CN1665673B - 装配单件共同固化结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造复合结构的方法。所述方法使用框架和可加压模型。所述模型限定复合结构的内部元件，框架限定了复合结构的外部表面。复合材料围绕所述模型，所述模型和复合材料被设置在框架中。可选的模型然后被加压，复合材料被相互粘接在一起。并入多个加强件的单件共同固化机身也公开在本申请中。加强件被共同固化到机身避过那可以具有不同的图案。所述图案包括等格图案、正交格图案和环形格图案。

Description

装配单件共同固化结构的方法

技术领域

本发明涉及形成高级复合材料。具体而言，本发明涉及产生单件共同固化复合结构的方法。

背景技术

高级复合材料对金属、塑料和玻璃纤维是一种有希望的替代物。高级复合材料的优点是重量非常轻、强度高。尤其是碳环氧树脂复合材料是最有希望的高级复合材料之一。复合材料根据应用可以形成为多种外形。由于这些优点，复合材料被使用在不同的领域中，例如航空。

但是，复合材料也有许多缺点。复合材料比金属或者玻璃纤维贵好几倍。尽管复合材料具有所需的强度和重量特征，复合材料的价格经常让人望而却步。

此外，将复合材料形成为所需的结构需要复杂的装配装备和多种制造过程。例如，复合材料经常需要昂贵的框架和芯轴来形成简单的外形。经常地，这些框架必须气密以允许将真空设置在框架上以相对框架的内部偏压复合材料。此外，这些框架可能需要复杂的树脂注射系统以用树脂浸制复合材料。

此外，一旦复合材料被固化，多个固化复合结构的连接就是一个问题。现在，大多数复合结构通过装配多种固化复合截面来制造。所述截面典型地通过传统的紧固件(诸如螺栓和螺钉)来连接在一起。这需要在复合材料中形成不同的紧固件孔。复合材料中的每个孔削弱了复合材料中的纤维，这样弱化了所述材料。当前装配固化复合材料的其它方法是通过固化后粘合剂粘接。但是，粘合剂粘接和连接传统的紧固件需要耗时的装配步骤，这最终将价格昂贵。

用于装配复合结构的昂贵和复杂的步骤限制了复合材料的广泛使用。例如，在航空领域中，复合材料中的缺点限制了其广泛使用。在航空领域中，飞机的机身具有较高的强度和较轻的重量是理想的。轻重量机身提高了燃料的效率和减小了飞机的操作成本。复合材料的较高的强度减小了可能通过在多种飞行中对机身的压缩和减压所导致的机身的可能损坏。

但是，机身结构中复合材料所提供的优点不足以克服其缺点所带来的影响。例如，机身的较高的制造成本限制了对飞机的最初的购买，尽管它们在操作的寿命期间燃料成本较低。此外，装配不同截面的固化复合结构所需的多个紧固件可以减小通过复合材料提供的强度。另外的缺点是需要对航空应用中的单独的紧固件和粘接接头进行检测。这样的检测是耗时的并且进一步增加了制造机身的成本。

因此，现有技术中需要一种便宜的复合材料制造方法。现有领域中也需要能够共同固化复合材料的多种截面的装配方法。现有领域中还需要能够制造复杂复合结构的装配方法。也需要使用最小的紧固件和紧固件孔的装配方法。还需要消除固化后粘接步骤的方法。

现有领域中需要一种限制机身中的紧固件数目的机身。也需要可以用有限的装配过程装配的机身。需要重量轻的机身。也需要限制制造后和维护过程中的检测程度的机身。还需要低成本复合机身。这样的制造复合结构的机身和方法被公开在本发明中。

发明内容

本发明的装置和方法就现有技术中所存在的问题而研发，尤其响应现有技术中可获得的复合材料技术还不能解决的问题。这样，本发明的总体目的是提供一种制造复合结构便宜的方法并提供一种低成本的复合机身。

本发明提供一种制造复合结构的方法，包括：用一片复合材料基本包围可加压模型，其中所述模型具有被可变形薄膜所围绕的可收缩泡沫芯部；将所述可加压模型和复合材料放入框架中，其中所述框架具有至少一个成形表面；对可加压模型进行加压，这样复合材料挤压成形表面；以及固化所述复合材料。

本发明还提供一种制造复合机身的方法，包括：提供机身模型，其中所述模型具有多个强化件通道；将复合强化件材料设置在所述强化件通道中；用复合材料围绕机身模型；基本将机身模型包围在具有至少一个成形表面的框架中；以及固化所述复合材料。

用于制造复合结构的方法包括：提供多个模型和一个框架。一个模型具有通过薄膜围绕的泡沫芯部，在其上可选的模型是可加压的。所述框架通常是具有至少一个成形表面的刚性结构。所述模型和框架协作以限定复合结构，复合结构在固化时保持所需的外形。

复合材料的截面可以位于可选的模型之间，至少一片复合材料被围绕模型设置以产生复合结构的外部。复合材料和模型然后被包围在框架中。可选模型然后被加压以相对相邻的模型和相对成形表面偏压复合材料。

所述模型可以包括泡沫芯部和薄膜。泡沫芯部被插入到薄膜中薄膜被密封以允许对模型进行加压。泡沫芯部被构造以在第一温度结构稳定并在第二温度收缩。气源可以流体连接到所述模型以对所述模型加压。在一个实施例中，所述模型通过位于泡沫芯部中的管施加压力并通过薄膜来延伸。可选地，气体产生器可以位于所述模型之内。

复合材料可以通过首先将复合材料设置到成形表面之上而粘接到成形表面。真空层和几个中间层可以设置在复合材料之上，真空层之下的空气被排出。空气的排出将导致大气压力施加到复合材料上以将复合材料粘接到成形表面。

复合材料可以用树脂预先浸制，复合材料稍微较粘，以允许粘接到成形表面和所述模型。此外，复合材料可以在多个温度固化，可加压的模型可以在多个压力充气。

本发明也包括一种单件共同固化机身。机身包括具有内部和外部的结构，多个加强件位于机身的内部。加强件被共同固化到机身。加强件可以具有不同的图案，诸如等格(iso-grid)图案、正交格(ortho-grid)图案或者环形格(hoop-grid)图案。

单件共同固化机身可以以与上述相似的步骤进行制造。通过薄膜覆盖的泡沫芯部可以被用于产生机身模型可加压模型。然后所述模型被多个限定机身的内表面的网膜片覆盖。网膜片通常是具有不同轮廓和通道的刚性成形部件。在一个实施例中，网膜片具有限定位于机身的内部上的加强件个多个通道。然后，复合材料被设置到通道中并围绕网膜片。复合材料紧接设置在框架中以限定机身的外表面。复合材料最后固化，所述模型和网膜片被移除。

本发明的这些和其它特征将在下面的说明中而详细了解到。

附图说明

为了更加清楚说明本发明的特征和优点，下面将参照附图对本发明进行详细说明。但是本发明不限于所显示的实施例，其中：

图1是根据所公开的方法所装配的复合结构的分解装配视图；

图2是可加压模型的分解装配视图；

图3是用于限定复合结构的内表面的装配方法的分解透视图；

图4是用于将复合材料粘接到成形表面的方法的分解装配视图；

图5是单件共同固化机身的横截面视图；

图6是使用于形成单件共同固化机身的部件的分解装配视图；

图7是加强件装配方法的透视图。

具体实施方式

下面将参照图1-7来说明本发明的优选的实施例，其中相似的附图标记指示相同或者功能相似的部件。如图中所示，本发明具有多种不同的结构。这样，下述本发明的更详细的说明不是为了限制本发明的范围，而只是代表本发明的优选实施例。

总之，本发明的一方面是用于制造单件共同固化复合结构的方法。所述复合结构通过从未固化复合材料产生复合结构的外形而制造，复合材料的不同截面与复合材料的相邻截面相重叠。通过重叠多个复合材料的单件截面，复合材料的各个截面共同固化为单件复合结构。

未固化复合材料的外形可以通过多个能够以不同尺寸和形状产生的外形来限定。未固化复合材料可以位于所述模型之上或者所述模型之间，以限定复合结构的不同的内部元件以及复合结构的外部表面的部分。所述模型可以包括通过薄膜围绕的泡沫芯部。泡沫芯部可以制成不同的外形并可以被构造为在复合材料固化后可以收缩，以允许所述模型可以很容易从固化的复合结构移除。可选的模型可以被加压以相对相邻的模型和各种成形表面偏压复合材料。

一旦复合材料以所需的外形被设置在所选模型之间或者其上，复合材料和所述模型可以被设置在框架中。所述框架具有成形表面以限定复合结构的外表面。在复合材料和所述模型被限定在框架中之后，一些模型可以被加压以相对相邻的模型和相对框架的成形表面偏压所述复合材料。可加压模型导致复合材料符合成形表面的形状和所述模型的形状。

尽管所述模型被加压，复合材料在不同的温度固化。在所选的温度上，所述模型的泡沫芯部将大致收缩以允许所述模型很容易从复合结构的内部被移除。在固化过程之后，所述框架打开，剩余的所述模型被移除。被固化的复合材料在固化的过程中将保持通过所述模型和成形表面所限定的形状。

尽管复合成形过程如上大致进行了说明，下面将对本发明进行更详细的说明。现在将参照图1，说明了用于产生复合结构的方法的实施例的分解装配图。所示的方法是可以使用本发明的方法来产生的普通复合结构的简单示例并且只是出于说明的目的。必须理解，具有不同的特征的多种复合结构可以通过本方法来产生。

制造复合结构的方法可以利用多个框架112、116和多个模型120a、120b、120c、120d来制造不同的复合结构。使用框架112、116和所述模型120允许复合材料124、128、130、132被可选地设置并固化为所需的形状。

固化的复合结构的形状将根据使用在本方法中的框架112、116和多个模型120a、120b、120c、120d的形状和类型来限定。由于在本过程中使用的框架112、116和多个模型120a、120b、120c、120d依赖于复合结构的设计，图1只是显示了可以使用在装配一个普通复合结构中的步骤和技术。但是，通过变化框架112、116和多个模型120a、120b、120c、120d以及变化图1中的步骤，多个其它的复合结构也可以使用此过程来制造。

普通复合结构的分解装配图被显示在图1中。复合结构的外部是在所述盒的任一侧(装配的盒未示出)上具有开口段的细长矩形盒。所述盒的内部包括将盒分为四个相同尺寸的腔的垂直壁128a、128b和水平壁130a、130b。水平壁130a、130b通常是扁平的，并且垂直壁128a、128b通常是波状，正弦曲线形状波形形成在固化的复合材料中。

复合结构的内部可以用复合材料128a、128b、130a、130b的不同部分或者片产生。复合材料128a、128b、130a、130b可以通过将所述片的两端朝向彼此折叠而形成为C形部分。但是，使用C形部分将依赖于独立的复合结构。复合材料128a、128b、130a、130b的C形部分具有通常较宽的壁部分135a、135b和可连接凸缘部分136a、136b。C形部分128a、128b、130a、130b的壁部分135a、135b允许表面或者其它结构被限定，例如通道或者支撑件。

复合材料128a、128b、130a、130b的C形部分的凸缘部分136a、136b提供了用于将壁部分135a、135b连接到其它相邻结构的位置。例如，形成波状的垂直壁的复合材料128a、128b具有壁部分135a和凸缘部分136a。壁部分135a形成波状壁，凸缘部分136a将波状壁连接到复合结构的外表面的复合材料124a、124b。

相似地，水平壁复合材料130a、130b也可以是具有壁部分135b和凸缘部分136b的C形部分。壁部分135b限定了水平壁，凸缘部分136b将水平壁的复合材料130a、130b连接到外部复合材料124a、124b。这样，通过具有壁部分135a、135b和凸缘部分136a、136b的复合材料128a、128b、130a、130b的一系列C形部分，多片复合材料124、128、130、132可以连接并共同固化在一起。

此外，复合材料的两个C形部分，例如图1中所示的复合材料128a、128b、130a、130b的片，可以背对背设置以形成I形部分或者I-梁。由于I-梁在弯曲和扭转中较高的强度，I-梁对不同的复合结构是理想的。本方法的优点是从两片复合材料124、128、130、132用最小的装配步骤形成I-梁支撑结构。

I-梁可以通过将两个C形部分的复合材料128a、128b、130a、130b背靠背设置而产生，如图1中所示。C形部分128a、128b、130a、130b可以在包围到模型120a、120b、120c、120d之前而背靠背设置。可选的，C形部分128a、128b、130a、130b可以在通过以背靠背结构对齐对应的模型120a、120b和120c、120d而缠绕到模型120a-d之后背靠背对齐。

例如，限定波形垂直壁的复合材料128a、128b的C形部分可以设置在模型120a、120b、120c、120d的波形侧面134上。凸缘部分136a、136b然后折叠到模型120a、120b、120c、120d上的扁平侧面133的顶部和底部上。一旦复合材料128a、128b、130a、130b部分被设置到模型120a、120b、120c、120d上，两组模型120a-d可以被设置，这样C形部分128a、128b背靠背，例如图1中的两个下部模型120c、120d所示。

限定水平壁的复合材料130a、130b的C形部分可以相似地连接在一起。复合材料130a、130b的各片可以包围一组模型120a、120b和120c、120d。通过围绕一组模型120a、120b和120c、120d而包围一片复合材料130a、130b，复合材料130a、130b可以很容易地连接到I-形复合材料128a、128b。

一旦复合材料130a、130b的片围绕模型120a、120b和120c、120d，上部模型120a、120b可以设置在下部模型120c、120d上。通过将上部模型120a、120b设置在下部模型120c、120d上，形成普通复合结构的水平壁的复合材料130a、130b的C形部分被背靠背设置并形成I-梁。

此外，各种复合材料盖132可以被用于强化复合材料128a、128b和1 30a、1 30b的两个C形部分的交叉部分。例如，图1中所示的复合材料盖132被设置在复合材料128a、128b和130a、130b的两个C形部分的交叉部分的顶部上。复合材料盖132强化了C形部分128a、128b和130a、130b的连接并可以填充形成I形状部分的复合片的关节中所出现的间隙或者凹陷。复合材料盖132可以使用不同的其它相交位置或者可选地可以使用需要增加强度的区域。

一旦模型120a、120b、120c、120d被设置在一起，所述模型120a、120b、120c、120d可以设置在框架112、116中。在一个实施例中，模型120a、120b、120c、120d被设置在下部模型120中，在下外部复合材料124b的顶部上。上外部复合材料124a和下外部复合材料124b被构造以形成普通复合结构的矩形盒的外部。在模型120a、120b、120c、120d和形成复合结构的内部的复合材料128，130，132被设置在下外部复合材料124b之上，上部框架被设置在下部框架116之上。上部框架112可以具有覆盖模型120a、120b、120c、120d和复合材料128，130，132的上外部复合材料124a。

同时，模型120a、120b、120c、120d可以首先装配，然后设置在下部框架112中，模型120a、120b、120c、120d和复合材料128，130，132也可以直接设置在下部框架112上。在下部框架116上设置不同的模型可以移动较大的外形部件装配的更加容易。这样，下部框架116可以用作装配台。

此外，除了图1中所示之外，外部复合材料124a、124b 可以具有几个变化。例如，外部复合材料124a、124b可以是较大的单件复合材料。单件复合材料可以设置在下部框架112上，然后包围模型120a、120b、120c、120d，一旦模型120a、120b、120c、120d被设置到下部框架112上。

可选地，外部复合材料124a、124b可以具有在框架112、116之上延伸的部分。在框架112、116之上延伸的复合材料部分可以与设置在相对的框架112、116之上的外部复合材料124a、124b重叠。这样的延伸复合材料部分可以产生重叠以使得不同的复合材料部分之间的接缝稳固。

在另外的变化中，外部复合材料124a、124b可以包括复合材料的多个更小的部分。复合材料的多个更小的部分可以设置在一起以形成通常较大的复合材料片。相似地，使用在复合结构内部元件中的复合材料128、130、132也可以包括复合材料多个更小的部分。

一旦复合材料124、128、130、132和模型120a、120b、120c、120d被设置在框架112、116内，所选的模型120a、120b、120c、120d被设置在框架112、116内，可选的模型120a、120b、120c、120d可以被加压。可选的模型120a、120b、120c、120d的加压相对相邻的模型120a、120b、120c、120d和相对框架112、116的成形表面138、140偏压复合材料124、128、130、132。偏压力通过可选的模型120a、120b、120c、120d加压和膨胀而产生。膨胀的模型120a、120b、120c、120d通过相对不同的模型120a、120b、120c、120d和相对框架112、116压缩复合材料而对复合材料124、128、130、132成形。膨胀的模型120a、120b、120c、120d相对成形表面138、140对复合材料124、128、130、132施力，这样复合材料与成形表面138、140相符合。

在一个实施例中，可加压模型120a、120b、120c、120d被充气到大约30psi和大约70psi之间的压力。但是，模型120a、120b、120c、120d中的压力是被使用的模型120a、120b、120c、120d类型和复合材料124、128、130、132的类型的函数。通常模型120a、120b、120c、120d内更高的压力将更好地将复合材料124、128、130、132压在一起并消除复合材料内的气穴。这样，将模型120a、120b、120c、120d显著加压到70psi之上也是有利的。此外，特定的方法可以只需要在低于30psi的模型120a、120b、120c、120d内最小的压力。

此外，使用预先用树脂浸制的复合材料124、128、130、132是有利的。在复合材料124、128、130、132围绕模型120a、120b、120c、120d设置并放入到框架112、116中之后，预先浸制的复合材料124、128、130、132具有不需要额外的树脂浸制工艺的优点。预先浸制的复合材料也可以较粘，允许复合材料124、128、130、132被粘接到模型120和框架112、116。这样，一旦复合材料124、128、130、132包围模型120a、120b、120c、120d并设置在框架112、116内，其就可以固化。

大量的树脂可以用来产生复合结构。普通技术人员将认识到多种环氧树脂和硬化剂可以被使用。酚醛塑料和双酚是可以使用的树脂材料之一。此外，不同的固化时间和温度可以被使用在此过程中。在一些实施例中，固化时间可以从一个小时变化到十个小时。其它的过程可以具有更长或者更短的固化时间。固化温度也可以变化。酚醛塑料和双酚可以在200°F到400°F之间范围的温度上固化。再次地，可以使用任何数目的温度范围。

复合材料124、128、130、132可以在不同的温度上用于不同时间固化。复合材料124、128、130、132的固化温度和时间将依赖于复合材料的类型和所使用的树脂的类型。但是，复合材料124、128、130、132经常在为不同的时间周期的多种不同温度设置固化。一旦复合材料124、128、130、132被固化，框架112、116可以被打开，复合结构可以被移除。模型120a、120b、120c、120d或者剩余的模型120a、120b、120c、120d然后可以被移除，这要依赖于所使用的模型120a、120b、120c、120d的类型。

不同类型的模型120a、120b、120c、120d可以使用在本过程中。参照图2，一种类型的外形可以包括可加压模型210，所述可加压模型包括通过薄膜216所包围的泡沫芯部212。泡沫芯部212提供通常刚性结构来控制设置在模型210上的复合材料的形状。

泡沫芯部212也提供了从固化复合材料容易移除的优点。例如，一种类型的泡沫芯部212可以在第一温度保持稳定并在第二温度收缩。这样的泡沫芯部限定了复合材料的形状，同时所述材料被固化然后收缩以允许模型210一旦在复合材料固化时被移除。

泡沫芯部212可以被由诸如硅的弹性材料或者其它相似的材料所形成的薄膜216所覆盖。薄膜216可以基本覆盖泡沫薄膜212并允许对模型210加压。图2显示了具有可加压薄膜216的一种类型的模型210的分解装配视图。

模型210可以通过提供具有可选的形状和尺寸的泡沫芯部212来产生。图2中所示的泡沫芯部212基本是细长且矩形的。但是，泡沫芯部212依赖于各个应用可以是的任何形状。例如，波形复合壁结构将利用在一侧上具有波形泡沫表面的泡沫芯部212。

薄膜216通过首先拉开薄膜216而设置在泡沫芯部212上。为了拉开薄膜216，薄膜216被设置在刚性通道220中，薄膜216的两端围绕刚性通道220的端部被拉动。真空装置224然后在薄膜216上被拉动以排出通道220的内部和薄膜216之间的空气。当空气被排空，薄膜216将打开以允许插入泡沫芯部212。一旦泡沫芯部212被插入到薄膜216中，真空被释放，薄膜216的端部可以拉离刚性通道220的端部，允许薄膜216基本围绕泡沫芯部212。

薄膜216的端部可以不同的方式来密封。例如，如图2所示的模型210可以利用真空板228和垫板232以围绕泡沫芯部212密封薄膜216。在薄膜216被设置在泡沫芯部212上之前，真空板228可以相对泡沫芯部212设置。当薄膜216围绕泡沫芯部212设置，真空板228将设置在薄膜216和泡沫芯部212末端之间。

垫板232然后可以连接到真空板228，在板228和232之间夹持薄膜216。当板228、232被紧固在一起，薄膜216的端部被密封。围绕薄膜216的密封件允许模型210可加压并部分可膨胀。

但是，薄膜216的端部的其它密封方法也是可能的。例如，与薄膜216相似的弹性材料可以设置在泡沫芯部212的端部之上以密封薄膜216。可选的，薄膜216可以只具有一个开口端(与包相似)，这样只有一个端部必须被密封。用于密封薄膜216的其它系统也是可能的，并对普通技术人员是公知的。

薄膜216为模型210提供了几个功能。薄膜216的一个功能是允许外形可加压。薄膜216容纳来自压力源236的空气或者气体并可以通过入口管240或者其它相似的输入机构进入薄膜216。入口管240通常允许高压空气进入到泡沫芯部212中，然后空气渗透到泡沫芯部212并对薄膜216施压。

此外，模型210可以并入使薄膜216膨胀的各种方法。例如，气体产生器可以位于泡沫芯部212中。当泡沫芯部212被加热时，气体产生器反应并产生膨胀气体。这样的结构允许模型210在不需要入口管240或者从模型210突起的其它物体时加压。

薄膜216内的压力可以根据薄膜216的弹性特征使模型210膨胀。薄膜216的膨胀允许可加压模型210在相邻的复合材料上施加向外的弹性偏压力。向外的偏压力导致复合材料与通过模型120a、120b、120c、120d、210和框架112、116所限定的形状相一致。

可加压模型210也减小了不同的复合材料层之间的空穴的数目。典型地，复合结构由多层复合材料制造。在多层复合结构中，通常优选地复合材料中的空穴或者气穴的数目被最小化。为了实现此目的，可加压模型210将力施加到多层复合材料上，将所述层压在一起。当复合材料层被压在一起，气穴被排出，空穴被填充。

使所述模型膨胀或受压所需压力根据薄膜216的材料和复合材料的厚度而变化。越厚的复合材料和刚性越大的薄膜216将需要更大的压力以将复合材料压为所需的形状并在所述形状固化时保持所述材料的形状。

但是，本方法可以并入非可加压模型(未示出)。非可加压模型可以与可加压模型相似的方式产生。非可加压模型可以包括通过薄膜216所围绕的泡沫芯部212。但是，模型将不接收输入到薄膜中的压力气体。

非可加压模型可以与可加压模型210关联使用以对未固化复合材料进行成形。如前所述，复合材料通过在两个可加压模型210之间压缩复合材料为所需的形状来成形。但是，相似的成形功能可以通过一个可加压模型210相对非可加压模型偏压来将压缩力施加到复合材料上来实现。可加压模型210可以相对非可加压模型偏压复合材料以成形复合材料。这样，需要对模型210加压的系统的模型210数目可以减小。

薄膜216的另外的功能是在复合材料和泡沫芯部212之间提供阻挡物。在固化的过程中，泡沫芯部212部分可以植入复合材料的固化树脂中，产生空穴和不利的污染。但是，薄膜216的使用防止树脂直接与泡沫芯部212相接触。这样，泡沫芯部212可以完全从复合结构移除，不会将剩余的泡沫芯部212植入复合材料中。

薄膜216的另外的功能是在装配的过程中保护泡沫芯部212不受到损坏。泡沫的边缘容易受到损坏以通过与气体物体的最小接触而产生所不需要的形状凹陷。通过将用薄膜216覆盖泡沫芯部212，泡沫芯部212的形状的整体性可得以保持。为了保护泡沫芯部212，薄膜216的厚度足以将更小的局部力分散在将宽的区域上，这样消除了损坏泡沫芯部212的小局部力的可能性。

可加压模型也允许一定程度的模型210的尺寸的公差。缠绕或者编织多层复合材料层可以产生具有变化厚度的区域的复合材料并导致较低的公差。同样，泡沫芯部212和环绕的薄膜216将也具有较低的公差，尤其是在复杂的外形中。为了补偿较低的公差，可加压模型210膨胀以填充相邻模型210和框架112、116之间的空间。

可加压模型210的尺寸和形状将依赖于复合结构的类型和复合结构的内部元件。例如，如图1所示的可加压模型120a、120b、120c、120d每个具有波形的侧面以在固化的波形壁中成形复合材料128a、128b。通常模型120a、120b、120c、120d，210可以具有任何数目的多边形或者曲线形状。此外，模型210的形状可以对应框架112、116的形状。通过选择具有形状对应框架112、116的形状，可以产生较薄的外表面。

此外，其它不具有泡沫芯部212的模型210可以使用在制造过程中。例如，模型210可以是不具有芯部的可膨胀囊。所述囊可以由通常较厚且在膨胀过程中变硬的非弹性材料所制造。所述囊可以是任何的形状以相对模型210或者相对不同的成形表面138、140在复合材料上提供偏压力。可选地，模型210可以是通常较硬的结构，所述结构不能膨胀，诸如金属通道。

与模型120a、120b、120c、120d相似，本方法可以并入不同的框架112、1 1 6以产生不同的复合结构。例如，框架112、116可以被使用，所述框架通常是具有成形表面138、140的刚性结构。图1的框架112、116具有成形表面138、140，所述成形表面包括三个通常扁平的表面，所述表面限定矩形成形通道。成形表面138、140被构造以限定合成结构的外部表面。在复合材料被固化时，复合结构的外表面通过相对成形表面138、140偏压的复合材料124所限定。

根据复合结构的设计，成形表面138、140可以是任何形状。例如，成形表面138、140可以具有不同的曲线或者圆形形状以限定相似的形状的复合结构的外表面。可选地，成形表面138、140可以包括直的或者圆形形状的组合。不同的通道、突起、安装件、或者任何数目的正或者负形状可以通过成形表面138、140来产生。

此外，成形表面138、140的表面光洁度可以被选择，这样表面光洁度在复合材料124固化时被施加到复合材料124。当复合材料偏压成形表面138、140时，成形表面138、140的表面光洁度被施加到复合材料124。当复合材料124偏压成形表面138、140，复合材料124的纤维将基本与成形表面138、140相一致。此外，当复合材料124中的树脂挤压成形表面138、140，树脂相对成形表面138、140流动，成形表面的表面光洁度被传输到固化的复合材料。

将成形表面138、140的表面光洁度传输到固化的复合材料124的能力允许不同的固化后过程被消除。例如，当制造复合机身或者翼时，其对表面光洁度基本光滑是有利的，以减小飞机上的阻碍。通过使用基本具有光滑成形表面138、140的框架112、116，可以消除施加多层漆或者密封件。可选地，成形表面138、140可以具有基本粗糙的表面光洁度以产生用于粘接连接的位置。

成形表面138、140也可以包括用于将被固化的复合和非复合物体定位到复合材料124的凹陷(未示出)。所述物体可以被设置在凹陷中，未固化复合材料124可以设置在物体的顶部上。当复合材料124固化，物体将共同固化为复合材料。

框架112、116也可以包括通常刚性的结构以支撑非结构成形表面138、140。刚性结构支撑可以被提供以防止在可加压模型210a-d的膨胀的过程中成形表面138、140的弯曲和移动。框架112、116的支撑结构144可以包括多个实施例。例如，支撑结构144可以包括围绕成形表面138、140的不同的中空梁部件以防止弯曲，如图1所示。可选地，支撑结构144可以是防止弯曲的基本较厚的成形表面138、140。通常，框架112、116的结构可以是支撑成形表面138、140的任何结构。

框架112、116由任何合适的刚性材料(例如金属、复合材料、塑料等)所制造。但是，所述材料优选地重量较轻以允许很容易传输和移动。框架112、116也可以枢转连接，这样上框架112可以枢转到下框架116以闭合框架112、116。

框架112、116也包括包围框架112、116的端板(未示出)。端板也可以包括成形表面以在固化的过程中限定复合材料的形状。端板可以简单地包括栓接或者其它方式紧固到框架112、116的侧面的金属板。端板也可以包括不同的开口以容纳入口管240或者其它相似的膨胀机构。

此外，任何数目的框架112、116可以并入到本系统中。三个或者多个框架112、116可以被用于限定复合结构的表面。但是，多个框架112、116可能需要复杂的连接系统并增加装配时间。

在另外的实施例中，两个框架112、116可以一起连接以产生单个封闭的框架112、116。封闭的框架112、116可以具有开口以允许接纳复合材料124、128、130、132和模型120a、120b、120c、120d。复合材料124、128、130、132围绕模型120a、120b、120c、120d，然后插入到框架112、116的开口中。模型120a、120b、120c、120d然后被加压以相对框架112、116的成形表面138、140偏压复合材料124、128、130、132，复合材料124、128、130、132被固化。

在另外的变化中，所述方法可以包括在框架的外表面上的成形表面。现在参照图3，显示了并入具有外部成形表面256的框架252的装配过程的侧视图。图3所示的框架252基本是矩形的并具有四个外成形表面256。但是，框架252和成形表面256可以具有不同的形状。外成形表面256允许限定复合结构的内部形状。复合材料260围绕成形表面256和框架252，与成形表面相接触的复合材料260限定复合结构的内部的形状。

然后可加压模型264围绕复合材料260和框架252放置以相对复合材料260施加偏压力以形成复合结构。模型264可以通过模型264中的空气输入开口268加压。当模型264加压时，复合材料260偏压成形表面256。

装配过程可以需要外框架272，在所述外框架272上模型264可以起作用以将偏压力施加到复合材料260上。外框架272允许外框架272上的反作用力传输到作用在复合材料260上的压缩力。在没有外框架272的情况下，模型264可以从复合材料260膨胀离开，而不在复合材料260上施加偏压力。通过这样的方法，复合结构的内表面可以被限定。

本方法也可以包括将复合材料均匀粘接到成形表面138、140和模型120a、120b、120c、120d的步骤。现在参照图4，显示了将复合材料310均匀粘接到成形表面312的分解装配视图。

首先，复合材料310被设置在框架316的成形表面312上。复合材料310可以复合材料310通常较大的片或者可以由复合材料310多个较小的片所形成。一旦复合材料310被设置在成形表面312上，释放层320被设置在复合材料310上。释放层320可以是薄塑料材料，所述材料在固化和未固化状态中不容易粘接到复合材料310。释放层320在复合材料310和其它所使用的材料之间提供了阻挡物。

接着，可断开层324被设置在释放部件320上。可断开层324可以是塑料材料，具有允许空气通过可断开层324的多个孔328。然后，力分布层332被设置在可断开层324之上。力分布层332可以通常是较厚的材料以允许压缩力在复合材料310之上广泛分布。力分布层332也是优选可断开的。

最后，真空层336被放置在力分布层332上。真空层336具有至少一个真空端口340。真空层336基本覆盖和密封前面所设置的层310、320、324、332。一旦真空层336被密封，真空层336之下的空气通过真空端口340被排出。空气可以围绕释放层320通过可断开层324和力分布层332从复合材料310逃逸。

当空气被排空，大气压被施加到复合材料310上。相对框架316的成形表面312偏压复合材料的大气压力消除了复合材料310和成形表面312之间的气穴并提高了粘接性。一旦复合材料310被均匀地粘接到成形表面312，真空层336、力分布层332、可断开层324和释放层320被移除。

相似的过程可以被用于将复合材料施加到模型210。但是，所述过程可以使用两个单独的释放层320。首先，薄膜216缠绕在第一释放层320中。然后，一层复合材料310围绕模型210和释放层320。第二释放层320然后围绕复合材料310。接着，可断开层324、力分布层332、和真空层336围绕所述模型210。真空层336内的空气被排出以相对模型210对复合材料310施力。最后，真空层336、力分布层332、可断开层324、第二释放层320从模型210被移除。

上述的方法提供了便宜和有效的过程来将多个复合材料部分共同固化在一起。共同固化允许多个独立的复合材料部分在不需要固定器和粘接剂的情况下连接。消除了需要紧固件和粘接剂减小了装配时间并减小了连接位置的耗时检测。

通过共同固化大的复合结构而受益的一个领域是航空和航天领域。航空和航天应用在许多应用中依赖于轻重量/高强度材料，使得复合材料是一个理想的选项。同样，消除需要在原先的航空和航天中的大量的紧固件增加了强度和减小了成本。这样，单件共同固化复合航空和航天结构是理想的。

现在参照图5，单件共同固化机身410可以使用上述的方法制造。单件共同固化机身410具有将轻重量复合材料和最小的装配时间和最少的紧固件相结合的优点。

单件共同固化机身410可以具有机身壳体412和多个强化件416。机身壳体412可以包括几层复合材料。复合材料的层数和厚度可以在整个机身410上变化。例如，诸如靠近发动机支座需要增加的刚度和强度的区域可以具有比需要更小的刚度和强度的区域具有更多复合材料层。

多个强化件416可以沿着机身壳体412的内部设置。强化件416可以是共同固化到机身壳体412内部的复合材料。强化件416可以是一部分突起在机身壳体412的内表面之上的复合材料。强化件416的横截面形状可以根据应用而变化。例如，强化件416可以具有基本弧形的横截面。其它的强化件416可以具有方形或者三角形横截面。但是其它的强化件416可以包括变化的横截面或者不同的横截面以允许对机身410设置不同的内部结构。同样，具有通常圆形的横截面形状的强化件416来防止在较尖的拐角上的应力梯级。

强化件416也能够在机身壳体412的内部上具有不同的取向。图5所示的强化件416处于均匀格取向中。均匀格强化件416相对机身410的水平轴线420具有不同的取向，在机身上，强化件416取向为相对和相交的方向。其它的强化件416结构可以包括正交格(ortho-grid)结构和环形格(hoop-grid)结构。正交格结构可以具有多组在基本相互垂直取向中取向的强化件416。环形格结构可以具有沿着机身410长度设置的环向形状强化件。但是，任何数目取向的强化件416可以被并入到本机身410中。

此外，强化件416可以围绕机身410中的不同的开口以提供强化和安装功能。例如，如图5中所示，强化件416可以围绕窗口424的周长和围绕机身410的门428的周长设置。强化件416在由于用于窗口424和门428的开口所弱化的区域提供增强强度和刚度的位置。

强化件416也可以被用于产生门428或者设置在机身410中的窗口424的安装位置。强化件416可以包括变厚的位置以允许连接紧固件或者形成到复合材料中的不同的支座。

强化件416可以具有不同的横截面特征。例如，一种类型的强化件416可以基本是中空的，其具有复合外表面。另外的复合强化件416可以具有基本实心和均匀复合材料横截面。在其它的强化件416中，强化件416可以具有芯部材料，所述芯部材料与形成强化件416的外部的复合材料不同。芯部材料可以包括泡沫、管形材料、金属或者其它材料。

机身壳体412和强化件416可以通过如上所述的过程制造为单件共同固化机身410。现在参照图6，说明了用于装配单件共同固化机身410的过程。所述过程可以通过将多个网膜片516围绕的模型512来实现，所述网膜片516被复合材料所覆盖并设置在框架520中。

模型512可以与上述的模型相似。模型512可以具有在固化时收缩的泡沫芯部，并通过可加压薄膜来围绕。模型512额外地可以具有刚性内框架(未示出)以对较大的模型512提供结构支撑。所述框架也可以包括叉型支撑杆。如果机身壳体缠绕到模型512上的话，内框架和杆将允许传输模型512和旋转模型512的能力。但是，内框架必须调整尺寸，这样内框架从固化的机身可移除。

模型512可以通过多个网膜片516所围绕。网膜片516可以是围绕模型512的半刚性壳体部分。网膜片516的外表面524可以具有不同的形状和凹陷以在固化的时候保持复合材料的形状。例如，用于机身的网膜片516的形状具有不同的开口以在机身中容纳窗口和门。

网膜片516可以被分为多个更小的部分。网膜片516在成形复合结构中提供几个功能。多个较小网膜片516部分的一个功能是能够当模型512加压时，独立的网膜片516能够独立向外膨胀。每个更小的网膜片516可以独立从模型512向外偏压，允许多个刚性部件向外膨胀。向外偏压的网膜片516相对成形表面根据独立的网膜片516的轮廓对复合材料进行成形。

网膜片516的更小部分的另外的功能是允许网膜片516从机身的内部被移除。通常，网膜片516的尺寸必须小于机身或者其它将被制造的结构中的最大的开口。但是，可以被消除的网膜片516也可以在网膜片516通常较大的地方使用，而在复合材料固化之后可以彻底移除。

网膜片516也可以使用在除了机身的其它复合制造过程中。例如，图2中所示的可加压模型210可以通过网膜片(未示出)所围绕。网膜片允许复合结构的内部形状被限定。这是图1中所示的成形表面138、140的不同的功能，这限定了复合结构的外部形状。这样，复合结构的外部形状和内部形状可以通过使用成形表面138、140和网膜片516来限定。

现在再参照图6，网膜片516可以设置在模型512上以基本围绕模型512来限定机身的内部形状。在其它的结构中，只有模型512部分通过网膜片516所覆盖。不需要精确成形的机身的内部部分可以不并入网膜片516。

网膜片516可以数种方式连接到模型512。网膜片516可以用粘接剂粘接到模型512。粘接剂将允许网膜片516建在外形上直到网膜片516包围模型512。在可选的实施例中，独立的网膜片516可以彼此连接以围绕所述模型512。但是，所述连接必须允许通过可加压模型512另外弯曲网膜片516。在另外的实施例中，网膜片516可以通过释放材料薄层围绕，所述释放材料薄层防止复合材料粘到网膜片516并且也将网膜片516保持在一起。

一旦网膜片516被设置在模型512上，复合材料可以设置在被装配的网膜片516上。在并入强化件的机身中，复合强化件材料可以设置在网膜片516上。图6中所示的网膜片被构造以通过网膜片516中所存在的一系列通道528容纳强化件材料。通道528在机身壳体中和围绕窗口和门的强化件的形状和取向。

现在参照图7，说明了在网膜片516上产生强化件的过程。强化件可以通过沿着强化件通道528设置复合材料532带而产生。复合材料532带被构造以形成强化件的外部，这从机身的内部可见。复合材料532带可以设置在通道528中，这样复合材料532带的侧面延伸出通道。

接着，管536或者其它相似的芯部材料可以通过芯部复合材料540包围。芯部复合材料540可以与复合材料532带相似，除了芯部复合材料540围绕管536或者其它芯部材料。管536提供了在固化的过程中保持芯部复合材料540的功能并产生用于强化件的中空芯部。管536可以被加压以在固化时保持强化件的形状。

一旦芯部复合材料540包围管536，芯部复合材料540和管536被设置在通道528中。强化件可以设置在多个短部分中，或者可选地强化件可以通常是通过相似尺寸的芯部复合材料540所围绕的长管536，所述芯部复合材料540被设置在基本上长形通道528中。通道528可以是包围模型512的装配网膜片516中的连续开口，例如螺旋形开口。当然，其它形状的通道528可以用于不同形状的强化件，诸如正交格或者环形格。

在强化件被形成在网膜片516中之后，机身壳体复合材料可以被设置在网膜片516和模型512上。在一个实施例中，机身壳体复合材料可以将其直接缠绕到网膜片516。所述模型512可以设置到细丝缠绕机并且纤维可以直接缠绕到网膜片516上。这样，机身壳体可以是连续的纤维部分。细丝缠绕机可以被构造以将预先注入的纤维缠绕到网膜片516上以避免对较大的外形注入树脂。

可选地，通常较大的复合材料片可以设置到网膜片516上以形成机身壳体。在一个结构中，复合材料层被直接设置在网膜片516上直到机身壳体被形成。窗口和门位置上的复合材料可以在固化之后省略或者移除。在另外的结构中，复合材料层可以设置到框架520的成形表面530上，这与图1和4中所显示的相似。

一旦机身壳体复合材料被设置到网膜片516上，所述模型512和网膜片516被设置到框架520中。框架520与图1和4中所示相似，这样框架520限定机身的外部。在框架520被闭合之后，模型512可以被加压以相对机身壳体偏压强化件以允许强化件共同固化到机身壳体。此外，可加压模型512导致复合材料符合框架520和网膜片516的形状。复合材料然后固化为所限定的形状。一旦复合结构被固化，使用的模型512和网膜片516可以从机身移除。

尽管只有图6显示，被制造的机身部分，本过程可以被用于制造其它特征的部件，例如尾部和翼。此外，图5中所示的机身可以通过除了图6中所示之外的过程来制造。

尽管对本发明的一些实施例进行了说明，普通技术人员可以理解在不背离本发明的精神和原则的情况下可以对本发明进行修改和变化，其范围由所附权利要求书所限定。

Claims (29)

1.一种制造复合结构的方法，包括：

用一片复合材料基本包围可加压模型，其中所述模型具有被可变形薄膜所围绕的可收缩泡沫芯部；

将所述可加压模型和复合材料放入框架中，其中所述框架具有至少一个成形表面；

对可加压模型进行加压，这样复合材料挤压成形表面；以及

固化所述复合材料；

其中，在将薄膜围绕到可收缩泡沫芯部的步骤中，所述薄膜被设置在刚性通道中，所述薄膜的两端围绕刚性通道的端部被拉动；

在所述薄膜上使用真空装置以排出所述通道和薄膜之间的空气；

一旦泡沫芯部被插入到所述薄膜中，真空被释放，薄膜的端部可以拉离刚性通道的端部，允许薄膜基本围绕泡沫芯部。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泡沫芯部在第一温度上是结构稳定的，其中泡沫芯部在第二温度收缩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述可变形薄膜为可膨胀薄膜。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可加压模型被膨胀到多个压力。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合材料在多个温度固化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，复合材料被用树脂预先浸制。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可加压模型和框架的至少一个成形表面具有对应的形状。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述框架包括至少两个部分。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，复合材料首先被放置在框架的至少一个成形表面上，可加压模型然后放置到复合材料上。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括多个可加压模型。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，复合材料的多个部分设置在多个可加压模型之间。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供多个所述模型，并将复合材料的部分设置在模型之间；将外复合材料放置在模型和框架的至少一个成形表面之间；将模型和复合材料包围在框架中，然后进行所述加压和固化。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，复合材料的部分和外复合材料部分被用树脂预先浸制。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述复合材料被设置在成形表面上。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，真空层被设置在复合材料上。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，复合材料通过排空真空层之下的空气而偏压成形表面。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，可加压模型具有泡沫芯部。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，泡沫芯部在第一温度结构稳定，其中泡沫芯部在第二温度收缩。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，网膜片被设置在可加压模型上。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，可加压模型被膨胀到多个压力。

21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述复合材料的部分和外复合材料部分在多个温度固化。

22.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，复合材料的至少一个片包括复合材料的多个更小部分。

23.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个可加压模型和至少一个框架的成形表面具有对应的形状。

24.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述框架包括至少两个部分。

25.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述复合材料首先放置在框架的至少一个成形表面上，可加压模型然后被放置到复合材料上。

26.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将复合材料的部分设置在可加压模型之间包括将复合材料部分缠绕到可加压模型之上。

27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可加压模型为至少一个，所述至少一个成形表面为外成形表面，在至少一个所述模型和外成形表面之间设置复合材料的部分，并且将至少一个模型围绕框架的外表面设置，然后进行所述加压和固化。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括外框架，以对至少一个可加压模型提供反作用表面。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括至少一个非可加压模型。

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