复合材料的层压板的俯视图和主视图；
图3为具有高曲率的区段的平层压板的俯视图；
图4a为在转化成包含腹板和至少一个凸缘的零件之前的平的层压板的具有高曲率的区段的俯视图；
图4b示出了平层压板的具有高曲率的区段的俯视图，示出了取向为不同方向的堆叠；
图5为本发明的利用热成型膜(未示出)进行热成型过程的示意图；
图6为本发明的压力成型过程的示意图，其中压力成型工具和持握工具在初始位置；
图7为本发明的压力成型过程的示意图，其中压力成型工具和持握工具在中间位置。
具体实施方式
图1示出了有曲率的不同的梁，被配置为不同的几何形状。由图1可以看出，复合材料零件(1)(例如，梁)包括腹板(2)和两个凸缘(3)。
本文中将认为在曲率半径小于10m时曲率是高的。
图2示出了利用常规过程生成具有曲率的C形零件之前的复合材料的平层压板的俯视图和主视图。层压板的外部部分L(即，更远离曲率中心的部分)长于层压板的内部部分I(即，更接近曲率中心的部分)。如前所述，在形成C形时，褶皱往往出现在折线与较长的弯曲侧之间的区域中。
图3示出了具有中央区段(11)的平层压板(4)的俯视图，中央区段(11)具有较高的曲率(即，曲率半径小于10m)。侧区段12不具有高曲率，因此它们可以根据常用的方法来制造，尽管如此它们也可根据本发明的方法制造。
图4a示出了在转化成包含腹板(2)和至少一个凸缘(3)的零件之前层压板(4)的具有高曲率的区段(11)的俯视图。在此图中，X轴表示要被铺设以获得平层压板(4)的堆叠9的0°方向。
从图4a中可以看出，平层压板(4)具有包含外轮廓(6)和内轮廓(7)的边，外轮廓(6)比内轮廓(7)长。在具有高曲率的区段(11)中，外轮廓(6)是更远离曲率中心的轮廓，而内轮廓(7)是更接近曲率中心的轮廓。图4a还示出了平层压板上的折线5，折线5在具有高曲率的区段(11)中是弯曲的。
从图4b中可以看出，要被铺设以获得平层压板(4)的堆叠9还可以取向为除了0°方向之外的几个方向。例如，它们可以取向为0°、90°、±45°以及±30°。
在曲率半径小于10m的区段(11)中，至少部分地位于折线5与平层压板(4)的外轮廓(6)之间的堆叠可以在两侧横向延伸超出平层压板(4)的边缘，如图4a所示。
在图4a中，以0°延伸的堆叠10的末端由两个持握工具(13)握住，每个纵向端一个。
用于制造根据本发明的包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法包括以下阶段：
-铺设阶段，其中，铺设取向不同的多个堆叠9，包括取向为0°的堆叠，以获得具有包含外轮廓(6)和内轮廓(7)的边缘的平层压板(4)，所述平层压板(4)还包含至少一个曲率半径小于10m的区段(11)，以及
-成型阶段，其包括在平层压板(4)上沿折线5形成折叠8，以生成与腹板(2)成角度的凸缘(3)。
成型阶段另外包括向取向为0°的堆叠施加压迫张力(stresstension)以避免褶皱的出现，该取向为0°的堆叠至少部分地位于曲率半径小于10m的所述至少一个区段(11)中的平层压板(4)的折线5与外轮廓(6)之间。
在本发明的实施例中，凸缘(3)与腹板(2)形成80°与100°之间的角度。
在本发明的实施例中，压迫张力在整个成型阶段都施加到所述取向为0°的堆叠。
在本发明的另一实施例中，在曲率半径小于10m的区段(11)中至少部分地位于折线5与平层压板(4)的外轮廓(6)之间的取向为0°的堆叠，在两侧横向延伸超出平层压板(4)的边缘。以0°延伸的堆叠10可能由持握工具(13)随着0°的堆叠的方向而拉伸，该持握工具(13)握住以0°延伸的堆叠10的末端并且在成型阶段完成后将它们松开。
任何合适的持握工具(13)都可以使用，如夹子。
一端的持握工具(13)可平行于对端的持握工具(13)，使得以0°延伸的堆叠10具有相同的长度。根据另一实施例，一端的持握工具(13)不平行于对端的持握工具(13)，使得以0°延伸的堆叠10具有不同的长度，这可以节省材料。
图5对应于根据本发明的另一个实施例的热成型方法。在此方法中，其中还包括一般方法的基本步骤，在成型阶段，平层压板(4)放置在工具18上，并且膜(未示出)放置成覆盖在平层压板(4)和工具18上，另外进行以下步骤：
-平层压板(4)在工具18上通过热成型被弯曲，逐渐得到所需形状，以及
-在平层压板(4)正在被弯曲的同时，持握工具(13)绕轴旋转从而使以0°延伸的堆叠10保持与平层压板(4)的正在被弯曲的部分对齐。
要考虑到的是，图5仅示出了装置的一半，另一半是对称的。
图6和图7对应于根据本发明的另一个实施例的压力成型方法。在此方法中，其中还包括的一般方法的基本步骤，在成型阶段，平层压板(4)放置在包含固定的中央模块15和至少一个可移动的侧模块16的压床14上。每个模块15、16包括由中间槽17分隔的两个部分。在持握工具(13)拉伸以0°延伸的堆叠10之后，将预拉应力(pretensionstress)施加至它们之上，另外进行以下步骤：
-至少一个可移动的侧模块16开始在垂直于平层压板(4)的方向上移动，通过压力成型对该平层压板(4)施加压力以获得所需的形状，
-同时，持握工具(13)在与所述至少一个侧模块16相同的垂直于平层压板(4)的方向上移动，使得在压力成型的过程中所述至少一个侧模块16的槽17的高度与持握工具(13)的高度相同，如图7所示。
图6对应于压床14、持握工具(13)和平层压板(4)的初始位置，而图7对应于中间位置，其中正在形成折叠8。C形零件(例如，如图1所示的翼梁，具有弯曲的腹板和两个比该腹板短的凸缘)可以通过图6和图7中示出的过程来获得。
要考虑到的是，图6和图7仅示出了装置的一半，另一半是对称的。
根据本发明的另一实施例，在成型阶段完成之后，以0°延伸的堆叠10被切割并且零件(1)被加工，以去除多余的材料，由此得到零件(1)的最终几何形状。
虽然已经针对优选实施例全面地介绍了本发明，但当然可以在其范围内进行改进，不考虑这些实施例对其进行限制，而是由以下权利要求的内容进行限制。

Claims (12)

1.一种用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，包括以下阶段：
-铺设阶段，其中，铺设取向不同的多个堆叠(9)，包括取向为0°的堆叠，以获得具有包括外轮廓(6)和内轮廓(7)的边缘的平层压板(4)，所述平层压板(4)还包括至少一个曲率半径小于10m的区段(11)，以及
-成型阶段，包括在所述平层压板(4)上沿折线(5)形成折叠8，以生成与腹板(2)成角度的凸缘(3)，
其特征在于，所述成型阶段另外包括向所述取向为0°的堆叠施加压迫张力，以避免褶皱的出现，所述取向为0°的堆叠至少部分地位于曲率半径小于10m的所述至少一个区段(11)中的所述平层压板(4)的所述折线(5)与所述外轮廓(6)之间。
2.根据权利要求1所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，所述压迫张力在整个所述成型阶段都施加到所述取向为0°的堆叠。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，在曲率半径小于10m的所述至少一个区段(11)中至少部分地位于所述折线(5)与所述平层压板(4)的所述外轮廓(6)之间的所述取向为0°的堆叠，在两侧横向延伸超出所述平层压板(4)的边缘。
4.根据权利要求3所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，所述以0°延伸的堆叠(10)由持握工具(13)随着0°的堆叠的方向而拉伸，所述持握工具(13)握住所述以0°延伸的堆叠(10)的末端并且在成型阶段完成后将所述末端松开。
5.根据权利要求4所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，所述持握工具(13)为夹子。
6.根据权利要求4或5所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，一端的持握工具(13)平行于对端的持握工具(13)，使得所述以0°延伸的堆叠(10)具有相同的长度。
7.根据权利要求4或5所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，一端的持握工具(13)不平行于对端的持握工具(13)，使得以所述0°延伸的堆叠(10)具有不同的长度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，所述堆叠(9)还取向为除了0°方向之外的几个方向。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，在所述成型阶段，所述平层压板(4)放置在工具(18)上，并且膜放置成覆盖在所述平层压板(4)和所述工具(18)上，并且另外进行以下步骤：
-所述平层压板(4)在所述工具(18)上通过热成型被弯曲，逐渐得到所需形状，以及
-在所述平层压板(4)正在被弯曲的同时，所述持握工具(13)绕轴旋转从而使所述以0°延伸的堆叠(10)保持与所述平层压板(4)的正在被弯曲的部分对齐。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，在所述成型阶段，所述平层压板(4)放置在包括固定的中央模块(15)和至少一个可移动的侧模块(16)的压床(14)上，每个所述模块(15、16)包括由中间槽(17)分隔的两个部分，并且使得在所述持握工具(13)拉伸之后，将预拉应力施加至所述以0°延伸的堆叠(10)之上，另外进行以下步骤：
-所述至少一个可移动的侧模块(16)开始在垂直于所述平层压板(4)的方向上移动，通过压力成型对所述平层压板(4)施加压力以获得所需的形状，
-同时，所述持握工具(13)在与所述至少一个侧模块(16)相同的垂直于所述平层压板(4)的方向上移动，使得在压力成型的过程中所述至少一个侧模块(16)的槽(17)的高度与所述持握工具(13)的高度相同。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，在所述成型阶段完成之后，所述以0°延伸的堆叠(10)被切割并且所述零件(1)被加工，以去除多余的材料，从而得到所述零件(1)的最终几何形状。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的用于制造包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)的复合材料零件(1)的方法，其中，所述凸缘(3)与所述腹板(2)形成80°与100°之间的角度。
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