CN107592832A - 用于控制织物幅材的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制具有内部轴向丝束(46)的复合织物(44)的设备(80)包括支承构件(82)，其构造成基本上与复合构件形式接合织物。支承构件包括直接接合织物的第一外表面的非滑动部分(84)。该装置还包括主固定构件(86,86’,86”)，其在织物的与第一外表面相对的第二外表面处接合并在织物上施加压力。在织物相对于第一和第二外表面的轴向丝束移位时，支承构件和主固定构件基本保持接合在支承构件和主固定构件之间的织物的第一和第二外表面的原始构造。

Description

用于控制织物幅材的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年4月13日提交的美国专利申请14/684,875的优先权，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。

背景技术

本公开涉及用于复合部件的织物预制件的形成。特别地，本申请涉及织物的操作以改善织物预制件质量。

各复合部件通常用于具有高强度重量比较为重要的应用中，例如飞行器部件。许多结构复合材料部件可以通过围绕一种形状件缠绕高强度织物以形成所谓的织物预制件，将树脂施加到织物预制件上，然后固化树脂以形成最终的复合部件来制备。

然而，当将多层材料围绕一个形状件或心轴缠绕时，众所周知难以形成没有缺陷的织物预制件，这些缺陷破坏最终复合部件的结构完整性。在缠绕期间，所施加的织物可能变得扭曲，从而在织物预制件中产生褶皱或波纹。在施加树脂之前发展的任何非预期的体积区域可能导致最终部件的不均匀性并导致不太理想的机械性能。

因此，存在对用于将织物施加到一形状件的改进技术的需求，更具体地，用于减少和消除缠绕期间的缺陷区域。

附图说明

图1是包括风机容纳壳和风机壳的涡扇发动机的局部横截面侧视图。

图2是用于风机容纳壳或风机壳的织物预制件的一实施例。

图3是类似于图2,但是在凸缘已经形成在大体管状主体的轴向端之后的风机容纳壳或风机壳。

图4是图2的织物预制件的局部视图，具有穿过其截取的截面。

图5是图3的风机容纳壳或风机壳的局部视图，具有穿过其截取的截面。

图6示出了可用于制造织物预制件和复合部件的三轴织物材料。

图7是三轴织物的一段的详细视图，其中轴向或环形丝束从织物的端部延伸。

图8是三轴织物的侧剖视图。

图9是根据本公开的原理用于形成织物预制件的设备的示意图，同时分开地张紧每个轴向丝束并且同时保持的双轴丝束的构造。

图10是可用于将轴向丝束连接到张紧机构的中间连接器的一个实施例。

图11是根据本公开的原理，用于维持双轴丝束的构造的支承组件以及图9的形状件的立体图。

图12A-B是根据本公开的原理的支承组件的支承构件的示例性立体图，每个支承构件呈传送带的形式，分别具有覆盖传送带的全部和一部分的非滑动部分。

图13A-C是根据本公开的原理的由支承和固定构件接合的三轴织物的横截面侧视图。

具体实施方式

公开了一种用于控制织物幅材的设备和方法。更一般地，本公开涉及生产织物预制件的改进方法，其可进一步加工以制造复合部件或构件。通常，一旦织物预制件被缠绕好，树脂可以被引入到织物预制件中以形成复合部件。该树脂可以以多种方式提供，包括但不限于注塑和传递模塑，如树脂传递模塑(RTM)和真空辅助树脂传递模塑(VARTM)。固化树脂后，将织物的高强度纤维在树脂基体内保持就位，以提供复合材料。

例如，用于控制具有内部轴向丝束的复合织物的设备可以包括支承构件，该支承构件构造成接合织物基本达到复合部件形式。支承构件可包括直接接合织物的第一外表面的非滑动部分。该设备还可包括主固定构件，该主固定构件在织物的与第一外表面相对的第二外表面处接合织物并在织物上施加压力。根据本公开的原理，在相对于第一和第二外表面使织物的轴向丝束移位时，支承构件和主固定构件可基本保持接合在支承构件和主固定构件之间织物的第一和第二外表面的初始构造。

在该示例性设备中，支承构件可以是第一传送带，并且非滑动部分可包括固定到第一传送带的高摩擦表面或纹理材料。非滑动部分可覆盖第一传送带。另外，该设备还可包括联接到主固定构件的致动器，该致动器可在主固定构件和支承构件之间产生压力。主固定构件可以是第二传送带、膜和压力囊中的一个。在一个示例中，主固定构件是膜，而致动器是真空。

该设备还可包括增加织物至少一部分上的压力的副固定构件。在一些实施方式中，副固定构件增加了在支承构件和主固定构件之间接合的基本上所有织物上的压力。副固定构件可以是在沿着或跨越织物的不同位置处施加不同压力的一个或多个构件。

在示例性设备中，织物的第一和第二外表面的初始构造可以是由多个编织偏置丝束限定的互补幅材构造。

在另一个实例中，用于控制具有内部轴向丝束的复合织物的方法可包括用支承构件支承织物基本上达复合部件形式；将织物的第一外表面与支承构件的非滑动部分直接接合；在织物的与第一外表面相对的第二外表面处将主固定构件接合在织物上；用主固定构件对织物施加压力；以及，当织物的轴向丝束相对于第一和第二外表面移位时，基本保持接合在支承构件和主固定构件之间的织物的第一和第二外表面的初始构造。支承构件可以是第一传送带。非滑动部分可包括固定到第一传送带的高摩擦表面或纹理材料。该方法还可包括用非滑动部分覆盖第一传送带。

该方法还可包括利用联接到主固定构件的致动器在织物上产生压力。主固定构件是第二传送带、膜和压力囊中的一个。在一个实施方式中，主固定构件是膜，而致动器是真空。

该方法还可包括用一个或多个副固定构件增加织物的至少一部分上的压力，并且还可以包括用副固定构件增加在支承构件与主固定构件之间接合的基本上所有织物上的压力。

在示例性方法中，织物的第一和第二外表面的初始构造可以是由多个编织偏置丝束限定的互补幅材构造。

在该详细描述中，提供了一些示例性织物预制件和复合部件，其中描述了用于飞行器的复合部件。然而，所示的预制件和部件不应被解释为所述方法适用的唯一预制件和部件。本文所述的方法还可以用于制造非飞机复合部件，以及其中围绕一形状件缠绕织物以形成织物预制件的其它过程。

参照图1，示出了用于飞机的涡扇发动机10的一部分。该涡扇发动机10包括风机组件12，风机组件12可绕涡扇发动机10的中心轴线A-A旋转以吸入空气，并最终产生推进。风机组件12具有沿着中心轴线A-A延伸的中心转子14，并且包括从中心转子14大致径向向外延伸的多个叶片16。

示例风机组件12至少部分地由风机容纳壳18包围。该风机容纳壳18由高强度复合材料制成，例如装在树脂中的织物。对于飞行器部件，织物可以由碳纤维材料制成，并且树脂可以是环氧树脂或诸如双马来酰亚胺或聚酰亚胺的高温树脂，以制成在高温下稳定的极强且刚性的部件。然而，根据应用的需要，可以使用其它织物和树脂材料。以下将更详细地讨论可用于构造复合材料的一些材料。风机容纳壳18可以有助于防止任何弹射物在可能损坏发动机10或飞行器的方向上径向离开涡扇发动机10。

图1还示出了附连在风机容纳壳18后面的风机壳19。该风机壳19可以由与风机容纳壳18类似的材料制成并且延续发动机旁路空气流过的管道。

现参照图2至图5，示出了在轴向端24和26上形成凸缘22之前和之后的用于具有轴线B-B的风机容纳壳18的织物预制件20。织物预制件20具有在两个轴向端24和26之间延伸的大致管状主体28。主体28包括在形成期间接触形状件或心轴的径向向内的表面30和径向向外的表面32。主体28包括将风机容纳壳18的主体28分成两个不同直径或半径的部分36和38的接榫或一部分弯曲部34。具有不同直径的这些部分36和38可以有助于适应叶片16的特定位置(例如在图1中所看到的)，并且还可用于引导空气流通过涡扇发动机10。该接榫或一部分弯曲部34是主体28的至少部分地沿径向方向延伸的特征。

具体参考图2和图4，用于风机容纳壳18的织物预制件20可以形成为使得轴向端24和26比大致管状主体28的其余部分更薄，以在轴向端24和26上限定前体凸缘区域40。在引入树脂之前，这些前体凸缘区域40可能在图4上的线41处向上弯曲以形成用于将风机容纳壳18附连到最终组件中相邻部件的凸缘22。同样可能的是，这些前体凸缘区域40可能在图4上的线41处向下弯曲以形成凸缘22。然而，还可以想到，通过采用下面的织物操作技术，凸缘22可以与织物缠绕的同时形成。同样可以想到在任一端24或26处仅具有一个凸缘的设计，或者根本没有凸缘。

用于风机容纳壳18的织物预制件20包括多个缠绕的织物层。风机容纳壳18的厚度部分地由织物的层数和织物的厚度决定。然而，织物的缠绕质量和蓬松度也会影响织物预制件20和所得复合部件的厚度。

参考图6至8，示出了三轴织物42形式的示例性织物。三轴织物42包括编织在一起以形成织物片材44的织物材料的各种丝束。三轴织物42包括多个环形或轴向丝束46和多个双轴丝束48和50。如本文所使用的，丝束是指一束纤维或细丝，其被布置成形成连续长度的材料。通常，对于飞机复合结构，这种丝束由碳纤维或石墨制成，其具有所需的强度与重量特性。根据本公开的原理，例如芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维和玻璃纤维材料的附加材料可以包括在织物中。

环形或轴向丝束46布置成彼此大致平行并且在织物44的内部。为了清楚起见，这些丝束46与当织物片材44围绕一形状件或心轴缠绕时织物片材44行进的方向大致平行的方向延伸。因此，在织物进给或缠绕的上下文中，这些丝束可以说是轴向的。因为这些丝束46然后围绕形状件或心轴的中心轴线缠绕，所以这些丝束46也可以被称为“环形丝束”，因为一旦织物44被放置在形状件上，它们围绕形状件沿环形方向延伸。

多个双轴丝束48和50包括两组丝束，其分别以与轴向丝束46成正角度和与轴向丝束46成负角度定向。双轴丝束48和50交替地在轴向丝束46之上和之下穿过，以形成织物片材44的相对的第一和第二外表面51a，51b。具体参照图8，双轴丝束48和50可以具有幅材构造，例如，可以编织成在织物片材44中形成编织物。这意味着轴向丝束46大致线性地延伸并且在内部穿过第一和第二外表面51a，51b之间的织物片材44。当织物片材44平坦地放置成初始的、未扭曲的纤维幅材构造时，两组双轴丝束48和50中的每个丝束大致彼此平行(即，第一组双轴丝束48中的各丝束彼此平行并且第二组双轴丝束50中的各丝束彼此平行)。

尽管已经描述了三轴织物，并且提供了用于制造风机容纳壳18的示例性复合部件中所示的织物预制件20的基础材料，但是可以预期根据本发明的原理可以使用其它类型的织物。因此，应当理解，可以使用具有足够特性的其它类型的织物，例如，具有内部延伸的轴向丝束的另一织物。

现在回到图2至5，更具体地参考图4和5，多层三轴织物42在彼此上缠绕以形成织物预制件20。三轴织物42设置在织物预制件20中，使得轴向丝束46沿着织物预制件20的环向方向延伸并大致垂直于轴线B-B，而双轴丝束48和50通常围绕大致管状主体28螺旋地设置。

通常，为了形成织物预制件20，织物44的一端被接纳在形状件上，使得织物的轴向丝束沿大致垂直于形状件的中心轴线的方向延伸。然后，织物44通常通过形状件的旋转将织物44拉到形状件上而缠绕在该形状件上，以铺设织物44的层(尽管当形状件保持静止或当形状件也旋转时织物的自由端可能绕形状件运动)。

参照图9，示出了可以在同时分开地且彼此独立地张紧每个轴向或环形丝束46的同时用于将织物44绕形状件54缠绕的设备52，以及由缠绕产生的合力。设备52包括具有中心或旋转轴线C-C的形状件54，并且还可包括与支承多个分开的张紧机构58的形状件54间隔开的工作台56。根据本公开的原理，并且如进一步详细讨论的那样，设备52还可包括支承组件80，该支承组件80将织物44基本上接合到形状件54并控制织物44。

在图9的示例性说明中，形状件54是可旋转心轴，其将织物44的一端接收在其上。织物44的端部的接收可以以多种方式中的任一种实现，包括例如通过胶带、粘合剂、紧固件、夹紧等将织物44的一端附连到形状件54上。织物44也可通过将织物44围绕形状件54缠绕至少完整一圈并然后将织物44拉紧以使得缠绕在其上的织物44的张力将织物44保持在该形状件54上。

形状件54可以具有各种形状。例如，该形状件可以具有正方形或矩形横截面，这将导致用于织物预制件的管状矩形形状。在另一示例中，该形状件可具有在形状件的轴向长度的至少一部分上变化的半径。该可变半径可以用于形成诸如图1中所示的风机容纳壳18上发现的接榫等。

设备52的张紧机构58跨越工作台56散开或展开。每个张紧机构58具有从其馈出的线62。这些线62分别联接到织物44的自由端64上的轴向丝束46之一(即，织物44的与织物44的最初围绕形状件54缠绕或接纳在形状件54上的端部相对的端部，使得轴向丝束46从一端延伸到另一端)。来自张紧机构58的线62进给穿过引导件或梳子66，使得每条线62大致与线62所联接的相应的轴线丝束46共线。以这种方式，显著大于轴向丝束46的尺寸的每个张紧机构58可以在工作台56上彼此间隔开，并为线62的行进提供足够的间隙。

在图9的示例中，每个张紧机构58是磁性离合器。每个磁性离合器具有线轴，线62从线轴馈送。在线62馈出期间，随着线62从线轴拉出或退绕，磁性离合器可提供抵抗线轴旋转的受控阻力。因为每个线62附连到轴向丝束46，所以每个轴向丝束46分开地且独立地张紧并被放出。

如本文所使用的，对于要“分开张紧”的轴向丝束是指轴向丝束与织物中的至少一些其它轴向丝束分开张紧。这种分开张紧可能导致一个或多个轴向丝束46在织物44的双轴向丝束48和50内滑动。然而，在其它形式中，可以分组地执行各轴向丝束的分开张紧。例如，两个或更多个轴向丝束可以与其它丝束分开张紧。

继续参考图9，张紧机构58可以被设置成为每个轴向丝束46提供相同的张力或基本上相同的张力。由于织物44本身的任何差异或者形状件54在其轴向长度上的形状，在各轴向丝束46上分开保持恒定的轴向张力会导致织物44中的轴向丝束46的差别放出。

可以使用轴向丝束46差别放出的能力来改善织物预制件20的质量和一致性。然而，滑动必须克服轴向丝束46和双轴丝束48之间的实质摩擦。也就是说，拉伸通过双轴向丝束48和50的一个或多个轴向丝束46之间的摩擦可导致织物44随着双轴向丝束48和50的弯曲而收缩。根据本公开的原理，支承组件80将织物44基本上接合在形状件54并控制织物44，特别地在一个或多个轴向丝束46滑动时保持双轴丝束48和50的初始构造(例如幅材构造)。下面进一步详细描述支承组件80。

在一些实施方式中，来自张紧机构58的线62可以直接连接到轴向丝束46。在一些实施方式中，各轴向丝束46可以经由中间连接器连接到线62。图10中部分地示出了一示例性中间连接器68。该中间连接器68包括一对具有孔72的垫70。垫70可以设置在轴向丝束46的端部74的任一侧上，然后放在一起以将轴向丝束46的端部74夹在其间。连接到线62的端部的钩76可以被引导通过垫70中的孔72，以将垫70临时连接到张紧机构58的线62。

由于织物比不是通过分开张紧多个轴向丝束中的至少一些而形成的织物预制件更致密地缠绕，所以在树脂施加到织物预制件之后形成的复合部件中可实现更高的织物与树脂的体积比。

参照图11-13，更详细地描述支承组件80。支承组件80包括支承构件82。如图所示，示例性支承构件82为传送带的形式。支承构件82构造成将织物基本上接合到形状件54。也就是说，支承构件82在缠绕到形状件54之前立即或基本上立即限定织物44的路径。

根据本公开的原理，支承构件82包括直接接合织物44的第一外表面51a的相对非滑动部分84。在一些实施方式中，非滑动部分84是固定到支承构件82的例如砂纸的纹理材料。非滑动部分84覆盖支承构件82的至少一部分。在一些实施方式中，诸如图12A所示，非滑动部分84覆盖支承构件82的整个表面。在一些实施方式中，非滑动部分覆盖支承构件82的表面的一部分，例如图12B中的部分84'。

支承组件80还包括主固定构件86，该主固定构件在织物44的与第一外表面51a相对的第二外表面51b处与织物44接合并在织物44上施加压力。具体地，当织物44的轴向丝束46相对于双轴向丝束48和50以及因此第一和第二外表面51a、51b移位时，支承构件82和主固定构件86基本保持接合在支承构件82和主固定构件86之间的织物44的第一和第二外表面51a、51b的初始构造，例如由双轴丝束48和50限定的幅材构造。也就是说，从织物44和非滑动部分84的物理特性以及由主固定构件86施加的压力的总有效摩擦力足以由于由轴向丝束46相对于双轴丝束48和50的滑动而产生的摩擦力来抑制双轴丝束48和50的扭曲。因此，轴向丝束46可例如由于形状件54的偏心形状而差分地放出，并且双轴向丝束48和50可以基本上一致地以其初始构造传送到形状件54。

在一些实施方式中，支承组件80还可包括致动器88—在图1中示意性地示出—联接到主固定构件86并且在主固定构件86和支承构件82之间产生压力。

此外，主固定构件的构造可以根据本公开的原理而变化。在第一实施方式中，在支承构件82呈第一传送带的形式的情况下，主固定构件86可以是第二传送带的形式。在一些实施方式中，第二传送带可以没有非滑动部分。在一些实施方式中，第二传送带可包括一个或多个非滑动部分89(图13A)，例如本文关于支承构件82的非滑动部分84所述，并且第二传送带还可具有与第一传送带的互补构造。

参照图13B，在其他实施方式中，替代的主固定构件86'可以是隔膜。隔膜可以在织物44上机械地固定或致动以向其提供压力。在一些实施方式中，致动器88为真空形式，隔膜在真空压力下接合织物44。用于这种隔膜的合适的材料可包括各种已知的弹性体材料中的一种或多种，例如弹性体硅树脂和塑料，并且可以是膜的形式。

参照图13C，在又一些实施方式中，另一替代的主固定构件86”可以是压力囊的形式，其膨胀以接合织物44并且想起提供压力，如本文所述。应当理解，本文所述的主固定构件的各种实施方式是示例性的，并且主固定构件可以具有根据本公开原理的其他构造。用于这种压力囊的合适材料可包括多种已知的弹性体材料中的一种或多种，例如弹性体硅树脂和塑料。

另外，在一些实施方式中，支承组件80包括用于增加织物44的至少一部分上的压力的一个或多个副固定构件。再参照图13B，示出了压力囊形式的示例性副固定构件90。可包括副致动器91，且副致动器91联接到副固定构件90。在该示例中，主固定构件86'是膜，并且副固定构件90可膨胀以与主固定构件86'接合并向至少一部分织物44提供进一步的压力。在一些实施方式中，副固定构件90可构造成增加接合在支承构件82和主固定构件之间的基本上所有织物44上的压力。

在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。此外，这些元件中的一些或全部可以变化。应当理解，如本文所使用的，示例是指用作图示或范例、说明性或典型的。因此，应当理解，上述描述旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读上述描述之后，除了所提供的实施例之外的许多实施例和应用对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明的范围不应参照上述说明来确定，而应该参考所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。预期且旨在将在本文讨论的领域中发生进一步的发展，并且所公开的系统和方法将被并入到这些将来的实施例中。总之，应当理解，本发明能够进行修改和变化，并且仅由所附权利要求限制。

权利要求书中使用的所有术语旨在被赋予其如本领域技术人员所理解的普通含义，除非在本文中作出相反的明确指示。特别是，除非另有说明，否则使用“一”，“该”，“所述”等单数冠词应解读为记载一个或多个所指示的元件，除非有明确的限制。

Claims (20)

1.一种用于控制具有内部轴向丝束的复合织物的设备，包括：

支承构件，所述支承构件构造成基本上与所述织物接合成复合构件形式，所述支承构件包括直接接合所述织物的第一外表面的非滑动部分；以及

主固定构件，所述主固定构件在所述织物的与所述第一外表面相对的第二外表面处接合所述织物并在所述织物上施加压力，

其中，当所述织物的所述轴向丝束相对于所述第一和第二外表面移位时，所述支承构件和所述主固定构件基本上保持接合在所述支承构件与所述主固定构件之间的所述织物的所述第一和第二外表面的初始构造。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支承构件是第一传送带。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，还包括：致动器，所述致动器联接到所述主固定构件并且在所述主固定构件与所述支承构件之间产生压力。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述主固定构件是第二传送带、隔膜和压力囊中的一个。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述主固定构件是所述隔膜，并且所述致动器是真空。

6.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述非滑动部分包括固定到所述第一传送带的纹理材料。

7.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述非滑动部分覆盖所述第一传送带。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：至少一个副固定构件，所述至少一个副固定构件增加所述织物的至少一部分上的压力。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述至少一个副固定构件增加在所述支承构件和所述主固定构件之间接合的基本上所有所述织物上的压力。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述织物的所述第一和第二外表面的初始构造是由多个织造偏置丝束限定的互补幅材构造。

11.一种用于控制具有内部轴向丝束的复合织物的方法，包括：

用支承构件支承所述织物基本上达到复合构件形式；

将所述织物的第一外表面与所述支承构件的非滑动部分直接接合；

将主固定构件在所述织物的与所述第一外表面相对的第二外表面处接合在所述织物上；

用所述主固定构件在所述织物上施加压力；以及

当所述织物的所述轴向丝束相对于所述第一和第二外表面移位时，基本上保持接合在所述支承构件与所述主固定构件之间的所述织物的所述第一和第二外表面的初始构造。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述支承构件是第一传送带。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

通过联接到主固定构件的致动器在所述织物上产生压力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述主固定构件是第二传送带、隔膜和压力囊中的一个。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述主固定构件是所述隔膜，并且所述致动器是真空。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述非滑动部分包括固定到所述第一传送带的纹理材料。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

用所述非滑动部分覆盖所述第一传送带。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

用至少一个副固定构件增加所述织物的至少一部分上的压力。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：

用所述至少一个副固定构件增加在所述支承构件和所述主固定构件之间接合的基本上所有所述织物上的压力。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述织物的所述第一和第二外表面的初始构造是由多个织造偏置丝束限定的互补幅材构造。