ES2585938T3

ES2585938T3 - Vigas compuestas de perfil compuesto

Info

Publication number: ES2585938T3
Application number: ES08797203.0T
Authority: ES
Inventors: Gregory R. Gleason; Grant C Zenkner; Troy A Haworth; Nazir M. Kaabour
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2016-10-10
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: WO2009020971A2; WO2009020971A3; ES2472726T3; EP2502734A1; US20090041974A1; EP2185346A2; JP5584620B2; JP2010535653A; CN101772408A; US7968169B2; CN101772408B; PT2502734E; EP2185346B1; EP2502734B1

Abstract

Un componente estructural que comprende: un cuerpo que comprende pliegues (152, 153, 156, 157) compuestos de fibra de carbono unidireccionales, teniendo el cuerpo un eje longitudinal y una sección transversal perpendicular al eje longitudinal, variando la sección transversal a lo largo de una porción del eje longitudinal para proporcionar al cuerpo al menos un contorno uniforme y al menos un contorno compuesto; donde el cuerpo comprende una viga (104) que tiene una banda (124) y al menos una pestaña (122) que se extiende desde la banda, extendiéndose una porción de la al menos una pestaña en paralelo al eje longitudinal y extendiéndose una porción de la al menos una pestaña en oblicuo al eje longitudinal para definir el contorno compuesto; caracterizado por que: los pliegues compuestos que tienen fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal son discontinuos a lo largo de los borde contorneados de la banda y la pestaña sobre la longitud el cuerpo.

Description

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DESCRIPCION

Vigas compuestas de perfil compuesto Antecedentes de la divulgacion

La divulgacion se refiere generalmente a la fabricacion de componentes estructurales usando procesos de laminacion de fibra compuesta, y mas espedficamente a la formacion de estructuras de laminado de fibra compuesta que tienen perfiles contorneados.

Las ventajas del rendimiento estructural de los compuestos, tales como, para nombrar solo algunos, materiales de epoxi de fibra de carbono y bismaleimida de grafito (BMI), se conocen ampliamente en la industria aeroespacial. Los disenadores de aeronaves se han visto atrafdos hacia los compuestos debido a su rigidez superior, resistencia y capacidades de absorcion de radar, por ejemplo. A medida que materiales mas avanzados y una variedad mas amplia de formas de materiales han estado disponibles, el uso aeroespacial de compuestos se ha incrementado. La tecnologfa de capas de cinta automatica se ha desarrollado para volverse un proceso automatizado ampliamente usado para la fabricacion de grandes estructuras compuestas tales como alas, sin limitacion, fuselajes y conjuntos de empenaje. La colocacion de fibras compuestas y la tecnologfa de estratificacion de cinta actuales han mejorado para ofrecer flexibilidad en capacidades de proceso necesarias para una gran variedad de componentes aeroespaciales. A medida que los procesos de estratificacion compuesta mejoren con avances en la automatizacion, se definiran nuevas e innovadoras aplicaciones.

La fabricacion de determinados componentes a partir de materiales compuestos, tales como vigas de soporte, armazones y refuerzos para aeronaves o vehuculos es aconsejable para un peso reducido y mejorar la corrosion y las capacidades de resistencia a la fatiga. Tales componentes se estratificanan normalmente con pliegues de materiales compuestos de fibra de carbono unidireccionales, con pliegues orientados de manera diferente entre sf dependiendo de las propiedades estructurales deseadas.

Se ha observado, sin embargo, que algunos pliegues pueden arrugarse durante la fabricacion de determinados componentes que tienen secciones transversales no uniformes a lo largo de la longitud de la pieza. Esto puede tener como resultado que el componente tenga un contorno o perfil exterior variable y discontinuo a lo largo de su longitud. Tales arrugas son poco aconsejables y han evitado el uso extendido y la adopcion de materiales compuestos para fabricar componentes que pueden ser propensos a arrugar los materiales compuestos.

El documento EP1151850 divulga un metodo para producir un producto escalonado semiendurecido que tiene un dentado en una porcion terminal y productos producidos mediante tal metodo. El proceso comprende: (1) laminar una pluralidad de laminas compuestas reforzadas con fibras entre sf mediante el calentamiento y enfriamiento de las laminas bajo presion para proporcionar un laminado plano y con forma de placa; (2) ablandar el laminado con forma de placa mediante el calentamiento y posteriormente conformarlo con una forma particular usando una herramienta de formacion mientras se enfna bajo presion; y (3) calentar una region de borde bajo presion para formar un dentado.

El documento US2007/0175573 divulga piezas compuestas termoplasticas formadas de pliegues recopilados que forman una pila de multiples capas. Pueden cortarse multiples estratificaciones desde cada pila para fabricar la pieza compuesta. Las estratificaciones se preforman mediante doblamiento y calentamiento hasta que se obtiene una forma aproximada de la pieza terminada.

Breve descripcion

La presente invencion proporciona un componente estructural de acuerdo con la reivindicacion 1.

De manera consistente con las realizaciones ejemplares divulgadas, los componentes y metodos de fabricacion se proporcionan para la fabricacion de componentes estructurales que tienen discontinuidades en su contorno exterior usando pliegues de material compuesto mientras se evita el indeseable arrugamiento de algunos de los pliegues de material usados para fabricar el componente.

En una realizacion ejemplar, se divulga un componente estructural. El componente comprende un cuerpo formado a partir de pliegues compuestos de fibra de carbono unidireccionales, teniendo el cuerpo un eje longitudinal y una seccion transversal perpendicular al eje longitudinal. La seccion transversal vana a lo largo de una porcion del eje longitudinal para proporcionar al cuerpo al menos un contorno uniforme y al menos un contorno compuesto. Los pliegues compuestos que forman el contorno uniforme son discontinuos a lo largo del eje longitudinal.

La seccion transversal puede comprender una banda y al menos una pestana que se extiende desde la banda. Los pliegues de compuesto de fibra pueden comprender material preimpregnado de cinta unidireccional. El cuerpo puede comprender una viga que tiene una banda y pestanas opuestas que se extienden desde la banda, extendiendose una porcion de las pestanas opuestas en paralelo entre sf, y una porcion de las pestanas

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extendiendose en oblicuo entre sf para definir el contorno compuesto. Una de las bandas opuestas puede ser parcialmente recta y continua, y una de las pestanas puede ser en parte paralela y en parte oblicua a la otra pestana.

Al menos algunos de los pliegues compuestos que forman el contorno compuesto pueden ser continuos a lo largo del eje longitudinal, formando por tanto el perfil de contorno compuesto sin arrugamiento de fibras unidireccionales alineadas con el eje longitudinal. El cuerpo puede comprender multiples pliegues compuestos de fibra de carbono unidireccionales dispuestos para definir un perfil lineal y un perfil no lineal, donde los multiples pliegues que forman el perfil de contorno no lineal estan dispuestos de manera diferente a partir de multiples pliegues que forman el perfil lineal a lo largo del eje longitudinal del componente. Los pliegues compuestos que forman la fibra orientada en paralelo al eje longitudinal pueden ser discontinuos adyacentes al perfil contorneado no lineal. El componente puede comprender una viga alargada.

Una realizacion de un componente estructural fabricado a partir de un material compuesto tambien se divulga. El componente comprende un cuerpo alargado formado a partir de pliegues compuestos de fibra de carbono unidireccionales, teniendo el cuerpo un eje longitudinal y una longitud axial, siendo una superficie exterior del cuerpo en parte lineal y en parte no lineal a lo largo del eje longitudinal, y teniendo los pliegues al menos algunas fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal. Las fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal son discontinuas a lo largo de la superficie exterior no lineal, evitando por tanto el arrugamiento de las fibras unidireccionales alineadas con el eje longitudinal.

El cuerpo comprende una banda y al menos una pestana, definiendo la pestana la pieza no lineal del cuerpo. Los pliegues pueden comprenden material preimpregnado de cinta unidireccional, y la porcion no lineal puede comprender una porcion recta que se extiende en oblicuo al eje longitudinal y al menos una porcion de radio. Los multiples pliegues que forman el perfil contorneado no lineal pueden estar dispuestos de manera diferente desde el perfil lineal a lo largo del eje longitudinal del componente.

Breve descripcion de los dibujos

Unas realizaciones no limitativas y no exhaustivas se describen en referencia a las siguientes figuras, donde los numeros de referencia similares se refieren a partes similares a traves de las varias vistas a menos que se especifique lo contrario.

La Figura 1 es un diagrama de flujo de una produccion de aeronaves y metodologfa de revision.

La Figura 2 es un diagrama de bloques de una aeronave.

La Figura 3 es una vista en seccion transversal de una aeronave que ilustra una aplicacion ejemplar de un

componente estructural fabricado con materiales compuestos.

La Figura 4 es una vista ampliada de una porcion de la Figura 3.

La Figura 5 es una vista en perspectiva de una porcion del componente mostrado en las Figuras 3 y 4.

La Figura 6 ilustra una estratificacion de carga ejemplar y un metodo de secuenciacion para la fabricacion del

componente mostrado en la Figura 5.

La Figura 7 es una vista en despiece del componente que ilustra su fabricacion.

Descripcion detallada

Las realizaciones ejemplares de componentes y metodos de fabricacion de los componentes que usan los materiales compuestos se divulgan en el presente documento a continuacion y facilitan la formacion de componentes con determinados contornos a formar sin indeseables arrugas de fibras. Los componentes y metodos ejemplares divulgados facilitan un uso mas extensivo y eficaz de, por ejemplo, materiales de fibra de carbono unidireccionales en la fabricacion de componentes que tienen, por ejemplo, contornos compuestos tal como se describe a continuacion, que hasta ahora han demostrado ser demasiado diffciles o demasiado caros para producirse repetidamente de una manera eficaz y aceptable. La capacidad de formar componentes compuestos en tales formas contorneadas presenta ventajas significativas, incluyendo consideraciones de diseno que pueden demandar formas inusuales y sacudidas en el perfil de los componentes, ahorros de peso de una estructura de soporte utilizando materiales de peso mas ligero para fabricar los componentes y el desarrollo de componentes de alto rendimiento disenados para un uso espedfico.

En particular, los materiales compuestos mas ligeros usados para formar los componentes pueden lograr ahorros de peso significativos cuando se utilizan en combinacion para ensamblar una estructura de soporte o armazon de, por ejemplo, una aeronave u otro vehuculo. Espedficamente para una construccion de aeronave que tiene muchos componentes de soporte, los ahorros de peso potenciales pueden ser sustanciales, conduciendo a una mejor

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econoirna de combustible y costes reducidos de funcionamiento de la aeronave. Los componentes de material compuesto pueden tambien facilitar una reduccion en los costes de mantenimiento.

En referencia mas particular a los dibujos, las realizaciones de la divulgacion pueden describirse en el contexto de un metodo de fabricacion y revision 50 de aeronaves tal como se muestra en la Figura 1 y una aeronave 52 como se muestra en la Figura 2. Durante la preproduccion, un metodo 50 ejemplar puede incluir la especificacion y diseno 54 de la aeronave 52 y la obtencion de material 56. Durante la produccion, tienen lugar la fabricacion de componentes y subconjuntos 58 y la integracion de sistemas 60 de la aeronave 52. Despues, la aeronave 52 puede pasar por la certificacion y suministro 62 para ponerse en servicio 64. Mientras esta en servicio por parte de un cliente, la aeronave 52 se programa para un mantenimiento y revision 66 rutinarios (que tambien pueden incluir modificacion, reconfiguracion, renovacion etc.).

Cada uno de los procesos del metodo 50 puede realizarse o llevarse a cabo mediante un integrador de sistemas, una tercera parte y/o un operador (por ejemplo, un cliente). Para los fines de esta descripcion, un integrador de sistemas puede incluir sin limitacion cualquier numero de fabricantes de aeronaves y principales subcontratistas de sistema; una tercera parte puede incluir sin limitacion cualquier numero de vendedores, subcontratistas y proveedores; y un operador puede ser una aerolmea, comparua de arrendamiento, entidad militar, organizacion de servicios, etc.

Tal como se muestra en la Figura 2, la aeronave 52 producida mediante el metodo 50 ejemplar puede incluir una aeroestructura 68 con una pluralidad de sistemas 70 y un interior 72. Los ejemplos de sistemas de alto nivel 70 incluyen uno o mas de un sistema de propulsion 74, un sistema electrico 76, un sistema hidraulico 78 y un sistema ambiental 80. Cualquier numero de otros sistemas puede incluirse. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, los principios de la invencion pueden aplicarse a otras industrias, tal como la industria de la automocion.

Los aparatos y metodos incorporados en el presente documento pueden emplearse durante una cualquiera o mas de las fases del metodo de produccion y revision 50. Por ejemplo, los componentes o subconjuntos correspondientes al proceso de produccion 58 pueden fabricarse o manufacturarse de manera similar a componentes o subconjuntos producidos mientras la aeronave 52 esta en servicio. Ademas, una o mas realizaciones de aparatos, realizaciones de metodos o una combinacion de los mismos pueden utilizarse durante las fases de produccion 58 y 60, por ejemplo, acelerando sustancialmente el ensamblaje o reduciendo el coste de una aeronave 52. De manera similar, una o mas de las realizaciones de aparatos, realizaciones de metodos o combinaciones de los mismos pueden utilizarse mientras que la aeronave 52 esta en servicio, por ejemplo y sin limitacion, el mantenimiento y revision 66.

La Figura 3 es una vista en seccion transversal de una aeronave 100 ejemplar, que puede corresponderse con la aeronave 52 de la Figura 2 que es el objeto del metodo 50 de la Figura 1, en el que se explicaran los componentes y metodos ejemplares. Se contempla, sin embargo, que los beneficios y ventajas de las realizaciones del componente inventivo y los metodos de formacion descritos a continuacion pueden aplicarse igualmente en otros entornos de vehuculo, tal como automocion, camiones y vehfculos recreativos, asf como vehfculos marinos y aplicaciones no vehiculares tales como edificios, torres y otras estructuras de soporte. Hablando generalmente, los componentes y metodos son aplicables a cualquier aplicacion estructural donde los beneficios de construccion de materiales compuestos sean aconsejables. El siguiente analisis se proporciona por tanto para fines de ilustracion en lugar de limitacion, y los componentes y metodos divulgados en el presente documento no van destinados a limitarse a ninguna aplicacion particular, incluyendo pero sin limitarse al uso en la aeronave 100, excepto cuando se defina espedficamente como tal en las reivindicaciones adjuntas.

Tal como se muestra en la Figura 3, la aeronave 100 incluye un fuselaje 102 que define el cuerpo exterior de la aeronave 100. Una viga de suelo 104 compuesta y de alto rendimiento se proporciona de manera interior en el fuselaje 102 y se extiende horizontalmente por un interior del fuselaje 102. La viga de suelo 104 sirve como un componente estructural de la aeronave 100, y unos paneles de suelo 106 se extienden sobre y se conectan con la viga de suelo 104 para proporcionar un compartimento de pasajeros 108 sobre los paneles de suelo 106. De acuerdo con la aeronave conocida, el compartimento de pasajeros 108 esta provisto de asientos y otras atenciones de aeronaves modernas para la comodidad, confort y conveniencia de los pasajeros. En otra realizacion, el compartimento 108 podna servir alternativamente como un compartimento de carga o para otro uso distinto a un compartimento de pasajeros.

Unos puntales 110 se extienden por debajo de la viga de suelo 104 y al menos en parte definen un compartimento de carga 112 por debajo de la viga de suelo 104. Tambien de acuerdo con la aeronave conocida, el compartimento de carga 112 puede adaptarse para almacenar, por ejemplo, bolsas de viaje, bartulos de viaje, equipajes u otros artfculos que pertenecen al pasajero de la aeronave. Como alternativa, o ademas de tales artfculos, el compartimento de carga 112 tambien puede adaptarse para almacenar, contener y asegurar otros artfculos de carga independientes de, y que no pertenecen a, ningun pasajero particular de la aeronave en uso. La aeronave 100 esta dispuesta para el uso civil predominantemente para transportar pasajeros y sus bienes personales de un lugar a otro, para uso militar al transportar personal y equipamiento de una ubicacion a otra o para el envfo y distribucion comercial de bienes a diferentes ubicaciones.

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Debena entenderse que muchas vigas del suelo 104 se proporcionan a lo largo de la longitud de la aeronave en un plano que se extiende dentro y fuera del plano de la pagina de la Figura 3. Una aeronave 100 mas grande requerina vigas 104 mas grandes y mas largas y un mayor numero de vigas 104 que una aeronave 100 mas pequena. De manera colectiva, las vigas 104 proporcionan soporte estructural y un armazon para la aeronave 100.

En referencia ahora a la Figura 4, se ve que la viga de suelo 104 en una realizacion ejemplar se forma con una forma 1 alargada que tiene una pestana superior 120, una pestana inferior 122 y una banda 124 que interconecta las pestanas superior e inferior 120 y 122. La pestana superior 120 es generalmente recta y continua mientras que la pestana inferior 122 no es ni recta ni continua a lo largo de toda la longitud de la viga.

Tal como se muestra en la Figura 4, la pestana inferior 122 incluye una primera porcion 126, una segunda porcion 128 y una porcion de transicion 130 que se extiende entre la primera y segunda porcion 126 y 128. La primera porcion 126 es generalmente paralela a la primera pestana 120 y esta separada mediante una primera distancia transversal H1, medida en una direccion perpendicular desde la primera pestana 120. La segunda porcion 128 tambien se extiende generalmente paralela a la primera pestana 120, y esta separada a una distancia H2, tambien medida en una direccion perpendicular desde la primera pestana 120, que es menor que H1. En un ejemplo, H1 tiene aproximadamente 19,05 centimetros (7,5 pulgadas), y H2 tiene aproximadamente 14,2 centimetros (5,6 pulgadas). La dimension menor H2 proporciona un aclaramiento incrementado subyacente a la pestana inferior 122 para acomodar, por ejemplo, y sin limitacion, cables o conductos 131 que corren bajo la viga de suelo 104. Aunque se han proporcionado las dimensiones ejemplares de H1 y H2, estas no son en ningun caso necesarias, y se aprecia que los valores de H1 y H2 pueden variar en otras realizaciones.

Considerando ahora la pestana inferior 122 en mayor detalle, la porcion de transicion 130 conecta las primeras y segundas porciones 126 y 128 que son generalmente rectas y paralelas a la primera pestana 120, y la porcion de transicion 130 se extiende en un angulo con respecto a cada una de la primera y segunda porcion 126 y 128. En la realizacion ilustrada, la porcion de transicion 130 se extiende en oblicuo a la primera pestana 120 y cada una de la primera y segunda porcion 126 y 128 de la segunda pestana 122 para una distancia espedfica. En cualquier punto determinado a lo largo de la porcion de transicion 130, un borde de la porcion de transicion se separa de la primera pestana 120, medido en una direccion perpendicular de la primera pestana 120, a una tercera distancia variable H3 que esta entre la distancia H1 y H2. Es decir, H3 es casi igual a H1 donde la porcion de transicion 130 contacta con la primera porcion 122 y disminuye gradualmente hasta un valor aproximadamente igual a H2 donde la porcion de transicion 130 contacta con la segunda porcion 128.

Los puntos de inflexion 132 y 134 que conectan la porcion de transicion 130 con las primeras y segundas porciones 126 y 128 presentan una discontinuidad en el contorno de superficie exterior de la segunda pestana 122 y la viga 104 en general. En la practica, los puntos de inflexion 132 y 134 presentan radios que interconectan los extremos de la porcion de transicion 130 con las primeras y segundas porciones 126 y 128 de la segunda pestana. Uno de los radios en el punto 132 es un radio convexo y el otro radio en el punto 134 es un radio concavo.

Siguiendo el contorno de la pestana inferior 122 de derecha a izquierda en la Figura 4, la primera porcion 126 es generalmente recta, lisa y horizontal en su forma y contorno exterior hasta que coincide con el radio convexo en el punto 132. Despues del radio convexo 132, la pestana 122 en la porcion de transicion 130 se vuelve de nuevo recta y generalmente lisa pero se extiende en un angulo o se inclina con respecto a la primera porcion 126 hasta que la porcion de transicion 130 se encuentra con el radio concavo en el punto de conexion 134. Despues del radio en el punto 134, la pestana inferior 122 en la porcion 128 de nuevo se vuelve generalmente recta, lisa y horizontal. De manera colectiva, las porciones 126, 128 y la porcion de transicion 130 hacen que el contorno de la pestana inferior 122 no sea ni recto ni liso debido a las discontinuidades entre las porciones rectas y curvadas de los puntos de inflexion 132 y 134.

La porcion de transicion 130 en la realizacion ilustrada esta moldeada para que la pestana inferior 122 realice una sacudida interior para reducir el perfil de altura de la viga 104 y puede proporcionar un aclaramiento incrementado para los cables o conductos 131, o una mayor altura de la banda 124 donde sea necesario. El dentado puede permitir la colocacion de los cables y conductos 131 en una disposicion mas compacta relativa a la viga 104, sin impactar significativamente en el uso de espacio por encima o por debajo de la viga 104. En el contexto de una viga de suelo, esta disposicion se denomina a menudo “dentado” que presenta unos desaffos de fabricacion particulares para la formacion de la viga 104 usando materiales compuestos. De nuevo en referencia a la Figura 3 por un momento, la viga 104 puede tener mas de una porcion de transicion 130 formando mas de un dentado a lo largo de la longitud de la viga para proporcionar una extension relativamente grande de la viga que tiene un aclaramiento incrementado para el desarrollo de los cables y conductos, o para acomodar otros componentes mecanicos y electricos de la aeronave.

Se ha observado que cuando se intenta construir la viga 104 a partir de pliegues de materiales compuestos de fibra de carbono unidireccionales, algunos de los pliegues de material pueden arrugarse a lo largo de la pestana inferior 122 en la region de la porcion de transicion 130. Como se ha mencionado, tales arrugas pueden ser indeseables, y los esfuerzos por construir de manera fiable vigas aceptables con materiales compuestos de manera rentable han demostrado ser generalmente poco exitosos hasta que la viga inventiva y los metodos para fabricar la misma se

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descubrieron y desarrollaron.

La Figura 5 ilustra una porcion de una carga de canal 142 con forma de C usada para fabricar la viga 104. Tal como se cree que es evidente a partir de la Figura 4, dos cargas de canal 142 con forma de C pueden ensamblarse espalda con espalda y sujetarse entre sf para formar, por ejemplo, la viga 104 con forma de I. La carga 142 se muestra en vista en perspectiva en la Figura 5 donde los problemas de fabricacion son quizas un poco mas evidentes. Tal como se ha explicado anteriormente, en la construccion de la viga, incluyendo las pestanas 120 y 122, estas generalmente se oponen entre sf y se interconectan con la banda 124 en una disposicion de canal con forma de C. La pestanas 120 y 122 generalmente se extienden en perpendicular desde la banda 124. La viga 104 es generalmente alargada y tiene un eje longitudinal 140. La primera pestana 120 en la realizacion ejemplar puede ser generalmente recta y continua y puede extenderse en paralelo al eje longitudinal 140. Las primeras y segundas porciones 126 y 128 tambien se extienden generalmente en paralelo a la primera pestana 120 y entre sf, pero se separan a diferentes distancias de la primera pestana 120 tal como se ha descrito antes. La banda 124 tambien es generalmente plana y se extiende en paralelo al eje longitudinal 140. Tal como es evidente a partir de la Figura 5, sin embargo, la porcion de transicion 130 y el radio de los respectivos puntos de inflexion 132 y 134 no son paralelos al eje longitudinal 140.

En la segunda pestana 122, la combinacion de las porciones rectas 126 y 128, la curvatura convexa y concava de las porciones con radios 132 y 134 y la porcion lisa pero de extension oblicua entremedias en la porcion de transicion 130, es un ejemplo de lo que a menudo se denomina contorno compuesto. La porcion de transicion 130 en la realizacion ilustrada esta parcialmente redondeada en los puntos de inflexion 132 y 134 con diferentes centros de curvatura y potencialmente un radio de curvatura diferente, y esta al menos parcialmente ahusada para reducir el perfil exterior de la viga.

Aunque se ilustra un ejemplo espedfico de un contorno compuesto en las figuras, debe apreciarse que otras formas de contornos compuestos son posibles que tambien se beneficianan de las tecnicas explicadas a continuacion que evitan el arrugamiento de los materiales compuestos cuando se construyen componentes estructurales, incluyendo pero sin limitarse a vigas de suelo. En otras realizaciones, no es necesario que un contorno compuesto tenga todas las caractensticas mencionadas en la viga 104. Es decir, un contorno puede ser un contorno compuesto y no tener radios tanto convexos como concavos, y un contorno compuesto no necesita tampoco necesariamente diferentes porciones rectas que estan en angulo, inclinadas o en pendiente en relacion entre sf

Tal como se usa en el presente documento, el termino “contorno compuesto” se referira ampliamente a cualquier forma o perfil de superficie exterior que incluya uno o mas cambios significativos e inconsistencia asociada en su forma y perfil exterior, excluyendo aberturas de superficie, escotaduras y similares para unir el componente a una estructura, o para unir otras estructuras al componente. Es decir, tal como se usa en el presente documento, el “perfil” se refiere a la forma general del componente en su totalidad, que generalmente puede no depender o verse afectado por aberturas u otras caractensticas de union para montar el componente en una ubicacion espedfica. Los cambios e inconsistencia en el perfil y forma exterior del componente que forman un contorno compuesto pueden caracterizarse por una combinacion de superficies que se cruzan de diferente caracter que pueden identificarse por separado entre sf Un caracter diferente de superficies adjuntas o que se cruzan puede identificarse mediante la presencia de uno o mas puntos de inflexion, una o mas superficies redondeadas, diferentes tipos de superficies curvadas tales como superficies convexas y concavas, una o mas curvaturas que tienen diferentes centros y radios, porciones rectas que estan inclinadas de manera diferente en relacion unas con otras, cambios abruptos en el perfil exterior y combinaciones de los mismos. Los “contornos compuestos” se distinguen espedficamente de los contornos simples, los ejemplos de los cuales incluyen, pero no se limitan a, un componente que esta ahusado de manera uniforme a lo largo de toda su longitud, un componente que esta curvado de manera uniforme a lo largo de toda su longitud y un componente que tiene un contorno uniforme o sin cambios a lo largo de toda su longitud.

Como resultado del contorno compuesto de la viga 104 en la realizacion ilustrada, la seccion transversal de la viga 104, tomada en un plano perpendicular al eje longitudinal 140, no es uniforme a lo largo de la longitud de la viga. Las porciones de la viga que tienen una seccion transversal constante o continua se denominan a veces porciones lineales de la viga 104, mientras que la porcion de transicion de la viga se denomina a veces porcion no lineal de la viga 104 gracias a su seccion transversal cambiante o variable y su forma exterior a lo largo de la longitud de la viga 104.

Se cree que el arrugamiento de los pliegues de material compuesto cuando se intenta construir tal componente estructural contorneado como la viga 104 usando procesos de fabricacion compuesta convencional que estratifican diferentes pliegues de material compuesto descansa en diferentes pliegues de material compuesto que tienen fibras estructurales dispuestas para orientarse con el eje longitudinal 140 a lo largo de la longitud de la viga 104. En particular, y debido a la forma de la pestana inferior 122 que tiene la porcion de transicion 130, las fibras que se orientan a lo largo y generalmente en paralelo al eje longitudinal 140 en las porciones rectas 126 y 128 se doblan y se colocan en compresion a medida que la porcion de transicion 130 se moldea, provocando que algunas de las fibras se compriman y se encorven o comben y creen las arrugas. Tal encorvamiento de las fibras tambien puede provocar arrugas en otros pliegues de material compuesto adyacente donde las fibras estructurales no estan alineadas con el eje longitudinal 140, tal como pliegues donde las fibras estructurales estan orientadas, por ejemplo,

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en angulos de 45° y 90° respecto al eje longitudinal 140. Se ha observado, por ejemplo, que cuando se construye la forma de la carga de canal 142 ilustrada en la Figura 5 con una estratificacion de pliegues de material compuesto, los pliegues con fibras orientadas a mas de 45°, 90° y -45° medidos respecto al eje longitudinal 140 no tienden a crear arrugas en la pestana inferior 122 a menos que tambien esten presentes pliegues de 0° o pliegues que tienen fibras que se extienden en paralelo al eje longitudinal 140.

En reconocimiento de este problema con las fibras de extension longitudinal que se extienden en un angulo de 0° respecto al eje longitudinal 140 (es decir, paralelo al eje longitudinal), la viga 104, a diferencia de las tecnicas de fabricacion convencionales que producen arrugas, se fabrica usando diferentes orientaciones de pliegue para las diversas porciones de la viga 104 y, de manera notable, no implica la flexion de las fibras orientadas a lo largo del eje longitudinal 140 para producir el contorno compuesto. En cambio, los pliegues que tienen fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal se cortan para que sean discontinuas a lo largo de los bordes contorneados de la banda 124 y la pestana 122 sobre la longitud de la pieza. Los pliegues de material que de lo contrario tendran como resultado la compresion de las fibras orientadas a lo largo del eje longitudinal 140 se separan de la construccion de componente y estos pliegues se colocan independientemente de los otros pliegues que tienen fibras orientadas de manera diferente a lo largo del eje longitudinal para formar la pestana contorneada. Como resultado de la naturaleza discontinua de las fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal 140, y tambien de la aplicacion separada de aquellas fibras respecto a las porciones contorneadas de la viga 104, ninguna de aquellas fibras se coloca en compresion durante la fabricacion de la viga 104, evitando por tanto arrugas en el componente formado.

Todavfa adicionalmente, se adopta un enfoque unico durante la estratificacion de cargas planas usadas para formar la viga 104. En una realizacion, por ejemplo, las cargas planas se agrupan lo maximo posible en pilas discretas de pliegues de 0° con fibras que se extienden en paralelo al eje longitudinal 140, o pliegues que tienen fibras orientadas a +45°, 90° y -45° con respecto al eje longitudinal. Es decir, el enfoque implica la secuenciacion de una estratificacion para crear grupos de pliegues discretos que consisten en pliegues de 0° y grupos de +45°, 90° y -45°. Los grupos de pliegues de 0° se separan en elementos discretos de banda y pestana a lo largo de la porcion contorneada de la carga de canal 142. En particular, los pliegues de 0° usados para fabricar los elementos de pestana contorneados no se cubren junto con los pliegues para formar los otros elementos de la carga 142, sino que en cambio de colocan linealmente a lo largo de la longitud de la pieza a mano o a maquina. Esto evita las arrugas que ocurrinan si los elementos de pestana contorneados de 0° fueran integrales con los otros elementos de estratificacion.

Una maquina ejemplar que es adecuada para estratificar los pliegues se divulga en la patente de Estados Unidos del mismo solicitante n.° 7.188.370. Se cree que esta maquina y otras maquinas son familiares respecto a aquellas en la tecnica de fabricacion de componentes usando materiales compuestos y que el analisis detallado de las maquinas esta generalmente mas alla del alcance de esta divulgacion. No se cree que sean necesarios un mayor detalle y explicacion de las mismas para los expertos en la tecnica. En otras realizaciones, se contempla que las cargas pueden estratificarse manualmente.

Las Figuras 6 y 7 ilustran detalles adicionales de la carga 142 y una estratificacion de carga ejemplar y un metodo de secuenciacion de cargas compuestas para fabricar la carga de canal 142 en forma de C a partir de, por ejemplo, material impregnado de cinta unidireccional, y mas espedficamente, pliegues de material de tejido de fibra de vidrio impregnado con resina de “Estilo 108”. El metodo implica diversos pliegues que tienen fibras apiladas y secuenciadas para orientarse de manera diferente con respecto entre sf, y aplicar de manera separada algunos de los pliegues a las porciones lineales y no lineales del componente. Las referencias a los grados en conexion con los pliegues en el siguiente analisis deberan entenderse para referirse a la orientacion relativa de las fibras de los pliegues con respecto al eje 140 de la carga de canal 142 con forma de C. Como tal, un pliegue de cero grados tendna sus fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal. Ademas, tal como se muestra en la Figura 5, las cortinas de carga pueden estratificarse y ensamblarse usando un mandril de estratificacion 158 que tiene la forma deseada del componente a fabricar.

Por ejemplo, y considerando la carga de canal 142 con forma de C mostrada en la Figura 5, y tambien en referencia a las Figuras 6 y 7, una primera carga de cortina 150 puede prepararse en una primera operacion de cortina donde una capa orientada a mas de 45 grados, una capa de 90 grados y una capa de menos de 45 grados se colocan planas y cubiertas sobre el mandril 158 para formar parte de la primera pestana 120, la segunda pestana 122 y la banda 124.

En una segunda operacion de cortina, dos pliegues 152 y 153 de cero grados se colocan por separado en la banda 124 y la pestana contorneada 122. Uno de los pliegues 152 de cero grados cubre la banda 124 y la pestana recta 120. El otro de los pliegues 153 de cero grados cubre la pestana contorneada 122.

Aunque el pliegue 152 de cero grados que cubre la banda 124 y la pestana recta 120 se ilustran como parte de la segunda operacion de cortina en la Figura 6, se entiende que el pliegue 152 de cero grados puede como alternativa combinarse y formarse simultaneamente con la carga de cortina 150 de la primera operacion de cortina. En tal realizacion, sin embargo, el pliegue 153 de cero grados todavfa se colocana por separado en la operacion de cortina separada.

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En una tercera operacion de cortina, una capa de mas de 45 grados y una capa 154 de menos de 45 grados se colocan planas y cubiertas sobre las capas de la primera y segunda operacion de cortina. Es dedr, las capas de la tercera operacion de cortina forman parte de la primera pestana 120, la segunda pestana 122 y la banda 124.

En una cuarta operacion de cortina, un pliegue 156 de cero grados y un pliegue 157 de cero grados se colocan por separado en la banda 124, la pestana recta 122 y la pestana contorneada 122. El pliegue 156 cubre la banda 124 y la pestana recta 120, y el pliegue 157 cubre la pestana contorneada 122.

Aunque el pliegue 156 de cero grados que cubre la banda 124 y la pestana recta 120 se ilustran como parte de la cuarta operacion de cortina en la Figura 6, se entiende que el pliegue 156 de cero grados puede como alternativa combinarse y formarse simultaneamente con la carga de cortina 154 de la tercera operacion de cortina. En tal realizacion, sin embargo, el pliegue 157 de cero grados todavfa se colocana por separado en la operacion de cortina separada.

Despues de haberse completado las operaciones de cortina de carga de canal, la carga 142 esta lista para el ensamblaje para producir, por ejemplo, la viga de suelo 104 descrita en las Figuras 3 y 4.

Aunque se ha mostrado un ejemplo de la estratificacion de carga y el metodo de secuenciacion de pliegues con fibras orientadas a mas y menos de 45° y 90°, ademas de los pliegues de cero grados, debe apreciarse que los pliegues de grados distintos de cero no tienen que orientarse a mas o menos de 45° y/o 90° en otras realizaciones. Tambien pueden utilizarse otros angulos de fibras para cumplir necesidades y deseos particulares para formar componentes y para cumplir objetivos particulares. Tambien se contempla que en algunas realizaciones algunos de los pliegues, tal como los pliegues de 90° analizados antes, pueden considerarse opcionales.

Usando la metodologfa antes descrita, los componentes estructurales tales como la viga 104, u otras vigas, refuerzos u otros componentes estructurales que tienen contornos compuestos y discontinuidades de superficies significativas, pueden por tanto fabricarse de manera eficaz a partir de materiales compuestos de fibra de carbono unidireccionales. Se facilita un uso mas extensivo y eficaz de los materiales de fibra de carbono unidireccionales para fabricar compuestos que tienen formas contorneadas sin un arrugamiento inaceptable de los pliegues compuestos, y pueden conseguirse unos ahorros de peso apreciables cuando los componentes tales como la viga 104 se ensamblan en una estructura mayor.

Aunque se han descrito una viga 104 ejemplar y una carga 142 con forma de C que tienen formas ejemplares, debe entenderse que otros componentes con otras formas y direcciones transversales pueden igualmente formarse mientras se evitan los problemas asociados con el arrugamiento de los pliegues. Cualquier componente que tenga una banda y una o mas pestanas dispuestas en cualquier forma puede beneficiarse de la metodologfa antes descrita. Por ejemplo, y sin limitacion, ademas de la viga 104 con forma de I antes descrita, unas tecnicas similares podnan usarse para formar contornos en un componente con forma de J que tiene un contorno compuesto, un componente con forma de L que tiene una pestana unica contorneada que se extiende a partir de una banda, un componente con forma de T que tiene al menos una porcion con un contorno compuesto y un componente con forma de Z que tiene al menos una porcion del mismo con un contorno compuesto. Como otros ejemplos no limitativos adicionales, pueden formarse unos componentes con una forma en seccion transversal que se asemeja a un numero, tal como el numero “7”. Otras formas adicionales son posibles que no son reminiscentes de las formas de letras y numeros, incluyendo pero sin limitarse a formas de sombrero de copa y otras formas y secciones transversales. Ademas, las combinaciones de tales formas ejemplares de componentes pueden ensamblarse para formar otras formas adicionales, tales como los canales con forma de C antes descritos que se usan para producir una viga con forma de I.

De igual manera, tales tecnicas pueden utilizarse para formar elementos tubulares (rectangulares y cuadrados) con contornos que pueden de lo contrario tener como resultado materiales compuestos arrugados. Aunque las realizaciones ejemplares ilustradas en el presente documento incluyen una pestana recta y una pestana contorneada, se entiende que en realizaciones alternativas y/o adicionales, mas de una pestana contorneada puede fabricarse en el mismo componente usando los metodos y tecnicas antes analizados. Es decir, los componentes que tienen multiples pestanas contorneadas podnan formarse en un vasto numero de formas deseadas para producir componentes sin un arrugamiento indeseable.

Ademas, aunque las realizaciones de componentes y metodos de fabricacion de los mismos se han divulgado hasta ahora en el contexto de una viga de suelo, tambien pueden fabricarse otros componentes estructurales que evitan problemas similares y ofrecen ventajas similares. Es decir, las vigas para otros fines pueden beneficiarse igualmente de las tecnicas divulgadas en el presente documento, asf como componentes que no son para vigas que proporcionan resistencia estructural y soporte para un conjunto de componentes que definen colectivamente una estructura mayor.

Aunque los componentes y metodos divulgados se han descrito en terminos de diversas realizaciones espedficas, los expertos en la materia reconoceran que los componentes y metodos pueden practicarse con modificaciones dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Un componente estructural que comprende:

un cuerpo que comprende pliegues (152, 153, 156, 157) compuestos de fibra de carbono unidireccionales, teniendo el cuerpo un eje longitudinal y una seccion transversal perpendicular al eje longitudinal, variando la seccion transversal a lo largo de una porcion del eje longitudinal para proporcionar al cuerpo al menos un contorno uniforme y al menos un contorno compuesto;

donde el cuerpo comprende una viga (104) que tiene una banda (124) y al menos una pestana (122) que se extiende desde la banda, extendiendose una porcion de la al menos una pestana en paralelo al eje longitudinal y extendiendose una porcion de la al menos una pestana en oblicuo al eje longitudinal para definir el contorno compuesto; caracterizado por que:

los pliegues compuestos que tienen fibras orientadas en paralelo al eje longitudinal son discontinuos a lo largo de los borde contorneados de la banda y la pestana sobre la longitud el cuerpo.
2. El componente de la reivindicacion 1, donde los pliegues (152, 153, 156, 157) compuestos de fibras comprenden material de cinta preimpregnada unidireccional.
3. El componente de la reivindicacion 1, que comprende ademas una pestana opuesta (120), oponiendose dicha pestana a la al menos una pestana y extendiendose desde la banda, donde la porcion de la al menos una pestana que se extiende paralela al eje longitudinal se extiende en paralelo a la pestana opuesta, y donde la porcion de la al menos una pestana que se extiende en oblicuo al eje longitudinal se extiende en oblicuo a la pestana opuesta.
4. El componente de la reivindicacion 3, donde la pestana opuesta (120) es sustancialmente recta y continua.
5. El componente de la reivindicacion 3, donde la al menos una pestana (122) es en parte paralela y en parte oblicua respecto a la pestana opuesta (120).
6. El componente de la reivindicacion 1, donde al menos algunos de los pliegues compuestos (152, 153, 156, 157) que forman la al menos una pestana son continuos a lo largo del eje longitudinal, formando por tanto el perfil de superficie de la al menos una pestana sin arrugamiento de las fibras unidireccionales alineadas con el eje longitudinal.
7. El componente de la reivindicacion 1, donde la al menos una pestana comprende:

una primera porcion recta (126) que tiene una primera seccion transversal uniforme a lo largo del eje longitudinal; una segunda porcion recta (128) que tiene una segunda seccion transversal uniforme a lo largo del eje longitudinal, siendo diferente la segunda seccion transversal de la primera seccion transversal; y una porcion de transicion (130) que se extiende entre la primera y la segunda porcion recta que tiene una tercera seccion transversal que no es uniforme a lo largo del eje longitudinal.
8. El componente de la reivindicacion 1, donde el cuerpo comprende multiples pliegues (152, 153, 156, 157) compuestos de fibra de carbono unidireccionales, donde las fibras en los multiples pliegues se orientan de manera diferente entre sf.