CN117774373A - 包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法 - Google Patents

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Abstract

包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，该方法包括铺叠取向为0°、90°或+/‑45°的复合丝束(5)的步骤，该复合丝束形成层片，该层片进而形成复合层压板，其中取向为0°并在开口的周界(10)内的至少每个丝束(5)包括：第一间隙(4)，位于距中心(3)的第一半长轴(9)的长度的大约3/5处，第一间隙(4)被配置为是纵向地垂直于丝束(5)的取向的第一细长间隙，以及第二间隙(7)，位于距中心(3)的第二半长轴(9)的长度的大约3/5处，第二间隙(7)被配置为是纵向地垂直于丝束(5)的取向的第二细长间隙。

Description

包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法
技术领域
本发明涉及一种包括诸如人孔(manhole)或手孔(handhole)的开口(opening)的复合飞行器部件，特别是碳纤维增强聚合物(carbon-fiber-reinforced polymer，CRFP)的铺叠(lay-up)方法。
背景技术
铺叠工艺是复合材料的成型工艺，其中通过重叠特定数量的不同层或层片(ply)来获得最终的层压板(laminate)。
每一层或层片具有0°，90°，+/-45°的取向，并且由若干丝束(tow)以0°，90°，+/-45°的取向铺叠而成。零度的纤维角度定向在部件的载荷方向上。
飞行器部件包括若干开口，用于执行检查任务、系统组装、维修等。开口是允许通过或进入的空间或缝隙。例如，人孔是飞行器表面上的开口，允许人员或设备通过以执行上述任务。手孔是飞行器表面上允许手通过的开口。因此，手孔比人孔小，仅允许手或小型检查设备通过。
NACA进口开口(inlets opening)也是已知的，它们是机翼或水平尾平面(horizontal tail plane，HTP)上的表面开口，用于安装NACA进口。
开口主要是卵形、椭圆形或圆形。开口包括周界(perimeter)、长轴、短轴、两轴相交的中心、远离中心的第一和第二半长轴以及第一和第二半短轴。
取向为0°的层和丝束平行于开口的长轴，取向为90°的层和丝束平行于开口的短轴。
目前，大多数具有开口、手孔或人孔的飞行器结构在它们的配置中都是由碳纤维增强聚合物(carbon-fiber-reinforced polymer，CFRP)制成的。复合材料可以用自动铺叠机(automatic lay-up machine，ATL)或纤维铺叠机(fibre lay-up machine，FLU)自动铺叠。
自动铺叠机(ATL)通常提供300mm、150mm或75mm宽的丝束，用于铺叠以制造复合层压板。丝束的宽度是丝束在与其纵向方向或铺叠方向垂直的方向上的尺寸。
纤维铺叠机(FLU)通常提供6.35mm(1/4”)、12.7mm(1/2”)或50.8mm(2”)的丝束。在2”(50.8mm)丝束的情况下，它有时被称为HDPreg(High deposition preimpregnate，高沉积预浸渍)。
通常情况下，“人孔”或“手孔”区域用额外材料或废料铺叠。这种额外材料或废料仅用于制造目的，因为它允许在固化过程中适应真空袋。因此，开口或周界的内部尺寸，例如直径，故意做得尺寸不足，并且在固化阶段之后，通常通过修整方法调整到其最终尺寸。众所周知，为了真空袋的贴合(fitting)，额外材料或废料具有斜坡(ramp)几何形状，其使人孔或手孔的轮廓变得平滑。
因此，在铺叠由碳纤维增强聚合物(CFRP)制成的具有“人孔”和/或“手孔”的部件时，“人孔”和/或“手孔”这些区域通过覆盖与最终几何形状有“偏差”或额外材料的区域来铺叠，并是斜坡的(ramped)以方便真空袋贴合。然而，斜坡区域中使用的材料是材料和金钱的额外成本。
替代地，人孔或手孔被整体铺叠，然后切割开口。
发明内容
为了避免对上述斜坡的需要，所要求保护的方法包括铺叠复合丝束的步骤，该复合丝束形成层片，这些层片形成复合层压板。
在所要求保护的发明中，取向为0°并且在开口周界内(即至少一部分在周界内)的至少每个丝束包括：
第一间隙，位于距中心的第一半长轴的长度的大约3/5处，该第一间隙被配置为是纵向地垂直于丝束的取向的第一细长间隙，以及
第二间隙，位于距中心的第二半长轴的长度的大约3/5处，该第二间隙被配置为是纵向地垂直于丝束的取向的第二细长间隙。
因此，距(例如人孔的椭圆形的或手孔的圆周半径的)中心的半长轴的大约3/5处有第一线和第二线。当取向为0°的每个丝束跨越这些线时，它包括间隙。
在一个实施例中，丝束的自动或手动铺叠将在所述第一线和第二线处中断，并在相应的间隙之后继续。切割和启动是在留有上述间隙的情况下进行的。然后丝束的张力被释放，有利于固化过程中适应真空袋。
替代地，如果铺叠是在专用铺叠工具，即没有固化目的的工具中进行的，则丝束被铺叠以形成层压板，然后在开口的第一线和第二线处执行切割铺叠的层压板的厚度，以在每个铺叠的丝束中形成第一间隙和第二间隙。
因此，如果工具仅用于铺叠而非固化，则可以将层压板铺叠至整个厚度，然后在指示层压板整个厚度的两个区域中进行切割，而不用担心损坏工具，其在该区域中可能有一些脊(ridge)。
如果没有现有技术中公开的斜坡，或者如果没有本发明公开的上述间隙，由于丝束的张力，真空袋将不能适合开口。如果丝束张力很高，真空袋就不能用真空压力使丝束弯曲。由于丝束的轮廓是不规则的，丝束之间可能有洞。尽管真空袋膜具有良好的延伸性，但不能适合这些孔，并且在固化时会破裂。
要求保护的发明相对于前面提到的现有技术具有以下优点：
-它允许移除斜坡区域，由于第一间隙和第二间隙实现了真空袋的适配。
-它通过减少铺叠所需的材料量，减少了材料浪费和环境影响。
-它最小化了所需的制造废料，即适当制造所要求的额外材料，因此它允许节省材料。
附图说明
为了完成说明书并提供对本发明的更好理解，提供了一组附图。所述附图形成了说明书的组成部分，并示出了本发明的优选实施例。附图包括以下附图。
图1示出了根据现有技术的具有废料或额外材料并包括斜坡区域的人孔的示意性平面图和横截面。
图2示出了根据本发明实施例的人孔实施例的示意性平面图。
具体实施方式
图1公开了根据现有技术的具有制造废料的包括斜坡区域的人孔的示意性平面图和横截面。示意性人孔包括：公开了人孔的中间尺寸的废料(11)和人孔最终尺寸的周界(10)。制造废料(11)包括具有斜坡(12)的区域，用于在复合层压板的固化过程中允许真空袋的定位。
图2公开了一种开口，包括周界(10)、长轴(1)、短轴(2)和中心(3)。还描述了半长轴(9)之一。
尽管所示的实施例公开了开口是椭圆形的，但是长轴(1)和短轴(2)可以具有相同的长度，使得开口是圆形的。
图2公开了取向为0°的丝束(5)。
根据本发明的一个实施例，被铺叠的丝束(5)包括纵向连续层压丝束(5)部分之间的第一间隙(4)和第二间隙(7)。第一间隙(4)位于距开口的中心(3)的第一半长轴(9)的大约3/5处的第一线(6)处。第二间隙(7)位于距开口的中心(3)的第二半长轴(9)的大约3/5处的第二线(8)处。
层压板的丝束(5)(至少是那些取向为0°的丝束(5))的第一间隙(4)和第二间隙(7)被配置为是位于开口的周界(10)内的并且纵向地垂直于丝束(5)的取向的第一细长间隙和第二细长间隙。在所示实施例中，取向为0°的丝束(5)平行于长轴(1)。优选地，第一间隙和第二间隙(4，7)不延伸超过开口的周界(10)。
在一个实施例中，该方法包括以下步骤：
-铺叠取向为0°的丝束(5)，直到距中心(3)的开口的第一半长轴(9)的大约3/5，
-在垂直于丝束(5)取向的方向上，在开口的第一半长轴(9)的大约3/5处切割铺叠的丝束(5)，
-留下第一间隙(4)并继续铺叠丝束(5)直到距中心(3)的开口的第二半长轴(9)的大约3/5，
-在垂直于丝束(5)取向的方向上，在开口的第二半长轴(9)的大约3/5处切割铺叠的丝束(5)，
-留下第二间隙(7)并继续铺叠丝束(5)，
-重复上述步骤，至少其余的丝束(5)取向为0°且位于开口的周界(10)内。
根据以上，取向为0°的丝束(5)应该全部被切割。在一个实施例中，取向为+/-45°的丝束(5)仅在层压板具有许多该取向的层时被切割。这是因为真空袋更容易适应取向为+/-45°的丝束(5)，即使它们没有被切割，因为它们在弯曲方向上的刚度较低。
因此，在一个实施例中，取向为+/-45°并且位于开口的周界(10)内的丝束(5)也可以包括第一间隙(4)和/或第二间隙(7)或者没有间隙，这取决于其在周界(10)内的位置和需要。
因此，取向为+/-45°的丝束(5)可以包括：
第一间隙(4)，位于距中心(3)的第一半长轴(9)的长度的大约3/5处。该第一间隙(4)被配置为是纵向地垂直于丝束(5)的取向的第一细长间隙，和/或
第二间隙(7)，位于距中心(3)的第二半长轴(9)的长度的大约3/5处。该第二间隙(7)被配置为是纵向地垂直于丝束(5)的取向的第二细长间隙。
上述实施例还可以包括以下步骤：
-铺叠取向为+/-45°的丝束(5)，
-如果丝束(5)跨越位于距中心(3)的开口的第一半长轴(9)的大约3/5处的第一线(6)，则在距中心(3)的开口的第一半长轴(9)的大约3/5处垂直于丝束(5)的取向切割铺叠的丝束(5)，
-留下第一间隙(4)并继续铺叠丝束(5)，
-如果丝束(5)跨越位于距中心(3)的开口的第二半长轴(9)的大约3/5处的第二线(8)，则在距中心(3)的开口的第二半长轴(9)的大约3/5处垂直于丝束(5)的取向切割铺叠的丝束(5)，
-留下第二间隙(7)并继续铺叠丝束(5)。
作为一个替代实施例，在第一步骤中，层压板的取向为0°、90°或+/-45°的丝束(5)被铺叠以形成层压板，并且在第二步骤中，在第一线(6)和第二线(8)处执行切割层压板的厚度，第一线(6)是大约开口的半长轴(9)的3/5，第二线(8)是大约开口的另一半长轴(9)的3/5。该切口被配置为是纵向地垂直于取向为0°的丝束(5)的第一细长间隙和第二细长间隙。它被理解为复合层压板的厚度，层压板的最小尺寸。
因此，丝束(5)在第一线(6)或第二线(8)处没有任何切割或中断的情况下被层压，并且随后通过切割层压板而形成间隙(4，7)。
如果铺叠工具与固化工具不同，该替代实施例特别有用。在这种情况下，可以在没有损坏固化工具风险的情况下进行切割。切割可以用吐丝机(laying head)的刀片进行，也可以手动进行。只有在固化过程中不存在损坏工具的风险时，才能对层压板进行全厚度切割。
在一个实施例中，第一间隙(4)和第二间隙(7)位于距中心(3)第一半长轴和第二半长轴(9)的长度的3/5+/-丝束(5)的宽度的范围内。因此，大约意味着间隙(4，7)位于半长轴(9)的3/5加上丝束(5)的宽度尺寸或者减去丝束(5)的宽度尺寸。
在所示的实施例中，间隙(4，7)垂直于铺叠的丝束(5)的纵向轴线，即垂直于取向为0°的丝束(5)的铺叠方向，该铺叠方向平行于主轴线(1)。以45°方向铺叠的丝束(5)垂直于其铺叠方向切割。
优选地，间隙(4，7)的宽度在1.5mm和2mm之间，即，间隙(4，7)的测量平行于开口(10)的长轴(1)进行。
所要求保护的发明适用于用宽于12.7mm的CFRP丝束(5)制造的且具有开口(10)的部件或层压板。丝束(5)的宽度垂直于它们的铺叠方向。这些飞行器部件的示例有机翼或水平尾平面(horizontal tail plane，HTP)。
必须考虑到，开口的几何形状的尺寸不是丝束(5)宽度的倍数，因此铺叠的开口的边缘具有不规则的几何形状。这些丝束(5)越宽，周界(10)越不规则(12.7mm的值标志着不规则的极限)，真空袋越难以适配。
此外，对于某些层，如果产生的间隙(4，7)在复合部件的飞行部分内部，即间隙(4，7)位于开口外部，则第一线(6)和第二线(8)的位置可以移动到与短轴(2)重合的仅一条线上。

Claims (10)

1.一种包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，所述开口包括周界(10)、长轴(1)、短轴(2)、中心(3)以及距所述中心(3)的第一半长轴(9)和第二半长轴(9)，所述铺叠方法包括以下步骤：铺叠取向为0°、90°或+/-45°的复合丝束(5)，所述复合丝束(5)形成层片，所述层片又形成复合层压板，所述丝束(5)具有与所述开口的所述长轴(1)平行的0°取向，所述方法的特征在于，取向为0°并且在所述开口的所述周界(10)内的至少每个丝束(5)包括：
第一间隙(4)，位于距所述中心(3)的所述第一半长轴(9)的长度的3/5处，所述第一间隙(4)被配置为是纵向地垂直于所述丝束(5)的取向的第一细长间隙，以及
第二间隙(7)，位于距所述中心(3)的所述第二半长轴(9)的长度的3/5处，所述第二间隙(7)被配置为是纵向地垂直于所述丝束(5)的取向的第二细长间隙。
2.根据权利要求1所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，所述方法包括以下步骤：
铺叠取向为0°的丝束(5)，直到距所述中心(3)的所述开口的所述第一半长轴(9)的3/5，
在所述开口的所述第一半长轴(9)的3/5处垂直于所述丝束(5)的取向切割铺叠的所述丝束(5)，
留下所述第一间隙(4)并继续铺叠所述丝束(5)直到距所述中心(3)的所述开口的所述第二半长轴(9)的3/5，
在所述开口的所述第二半长轴(9)的3/5处垂直于所述丝束(5)的取向切割铺叠的所述丝束(5)，
留下所述第二间隙(7)并继续铺叠所述丝束(5)，
重复上述步骤，至少其余的所述丝束(5)具有0°取向并位于所述开口的周界(10)内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，取向为+/-45°并且位于所述开口的周界(10)内的丝束(5)包括：
所述第一间隙(4)，位于距所述中心(3)的所述第一半长轴(9)的长度的3/5处，所述第一间隙(4)被配置为是纵向地垂直于所述丝束(5)的取向的第一细长间隙，和/或
所述第二间隙(7)，位于距所述中心(3)的所述第二半长轴(9)的长度的3/5处，所述第二间隙(7)被配置为是纵向地垂直于所述丝束(5)的取向的第二细长间隙。
4.根据权利要求2或3所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，所述方法包括以下步骤：
铺叠取向为+/-45°的丝束(5)，
如果所述丝束(5)跨越位于距所述中心(3)的所述开口的所述第一半长轴(9)的3/5处的第一线(6)，则在所述开口的所述第一半长轴(9)的3/5处垂直于所述丝束(5)的取向切割铺叠的所述丝束(5)，
留下所述第一间隙(4)并继续铺叠所述丝束(5)，
如果所述丝束(5)跨越位于距所述中心(3)的所述开口的所述第二半长轴(9)的3/5处的第二线(8)，则在距所述中心(3)的所述开口的所述第二半长轴(9)的3/5处垂直于所述丝束(5)的取向切割铺叠的所述丝束(5)，
留下所述第二间隙(7)并继续铺叠所述丝束(5)。
5.根据权利要求1所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，在第一步骤中，所述丝束(5)被铺叠以形成层压板，并且在第二步骤中，在距所述中心(3)的所述开口(10)的所述第一半长轴(9)和所述第二半长轴(9)的3/5处执行所述层压板的厚度的切割，以形成所述第一间隙(4)和所述第二间隙(7)作为纵向地垂直于取向为0°的所述丝束(5)的第一细长间隙和第二细长间隙。
6.根据前述权利要求中任一项所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，所述第一间隙(4)和所述第二间隙(7)位于距所述中心(3)的第一半长轴和第二半长轴(9)的长度的3/5+/-丝束(5)的宽度的范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，所述第一间隙(4)和所述第二间隙(7)在平行于所述丝束(5)的取向上的宽度在1.5mm和2mm之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的包括开口的复合材料飞行器部件的铺叠方法，其中，所述开口(10)的所述长轴(1)和所述短轴(2)具有相同的长度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，所述层压板的所述丝束(5)的宽度大于12.7mm。
10.根据前述权利要求中任一项所述的包括开口的复合飞行器部件的铺叠方法，其中，所述飞行器部件是机翼或水平尾平面HTP。
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