CN113001815A - 用于形成纤维复合材料预成型件的方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种用于形成纤维复合材料预成型件的方法，所述预成型件包括腹板、凸缘和弯曲部分，所述方法包括以下步骤：将层压件铺设在工具上，所述层压件包括纵向边缘和横向边缘，并且所述工具包括凸形部分，所述凸形部分包括表面和侧向壁，所述腹板被配置成定位在所述凸形部分的表面上，并且所述凸缘被配置成定位在所述凸形部分的侧向壁上；在所述凸形部分上形成所述预成型件；将所述层压件的横向边缘夹紧至所述工具，使得所述铺设好的层压件的腹板和凸缘保持在拉伸载荷下；使所述凸形部分的纵向部分弯曲。

Description

用于形成纤维复合材料预成型件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于形成具有强劲凸起和/或扭结区域的复合材料预成型件以使得预成型件弯曲的方法。
背景技术
当使用常规的形成方法来制造弯曲的预成型件(例如，具有强劲凸起或弯曲形状和/或扭结区域)时，会出现褶皱。
由平坦的层压件形成的凸起凸缘(例如，在像框架这样的弯曲凸起结构中)存在的问题是，当铺设完成时，所述层压件是平坦的。然后，平坦的层压件被成形为例如L形。因此，由于其弯曲的凸起形状，相对于预成型件的腹板，在L形凸缘的区域中存在过剩的材料。此过剩的材料必须冲到预成型件的侧面，以避免起皱。当使用常规的形成方法时，这是很难实现的，所以会出现褶皱。
当部件包括扭结区域时，这种影响甚至更为关键。由于材料过剩，扭结区域中出现褶皱，如先前示例所示。如今消除褶皱的方法是切割凸缘，并将它们分成两个独立的凸缘，其间没有连续的纤维。
发明内容
本发明涉及一种由无褶皱的铺设的层压件形成预成型件的方法。
本发明的方法目的使得能够形成复杂的几何形状，而在那些具有以下特征的几何形状上没有褶皱：
·凸起凸缘的几何形状会导致形成凸缘中的材料过剩，从而导致常规形成方法中会导致形成凸缘中的材料过剩的褶皱和/或扭结。
·不能从三维(3D)几何形状发展的层压件的双曲率预成型件。
本发明的方法目的利用了中性轴线的概念。中性轴线是梁(抗弯构件)或沿其没有纵向应力或应变的轴的截面中的轴线。如果截面是对称的、各向同性的，并且在弯曲发生之前没有弯曲，则中性轴线位于几何形心。中性轴线一侧的所有纤维都处于拉伸状态，而另一侧的纤维处于压缩状态。
本发明的形成方法能够将中性轴线移位到凸缘下方。这样，该方法能够在整个腹板和凸缘的纤维处于张力下且不产生褶皱的情况下形成预成型件。
本发明的用于形成纤维复合材料预成型件的方法适用于预成型件，该预成型件包括腹板和至少一个凸缘、纵向轴线、和相对于所述纵向轴线的至少一个弯曲部分。
所述方法包括以下步骤：
·将层压件铺设到工具上，层压件包括纵向边缘和横向边缘。工具包括凸形部分，该凸形部分包括可以是平坦的表面和至少一个侧向壁。预成型件的腹板被配置成定位在凸形部分的表面上，而凸缘被配置成定位在凸形部分的侧向壁上。
·在所述凸形部分上形成所述预成型件。
·将所述层压件的横向边缘夹紧至所述工具，使得所述铺设好的层压件的腹板和凸缘保持在拉伸载荷下。
·使所述凸形部分相对于所述预成型件的纵向轴线弯曲，使得实现所述预成型件的弯曲部分。
要求保护的发明允许形成没有褶皱的复杂几何形状。
附图说明
为了完成描述并且为了更好地理解本发明，提供了附图。所述附图形成说明书的一体部分、并展示了本发明的优选实施例。这些附图包括以下图。
图1示出了定位在工具的实施例的凸形部分上的C形预成型件的示意性透视图。
图2示出了处于最终弯曲位置的图1的C形预成型件的示意性透视图。
图3示出了定位在处于夹紧位置的凸形部分上方的图1的C形预成型件的截面视图。
图4示出了工具的实施例的透视图。
图5至图9示出了在本发明的方法目的的实施例的后续步骤中图4的工具的截面视图。
图10示出了在该方法的最终弯曲步骤中图4的工具的透视图。
图11示出了处于两个位置的C形预成型件的示意性平面视图，在第一位置，预成型件没有弯曲，而在第二位置，预成型件围绕与凸缘的平面横向的轴线弯曲。
图12示出了处于两个位置的C形预成型件的示意性平面视图，再第一位置，预成型件没有弯曲，而在第二位置，预成型件围绕与腹板的平面横向的轴线弯曲。
具体实施方式
图1披露了C形预成型件。替代性地，也可以用本方法形成L形预成型件。尽管本发明提出的概念可以应用于除了C形或L形预成型件之外的飞行器部件的其他结构性零件，但是本说明书将集中于C形预成型件。
C形预成型件1定位在工具5上。层压件4包括纵向边缘4.1和横向边缘4.2。纵向边缘4.1是层压件4定位在其纵向边界中的并且包括C形的边缘。横向边缘4.2是层压件4的沿着凸缘3边界延伸的横向边界。
所示出的工具5包括凸形部分7，该凸形部分包括表面7.1和两个侧向壁7.2。预成型件1的腹板2定位在凸形部分7的表面7.1上，而凸缘3定位在凸形部分7的侧向壁7.2上。在所示出的实施例中，凸形部分7的表面7.1是平坦的，并且侧向壁7.2也是平坦的。
图2披露了具有弯曲部分2.1的图1的实施例的预成型件1。具体地，在图2披露的实施例中，弯曲部分2.1围绕与凸缘3的平面横向的轴线弯曲，使得预成型件1包括扭结。
图3披露了层压件4的横向边缘4.2的夹紧系统的实施例。具体地，凸缘3包括额外长度区域3.1，该额外长度区域抵靠凸形部分7被夹紧。在所示出的实施例中，这是藉由两个夹紧件10来实现的，这两个夹紧件沿着层压件4的横向边缘4.2延伸，并且将额外长度区域3.1压靠在凸形部分7上。铺设好的层压件4的腹板2和凸缘3由此保持在拉伸载荷下。
图11和图12披露了弯曲的预成型件1的两个实施例。图11披露了其中预成型件1围绕与腹板2的平面横向的轴线弯曲的实施例。它涉及弯曲的凸起几何形状，例如，框架。
在所示出的实施例中，凸形部分7包括第一部分7.3和相对于第一部分7.3的至少一个第二铰接的部分7.4，使得通过相对于第一部分7.3移动第二铰接的部分7.4来执行使凸形部分7弯曲的步骤。
第一部分7.3和第二铰接的部分7.4包括被配置成接纳铺设好的层压件的表面，在层压件4的铺设步骤期间，所述表面被定位成在纵向方向上在它们之间没有任何弯曲。
因此，在第一位置，铺设好的层压件4被层压，使得两个部分7.3、7.4的纵向轴线20形成直线。在该过程的最终步骤中，铰接的部分7.4相对于第一部分7.3移动，并且产生弯曲部分2.1。
图12披露了预成型件1的侧视图，该预成型件围绕与凸缘3的平面横向的轴线弯曲，使得在C形预成型件1中产生扭结。
同样地，第一部分7.3和第二铰接的部分7.4包括被配置成接纳铺设好的层压件的表面，在层压件4的铺设步骤期间，这些表面被定位成在纵向方向上在它们之间没有任何弯曲。
具体地，在第一位置，第一部分7.3和第二部分7.4的表面以齐平的方式定位。在该过程的最终步骤中，铰接的部分7.4相对于第一部分7.3移动，并且产生弯曲部分2.1。
图4至图10披露了工具5的另一个实施例。所述实施例除凸形部分7外还包括基座部分6，该基座部分包括可以是平坦的表面6.1。凸形部分7可相对于基座部分6移动。具体地，凸形部分7在与基座部分6的表面6.1垂直的方向上移位。具体地，凸形部分7定位在相对于一组柱13滑动的基板12之上。
根据图4至图10，将层压件1铺设到工具5上包括以下步骤：
·将层压件4铺设在基座部分6和凸形部分7的表面6.1，7.1上。另外，在图中所示的实施例中，所述表面6.1、7.1是平坦的。
·相对于基座部分6移动工具5的凸形部分7，使得凸缘3从铺设的层压件4模制到凸形部分7的侧向壁7.2中。
铺设好的层压件4是包括腹板2和凸缘3的平坦的层压件。
特别地，如图4中所披露的，凸形部分7包括第一部分7.3和相对于第一部分7.3的至少一个第二铰接的部分7.4。因此，通过相对于第一部分7.3移动第二铰接的部分7.4来执行使预成型件1弯曲的步骤。具体地，实施例中所示出的工具5包括两个铰接的部分7.4。
两个部分7.3、7.4相对于工具5的基座部分6是可移位的。
如在图5至图10中可以看到的，第一部分7.3和第二铰接的部分7.4两者均包括平坦的表面，这些平坦的表面被配置成在层压件4的铺设步骤期间接纳以齐平方式定位的铺设好的层压件，例如如在图5中可以看到的。
该实施例的形成过程通过包袋来执行。具体地，隔膜11定位在层压件4上，并且密封至工具5。隔膜11覆盖凸形部分7和基座部分6的表面7.1、6.1。工具5还能够改变隔膜11下的压力以形成预成型件。为此，工具5在致动时必须确保气密条件。
另外，工具5可以自加热，以便允许在真空条件下加热来实现粘合剂的激活。对温度敏感的装置或元件应正确隔离，以避免在加热期间损坏。
形成过程的其他替代性方案也是可能的，例如，通过工具对预成型件的腹板2和凸缘3施加压力，而不是通过包袋。
图6披露了凸形部分7相对于基座部分6升高的步骤。因此，隔膜11由于凸形部分7在隔膜11上的推动而被拉长。铺设好的层压件4的凸缘3然后沉积在凸形部分7的侧向壁7.2上。
图7表示形成步骤，其中隔膜11下的空气压力降低以形成预成型件1。因此，隔膜11以固定在凸形部分7上的方式被抽吸，并且形成层压件4。
在图8所示的步骤中，空气压力从形成预成型件1的压力升高，隔膜11被释放，然后，如在图9中可以看到的，凸形部分7降低。
层压件4的横向边缘4.2被夹紧至工具5，使得铺设好的层压件4的腹板2和凸缘3保持在拉伸载荷下。具体地，工具5包括夹紧件10，如在图9中可看到的。
纵向边缘4.1也可以在此阶段被夹紧，或替代性地，它们可以在形成步骤之前被夹紧，或它们在整个过程中不被夹紧。
最后，工具5的铰接的部分7.4相对于第一部分7.2移动，并且C形预成型件1被扭结。
铺设好的层压件4包括多个层。该方法可以包括在弯曲部分2.1的区域中沿与预成型件1的纵向轴线20横向的方向切割铺设好的层压件4的至少一个层的步骤。这被称为截切或层间切割。换言之，在一个点上完全或部分地切割层压件4的一层或多层，以允许单向纤维打开。以此方式，层之间的间隙被引入，尤其是在层压件的0方向上。
这些连续的切割层可以在弯曲预成型件1之前相邻放置，使得在弯曲预成型件1之后在它们之间存在间隙。替代性地，连续的切割层可以重叠，使得在弯曲预成型件1之后，它们之间没有间隙。在另一个实施例中，连续的切割层可以重叠，使得在弯曲预成型件1之后，两个相邻层之间有一定程度的重叠。
本发明的方法的优点在于，它允许包括截切以改善凸缘3的不连续性，从而避免张力和纤维断裂。

Claims (14)

1.一种用于形成纤维复合材料预成型件的方法，所述预成型件(1)包括腹板(2)和至少一个凸缘(3)、纵向轴线(20)和相对于其纵向轴线(20)的至少一个弯曲部分(2.1)，所述方法的特征在于，所述方法包括以下步骤：
·将层压件(4)铺设在工具(5)上，所述层压件(4)包括纵向边缘(4.1)和横向边缘(4.2)，并且所述工具(5)包括凸形部分(7)，所述凸形部分包括表面(7.1)和至少一个侧向壁(7.2)，所述预成型件(1)的腹板(2)被配置成定位在所述凸形部分(7)的表面(7.1)上，并且所述凸缘(3)被配置成定位在所述凸形部分(7)的侧向壁(7.2)上，
·在所述凸形部分(7)上形成所述预成型件(1)，
·将所述层压件(4)的横向边缘(4.2)夹紧至所述工具(5)，使得所述铺设好的层压件(4)的腹板(2)和凸缘(3)保持在拉伸载荷下，
·使所述凸形部分(7)的纵向部分相对于所述预成型件(1)的纵向轴线(20)弯曲，使得完成所述预成型件(1)的弯曲部分(2.1)。
2.根据权利要求1所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述工具(5)包括基座部分(6)，所述基座部分包括表面(6.1)，所述凸形部分(7)可相对于所述基座部分(6)在与所述基座部分(6)的表面(6.1)垂直的方向上移动，铺设层压件(1)的步骤包括以下步骤：
·在所述基座部分(6)和所述凸形部分(7)的表面(6.1，7.1)上铺设层压件(4)，
·相对于所述基座部分(6)移动所述凸形部分(7)，使得所述凸缘(3)定位在所述凸形部分(7)的侧向壁(7.2)中。
3.根据权利要求2所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，当所述层压件在所述基座部分(6)的表面(6.1)和所述凸形部分(7)的表面(7.1)上铺设好时，所述基座部分的表面和所述凸形部分的表面以齐平的方式定位。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述铺设好的层压件(4)是包括所述腹板(2)和所述凸缘(3)的平坦的层压件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述方法包括将所述层压件(4)的纵向边缘(4.1)夹紧至所述工具(5)的步骤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述预成型件(1)围绕与所述凸缘(3)的平面横向的轴线弯曲。
7.根据权利要求1或5所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述预成型件(1)围绕与所述腹板(2)的平面横向的轴线弯曲。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述凸形部分(7)包括第一部分(7.3)和相对于所述第一部分(7.3)的至少一个第二铰接的部分(7.4)，使得通过相对于所述第一部分(7.3)移动所述第二铰接的部分(7.4)来执行使所述凸形部分(7)弯曲的所述步骤。
9.根据权利要求8所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述第一部分(7.3)和所述第二铰接的部分(7.4)包括被配置成接纳所述铺设好的层压件的表面，在所述层压件(4)的所述铺设步骤期间，所述表面被定位成在所述纵向方向上在它们之间没有任何弯曲。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述铺设好的层压件(4)包括多个层，并且所述方法包括在所述弯曲部分(2.1)的区域中沿与所述预成型件(1)的纵向轴线(20)横向的方向切割所述铺设好的层压件(4)的至少一个层的步骤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述方法包括提供所述凸缘(3)的额外长度区域(3.1)和将所述额外长度区域(3.1)抵靠所述凸形部分(7)夹紧的步骤。
12.根据前述权利要求中任一项所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述形成过程通过包袋来执行。
13.根据权利要求12所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，所述形成所述预成型件(1)的步骤包括以下子步骤：
·在所述层压件(4)上提供隔膜(11)，
·将所述隔膜(11)抵靠所述工具(5)密封，
·降低所述隔膜(11)下的压力以形成所述预成型件(1)。
14.根据权利要求13所述的用于形成纤维复合材料预成型件的方法，其中，在所述形成步骤之后和夹紧所述横向边缘(4.2)之前，所述隔膜(11)下的压力从形成所述预成型件(1)的压力升高。
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