KR102340803B1 - 성형된 복합 라미네이트들의 링클 감소 - Google Patents

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Abstract

컨투어로의 성형 동안, 컨투어드 복합 라미네이트 부품의 링클링은, 주 로딩 축을 따라 일차 축 강도를 부품에 제공하는 오프-앵글 강화 섬유들을 갖는 라미네이트 플라이들을 사용함으로써 감소된다.

Description

성형된 복합 라미네이트들의 링클 감소{WRINKLE REDUCTION IN FORMED COMPOSITE LAMINATES}
본 개시내용은 일반적으로, 컨투어드 복합 라미네이트(contoured composite laminate)들, 특히, 높은 종횡비들을 갖는 컨투어드 복합 라미네이트들의 제작에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는, 원하는 컨투어로의 성형(forming) 동안 라미네이트의 링클링(wrinkling)을 감소시키는 방법을 다룬다.
컨투어드 기하학적 구조들을 갖는 세장형 복합 라미네이트 부품들을 생산하기 위한 일 공정에서는, 편평한 라미네이트 스택을 성형하기 위해, 손으로 또는 자동화된 레이업(layup) 장비를 사용하여, 단향성 프리프레그 플라이들이 레이업된다. 초기 성형 동작에서, 한 쌍의 매칭되는 다이들이 편평한 스택을, 원하는 단면 형상을 갖는 직선 부품으로 펀칭 성형한다. 이차 성형 동작에서, 이 부품은 컨투어드 성형 도구 상으로 성형되며, 이 컨투어드 성형 도구는 원하는 컨투어를 부품의 길이를 따라 부품에 부여한다. 이들 두 성형 동작들의 결과로서, 부품은 두 개의 축들을 따라 컨투어들을 갖는다.
통상적인 라미네이트 레이업들은 통상적으로, 0°, 45° 및 90° 플라이들의 조합을 사용한다. 위에서 설명된 공정에서는, 높은 종횡비들을 갖는 컨투어드 복합 라미네이트 부품들, 이를테면, 항공우주 비히클(vehicle)들에서 사용되는 스트링거들 및 날개보들을 생산하기 위해 이들 통상적인 라미네이트들을 사용할 때, 0° 배향들을 갖는 플라이들의 강화 섬유들 중 일부 때문에, 플라이 링클링이 발생할 수 있다. 0° 플라이들의 섬유들은, 이차 성형 동작 동안 부품의 전체 길이를 따라 압축이 로딩되는 것에 대한 응답으로 스트레인된다. 플라이 링클링의 문제는, 부품이 많은 개수의 플라이들을 갖고 그리고/또는 이 부품의 길이를 따라 조글들 또는 지나친 플라이 램프(ramp)들을 포함하는 경우, 더욱 두드러질 수 있다. 플라이 링클링은 바람직하지 않다. 일부 애플리케이션들에서는, 플라이 링클링을 감소시키거나 또는 제거하기 위해 부품들이 재작업될 수 있지만, 재작업은 노동비들에 추가되며, 생산율을 감소시킬 수 있다. 링클링 문제에 대한 하나의 솔루션은 0° 플라이들을 세그먼트들로 컷팅하는 것을 수반하지만, 이는 로드 적재 능력(load carrying ability)을 감소시킬 수 있다. 감소된 로드 적재 능력은, 추가적인 플라이들을 부품에 추가함으로써 보상될 수 있지만, 문제에 대한 이 접근법은 재료비들 및 부품 중량을 증가시킨다.
본 개시내용은 일반적으로, 컨투어드 기하학적 구조들 및 높은 종횡비들을 갖는 복합 라미네이트 부품들의 제작에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는, 원하는 컨투어로의 라미네이트의 성형 동안 플라이 링클링을 감소시키는 제작 방법에 관한 것이다.
일 양상에 따라, 감소된 링클링을 나타내는, 주 로딩 축(major axis of loading)을 따라 원하는 컨투어를 갖는 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법이 제공된다. 방법은, 단향성 섬유 배향을 각각 갖는 섬유 플라이들의 실질적으로 편평한 스택을 레이업하는 단계를 포함한다. 플라이들 중 적어도 일부는 주 로딩 축을 따라 일차 축 스티프니스(stiffness)를 부품에 제공한다. 방법은, 성형 동안 섬유들에 작용하는 압축력을 감소시키기 위해, 플라이들을 주 로딩 축을 기준으로 오프-각도(off-angle)들로 배향시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 스택을 원하는 단면 형상으로 성형하는 단계, 및 스택을 원하는 컨투어로 성형하는 단계를 포함한다. 성형 동안, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들 상의 스트레인(strain)은 이 플라이들의 오프-각도 배향의 결과로서 감소된다.
다른 양상에 따라, 높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법이 제공된다. 방법은, 단향성 강화 섬유들의 플라이들에 대한 섬유 각도들의 세트를 선택하는 단계, 및 섬유 각도들 각각에 대해, 존에서 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트를 제공하기 위해 요구되는, 존들 각각에서의 플라이들의 개수를 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 플라이들의 형상 및 스태킹(stacking) 시퀀스를 결정하는 단계를 포함한다. 방법은, 이 스태킹 시퀀스를 사용하여 플라이들을 편평한 스택으로 레이업하는 단계, 및 이 편평한 스택을 컨투어드 복합 라미네이트 부품의 형상으로 성형하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양상에 따라, 주 로딩 축을 가지며 세로 및 가로 둘 모두로 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너(stiffener)를 만드는 방법이 제공된다. 방법은, 단향성 섬유 배향을 각각 갖는 섬유 플라이들의 실질적으로 편평한 스택을 레이업하는 단계를 포함하며, 이 플라이들 중 적어도 일부는 주 로딩 축을 따라 일차 축 스티프니스를 부품에 제공한다. 플라이들을 레이업하는 단계는, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들을 주 로딩 축을 기준으로 오프-각도들로 배향시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 스택을 원하는 가로 및 세로 컨투어들로 성형하는 단계를 포함하며, 성형 동안, 일차 축 스티프니스를 스티프너에 제공하는 플라이들의 섬유들은 이 섬유들의 길이들을 따라 압축 상태로부터 뉴트럴 상태로, 그리고 뉴트럴 상태로부터 인장 상태로 전이된다. 성형 동안, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들 상의 스트레인은 이 플라이들의 오프-각도 배향의 결과로서 감소된다.
또 다른 양상에 따라, 일차 로딩 축을 갖는 복합 라미네이트 스티프너를 성형하는 방법이 제공된다. 방법은, 강화 섬유들의 플라이들의 편평한 복합 라미네이트 스택을 레이업하는 단계, 및 플라이들 중 적어도 일부가 압축 로딩을 겪도록 복합 라미네이트 스택을 성형하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 성형 동안 압축을 겪는 플라이들 상에 섬유들이 압축되는 길이를 단축시키는 단계를 포함한다.
다른 양상에 따라, 일차 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너를 성형하는 방법이 제공된다. 방법은, 강화 섬유들의 플라이들의 편평한 스택을 레이업하는 단계 ―이 플라이들 중 일부는 일차 축 스티프니스를 스티프너에 제공함―, 및 일차 로딩 축을 따라, 편평한 스택을 원하는 컨투어로 성형하는 단계를 포함하며, 성형은 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들의 섬유들을 압축되게 두며, 이 섬유들의 스트레칭을 유발한다. 방법은 또한, 성형 동안 섬유들이 압축되는 길이를 감소시킴으로써, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들의 섬유들에 대한 압축을 감소시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 스트레칭 부분을 전단 변형으로 변환하는 단계를 포함한다.
추가적인 양상에 따라, 주 로딩 축을 따라 컨투어링되는 복합 라미네이트 스티프너가 제공된다. 스티프너는 플라스틱 매트릭스에서 유지되는 단향성 강화 섬유들의 복수의 라미네이팅된 플라이들을 포함하며, 이 플라이들 전부는 주 로딩 축을 기준으로 오프-각도들로 있는 섬유 배향들을 갖는다.
제작 방법의 장점들 중 하나는, 컨투어드 기하학적 구조로 성형될 때 링클링되는 경향을 갖는 0° 섬유 배향들을 가지는 플라이들의 제거이다.
제작 방법의 다른 장점은, 주로 부품의 세로 축을 따라 강도 및 스티프니스를 제공하도록 의도된 섬유 배향들을 갖는 플라이들이 라미네이트의 전체 길이를 연장시키는 0° 섬유들과 비교하여 그 길이가 더 짧으며, 좌굴을 겪기 전에, 증가된 축 스트레인을 허용한다는 점이다. 이들 섬유들의 길이의 감소는 플라이들 간의 마찰의 양을 감소시키고, 이는 이 플라이들 간에 가로 슬립이 발생하게 하며, 이는 결국, 좌굴되는 최고 경향을 갖는 그러한 섬유들의 압축을 감소시킨다.
제작 방법의 추가적인 장점은, 부품의 세로 축을 따라 강도 및 스티프니스를 제공하는 섬유 배향들을 갖는 플라이들이, 이 플라이들이 성형 동안 압축 상태로부터 뉴트럴로 그리고 이후 인장 상태로 전이되어 이들 플라이들이 좌굴되는 것이 아니라 이완되게 허용하도록 배향되는, 컨투어드 기하학적 구조들 및 높은 종횡비들을 갖는 복합 라미네이트 부품들이 생산될 수 있다는 점이다.
실시예들의 또 다른 장점은, 0° 배향을 갖는 플라이들에 대한 필요없이, 그리고 부품의 중량을 증가시키지 않고, 주 로딩 축을 따라 적합한 스티프니스를 제공하는 고도로 컨투어링된 복합 라미네이트 부품, 이를테면, 컨투어드 스티프너가 생산될 수 있다는 점이다.
특징들, 기능들, 및 장점들은 본 개시내용의 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성될 수 있거나, 또는 아래의 설명 및 도면들을 참조하여 추가적인 세부사항들을 알 수 있는 또 다른 실시예들에 결합될 수 있다.
예시적 실시예들의 특성으로 여겨지는 신규한 특징들이 첨부된 청구항들에서 제시된다. 그러나, 예시적 실시예들, 뿐만 아니라 바람직한 사용 모드, 추가적인 목표들 및 그 장점들은, 첨부된 도면들과 함께 읽을 때 본 개시내용의 예시적 실시예의 아래의 상세한 설명에 대한 참조에 의해 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 컨투어드 복합 라미네이트 스티프너의 사시도의 예시이다.
도 2는 도 1에 도시된 스티프너를 성형하기 위해 사용되는 복합 플라이들의 편평한 스택의 사시도의 예시이다.
도 3은 도 2에서 "도 3"으로서 지정된 영역의 예시이다.
도 4는 도 2의 편평한 스택을 원하는 단면 형상을 갖는 직선 스티프너로 스탬핑 성형하기 위해 사용되는 다이 세트의 확대 단면도의 예시이다.
도 5는 도 4와 유사하지만, 원하는 단면 형상으로 스탬핑 성형된 편평한 스택을 나타내는 예시이다.
도 6은 경화 도구의 단면도의 예시이며, 스탬핑 성형된 스티프너를 원하는 컨투어로 성형하기 위한 준비시, 이 스탬핑 성형된 스티프너는 이 경화 도구 상에 배치된다.
도 7은 직선 스티프너가 원하는 컨투어로 성형되는 컨투어드 도구 표면들을 더욱 잘 예시하는, 도 6에 도시된 경화 도구의 측면도의 예시이다.
도 8은 도 2에 도시된 스택의 플라이들 중 몇몇에 대한 확대도의 예시이다.
도 9는 오프-각도 플라이들 중 하나의 플라이의 단일 섬유의 배향을 나타내는, 도 1의 스티프너의 부분 사시도의 예시이다.
도 9는 오프-각도 섬유의 과장된 좌굴 및 플라이들 사이의 슬립피지를 나타내는 예시이다.
도 9a는 오프-각도 섬유의 과장된 좌굴 및 플라이들 사이의 슬립피지를 또한 나타내는, 도 9의 스티프너의 두 개의 인접한 플라이들에 대한 사시도의 예시이다.
도 10은 도 1과 유사하지만, 스티프너의 평면도를 나타내는 예시이다.
도 11a 및 도 11b는 두 개의 라미네이트 부품들에 대해 각각, 실질적으로 등가의 평면내 스티프니스 특성들을 야기하는 플라이 스태킹 시퀀스들을 나타내는 비교 표들의 예시들이다.
도 12는 스티프너의 길이를 따라 존들 내에 맞춤화된 스티프니스 특성들을 갖는 컨투어드 복합 라미네이트 스티프너의 사시도의 예시이다.
도 13은 도 12에서 "13"으로서 지정된 방향으로 보여지는, 도 12에 도시된 스티프너의 플랜지들 중 하나의 플랜지의 측면도의 예시이다.
도 14는 부분적 및 완전한 플라이들을 포함하는 플라이 스택 및 스태킹 시퀀스의 확대 사시도의 예시이다.
도 15는 도 14에 도시된 플라이 스택에 대한 레이업 시퀀스를 나타내는 표의 예시이다.
도 16은 감소된 링클링을 갖는 컨투어드 복합 라미네이트 부품의 기존 설계를 만드는 방법에 대한 흐름도의 예시이다.
도 17은 감소된 링클링을 갖는 컨투어드 복합 라미네이트 부품의 새로운 설계를 만드는 방법에 대한 흐름도의 예시이다.
도 18은 항공기 생산 및 서비스 방법론에 대한 흐름도의 예시이다.
도 19는 항공기의 블록도의 예시이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 복합 라미네이트 부품(30)은 이 복합 라미네이트 부품(30)의 길이(L)를 따라 컨투어링되며, 곡률 반경(R)을 갖는다. 예시된 예에서, 부품(30)은 항공기의 기체와 같은 구조물에서 로드(load)들을 전달하기 위해 사용되는, 본원에서 스티프너(30)로 또한 지칭되는 스트링거(30)이지만, 개시된 실시예들의 원리들은 다양한 단면 형상들을 갖는, 넓은 범위의 다른 타입들의 컨투어드 복합 부품들, 특히, 구조적 스티프너들의 제작에 사용될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "컨투어" 및 "컨투어드"는 각각, 그것의 가장 넓은 의미로 사용되며, 임의의 부분에서 또는 부품(30)의 길이 전체에 걸쳐 곡률들(그러나, 이에 제한되지 않음)을 포함한다. 또한, "컨투어" 및 "컨투어드"는 곡률들, 또는 일정하거나 또는 변하는 곡률 반경 뿐만 아니라 기하학적 구조의 국부적 변화들을 갖는 다른 기하학적 피처(feature)들, 이를테면, 조글들(이들에 제한되지 않음)을 포함한다. 스티프너(30)는, 캡(36)과 한 쌍의 웨브들(38)에 의해 정의된 햇(hat) 섹션(32)을 갖는다. 웨브들(38)은 캡(36)을, 밖으로 연장되는 한 쌍의 플랜지들(34)과 연결한다. 스티프너(30)는 이 스티프너(30)의 폭(W)보다 훨씬 더 긴 길이(L)를 가지며, 따라서 높은 종횡비를 갖는다.
스티프너(30)는 주 로딩 축(40)을 가지며, 예시된 예에서, 주 로딩 축(40)은 54로 도시된 좌표계의 X 축에 맞춰 정렬된다. 따라서, 스티프너(30)는 더블 컨투어를 지닌다. 제 1 컨투어는 XZ 평면에서 스티프너(30)의 길이를 따라 있으며, 햇 섹션(32)에 의해 정의된 제 2 컨투어는 YZ 평면에 있다. 햇 스트링거(30)가 예시되지만, 개시된 실시예들의 원리들은 또한, Z-형, C-형, 둥근 햇 형상, 또는 블레이드(I-형) 등과 같은 다른 단면 형상들을 갖는 스티프너들(그러나, 이들에 제한되지 않음)을 포함하는 다른 타입들의 스티프너들에 적용가능하다. 마찬가지로, 개시된 실시예들의 원리들은 다른 타입들의 복합 라미네이트 구조적 부재들, 이를테면, 하나 또는 그 초과의 평면들에서 컨투어링되며 그리고/또는 부재의 길이를 따라 변하는 단면 형상들을 갖는 날개보들 및 바닥보(floor beam)들에 적용가능하다.
이제, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 스티프너(30)는, 복합 플라이들(44)의 편평한 스택(42)을 원하는 단면 형상 및 세로 컨투어로 성형함으로써 제작된다. 단향성 섬유들(48)을 각각 포함하는 플라이들(44)은 적절한 플라스틱 매트릭스(50)에서 유지된다. 섬유들(48)은, 탄소, 글라스, 아라미드들, 세라믹 또는 이들의 임의의 조합(그러나, 이에 제한되지 않음)을 포함하여, 애플리케이션에 적절한 임의의 재료일 수 있다. 플라스틱 매트릭스(50)는 열경화성 또는 열가소성, 또는 열경화성 및 열가소성 둘 모두를 포함하는 하이브리드 재료 시스템일 수 있다. 예시된 예에서, 프리프레그 플라이들이 레이업되어 스택(42)이 성형되지만, 실시예들의 원리들은 또한, 건조 섬유들의 스택의 레이업에 적용가능하며, 이 건조 섬유들에는 후속하여 플라스틱 매트릭스(50)가 인퓨징된다.
도 2에 도시된 플라이(44)는 완전한 연속적 플라이지만, 편평한 스택(42)은 부분적 또는 불연속적 플라이들(미도시)을 포함할 수 있다. 이후에 더욱 상세히 논의될 바와 같이, 플라이들(44) 각각의 섬유들(48)은 주 로딩 축(40)을 기준으로 다양한 각도들(θ)로 배향된다. 예시된 예에서, 편평한 스택(42)을 포함하는 플라이들(44)은 밸런싱된다. 밸런싱된 섬유 각도들의 쌍들을 갖는 스택(42)에서, 플라이들(44)은 동일한 포지티브 및 네거티브 각도 배향들의 쌍들로 배열된다. 그러나, 다른 예들에서, 플라이들(44)은 언밸런싱될 수 있다. 추가로, 편평한 스택(42)은 대칭 또는 비대칭일 수 있다. 대칭 스택(42)에서, 스택(42)의 중간 평면(46)의 양쪽의 플라이들의 시퀀스는 서로에 대한 미러 이미지들이다. 아래에서 논의될 바와 같이, 플라이들(44) 전부가 주 로딩 축(40)을 기준으로 오프-각도들(θ)로 배향되며, 따라서 섬유들(48) 중 아무것도 0° 섬유 배향들을 갖지 않는다.
이제, 도 4 및 도 5에 주의를 기울이면, 도 4 및 도 5는, 편평한 스택(42)을 원하는 단면 형상을 갖는 직선 스티프너(30a)로 스탬핑 성형하기 위해 사용되는 다이 세트(56)를 예시하며, 예시된 예에서, 원하는 단면 형상은 햇 형상이다. 다이 세트(56)는 매칭되는 수형(male) 및 암형(female) 다이들(58, 60)을 각각 포함하며, 이 다이들(58, 60)은 프레스(미도시) 또는 다이들(58, 60)을 함께 가압하는 다른 머신에 배치된다. 수형 다이(58)는 펀치(64) 및 한 쌍의 다이 플랜지들(66)을 포함한다. 암형 다이(60)는 펀치(64)의 단면 형상에 매칭되는 단면 형상을 갖는 다이 캐비티(62)를 포함한다. 성형 동작을 위한 준비시, 편평한 스택(42)이 암형 다이(60)의 상부 표면들(60a) 상에 배치된다. 이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 다이 세트(56)가 닫혀서, 펀치(64)로 하여금 편평한 스택(42)의 일 부분을 다이 캐비티(62) 안으로 가압하게 하는 동시에, 다이 플랜지들(66)은 스택(42)의 다른 부분들을 암형 다이(60)의 상부 표면들(60a)에 대고 압축한다.
도 6 및 도 7은, 직선 스티프너(30a)를 이 직선 스티프너(30a)의 길이를 따라 원하는 컨투어로 성형하며, 완전히 성형된 스티프너(30)의 형상을 경화 동안 유지시키기 위해 사용되는 경화 도구(65)를 예시한다. 경화 도구(65)에는, 도 1에 도시된 컨투어드 스티프너(30)의 형상에 매칭되는 컨투어드 도구 표면들(69)이 제공된다. 컨투어 성형을 위한 준비시, 직선 스티프너(30a)가 경화 도구(65) 상에 배치되며, 이후, 스티프너(30a)와 경화 도구(65)의 어셈블리는 진공 포장되어(미도시) 오토클레이브(autoclave)(미도시)에 배치된다. 오토클레이브에서 스티프너(30a)에 가해지는 열과 압력(P)의 조합은 이 스티프너(30a)를 아래로, 컨투어드 도구 표면들(69) 상에 성형하며, 스티프너(30)를 경화시킨다.
여기서, 예시된 실시예에서는 부품(30)을 성형하기 위한 2-단계 공정이 설명되었지만, 모든 컨투어들(세로 및 가로 둘 모두)이 단일 성형 동작에서 성형되는 단일 단계 공정을 포함하는 다른 공정들이 사용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예컨대, 플라스틱 매트릭스가 열가소성인 경우, 편평한 스택은 성형 온도로 가열되며 통합 프레스에서 최종 형상으로 스탬핑 성형될 수 있다. 게다가, 플라스틱 매트릭스가 열경화성인 경우 열 경화가 사용될 수 있지만, 사용되고 있는 특정 재료 시스템에 따라, 성형된 열경화성 부품(30)을 실온에서 경화시키는 것(그러나, 이에 제한되지 않음)을 포함하여, 다른 경화 방법들이 사용될 수 있다.
도 8은 0° 플라이들이 없는 밸런싱된 라미네이트를 포함하는 스티프너(30)의 몇몇 단향성 플라이들(44a-44e)을 예시한다. 이 예에서, 플라이들(44a-44e)은 주 로딩 축(40)을 기준으로 ±θ1, ±θ2 및 ±θ3의 섬유 각도들을 가지며, 여기서
0 < θ1 < θ2 ≤ θ3 ≤ 90°,
θ2 - θ1 ≤ 45°, 및
θ3 - θ2 ≤ 45°이다.
플라이들(44a-44e)은 "오프-각도" 플라이들로 불리는데, 그 이유는 이들 플라이들의 섬유들(48)이 주 로딩 축(40)에 대하여 각도들을 형성하기 때문이다. +θ1은 대략 +5°내지 대략 +30°까지의 범위들 내에 있으며, -θ1은 대략 -5°내지 대략 -30°까지의 범위들 내에 있다. ±θ1의 배향들을 갖는 섬유들(48)이 일차 축 또는 세로 스티프니스를 라미네이트 스티프너(30)에 제공하는 반면에, ±θ2 섬유 배향들을 갖는 섬유들(48)은 더 적은 양의 축 스티프니스 및 어느 정도의 가로 스티프니스를 라미네이트에 제공한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "일차 축 스티프니스"는, 플라이(44)의 섬유들(48)이 주로, 가로 스티프니스가 아니라 세로 또는 축 스티프니스를 부품(30)에 제공한다는 것을 의미한다. 예시된 예에서, 90° 배향(θ3 = 90°)을 갖는 플라이들은 가로 스티프니스를 스티프너(30)에 제공한다.
이제, 도 9 및 도 10에 주의를 기울이면, 도 9 및 도 10은 일차 축 스티프니스를 스티프너(30)에 제공하는 섬유들(48) 중 하나의 섬유의 오프-각도 배향을 예시한다. 섬유(48)는 +θ1의 오프-각도 섬유 배향을 갖는, 도 8에 도시된 플라이(44)의 일부를 형성할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 섬유(48)는 스티프너(30)의 길이(L)(도 1) 미만의 길이(L')를 가지며, 따라서 그렇지 않으면 스티프너(30)의 전체 길이(L)를 연장시켰을 통상적인 라미네이트의 0° 플라이(미도시)의 섬유들보다 그 길이가 더 짧다. 이제, 도 9a를 또한 참조하면, 세로 컨투어로의 직선 스티프너(30a)의 성형 동안 섬유(48)의 좌굴(49)은, 섬유(48) 상의 세로 스트레인(εx), 이 스트레인(εx)이 가해지는 길이(L'), 및 섬유(48)에 영향을 끼치는 경계 조건들의 함수이다. 섬유(48) 상의 세로 스트레인(εx)을 감소시킴으로써, 좌굴(49)하는 섬유(48)의 경향은 감소될 수 있다. 섬유(48)의 길이(L')를 감소시켜서, 플라이들 및 그에 따라 섬유(48)로 하여금 평면에서 슬립(55)하도록 허용하고, 성형 동안의 평면내 트위스팅에 기인하여 섬유(48)를 전단(53)이 되게 두는 것은 전부, 섬유(48) 상의 세로 스트레인(εx) 및 그에 따른 좌굴(49)에 대한 가능성을 감소시키는 것에 기여한다.
아래에서 논의될 바와 같이, 직선 스티프너(30a)(도 7)가 원하는 세로 컨투어로 성형될 때, 오프-각도 플라이들(44)은 0° 플라이들보다 링클링될 개연성이 더 낮다. 오프-각도 플라이들(44)의 사용은 몇몇 이유들로 플라이 링클링을 감소시킨다. 첫째, 오프-각도 플라이들(44)은, 성형 동안 개별 섬유들(48)이 압축(57)(도 9 및 도 9a)되는 길이(L)를 감소시키며, 스트레칭(εx) 부분을 전단 변형(53)(도 9a)으로 변환한다. 둘째, 오프-각도 플라이들(44)은 성형 동안 어느 정도 이완(59)되도록 허용되는데, 그 이유는 일차 축 스티프니스를 제공하는 ±θ1의 배향 각도들을 갖는 섬유들(48)이 캡들(36)에서의 압축 상태(57)로부터 웨브들(38)에서의 뉴트럴 상태(61)로, 그리고 이후, 플랜지들(34)에서의 인장 상태(63)로 전이되기 때문이다. 섬유들(48)의 길이(L) 중 일부의 이러한 이완(59)은 성형 공정 동안 좌굴(49)하는 그들의 경향을 감소시킨다. 셋째, 오프-각도 섬유들(48)이 (0° 섬유들보다) 그 길이(L)가 더 짧기 때문에, 성형 동안 플라이들(44)(도 9a) 사이의 어느 정도의 가로 슬립(55)이 이루어지며, 이 플라이 슬립피지는 섬유들(48)의 압축(57)의 감소를 야기한다. 넷째, 오프-각도 플라이들(44)의 섬유들(48) 상의 더 낮은 로딩에 기인하여, 오프-각도 섬유들(48) 상의 스트레인(εfiber)은 εfiber = εx*COS2(θ)에 따라 감소되며, 여기서 θ는 주 로딩 축(40)을 기준으로 한 섬유(48)의 각도 배향이고, εx는 세로 방향(40)(도 1)에서의 플라이(44)의 스트레인이다.
오프-각도 배향들의 선택된 조합들 및 미리 선택된 플라이 시퀀스들을 갖는 플라이들(44)을 사용하여, 0° 플라이들에 대한 필요 없이, 축 스티프니스를 위해 0° 플라이들에 의존하는 비슷한 중량의 등가의 라미네이트와 본질적으로 동일한 스티프니스 및 성능을 제공하는 라미네이트 부품(30)이 생산될 수 있다. 따라서, 0° 플라이들을 사용하는 기존 스티프너 설계는, 라미네이트 스티프니스를 희생시키거나 또는 부품(30)의 중량을 증가시키지 않고, 플라이 링클링을 감소시키기 위하여, 오프-각도 플라이들(44)을 사용하여 재설계될 수 있다.
이제, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 도 11a 및 도 11b는 컨투어드 라미네이트 부품에 대한 두 개의 가능한 레이업 시퀀스들(68, 70)을 각각 도시하며, 레이업 시퀀스에서 플라이들(44) 각각에 대한 플라이 배향 각도들(74)이 도시된다. 도 11a는 0°, ±45° 및 90° 플라이들의 통상적인 조합을 사용하는 26 플라이 라미네이트 부품의 시퀀싱을 도시한다. 도 11b는 성형 동안 플라이 링클링을 감소시키기 위하여 0° 플라이들의 사용을 회피하는, 동일한 라미네이트 두께를 갖는 동일한 26 플라이 라미네이트 부품의 재설계된 시퀀싱을 도시한다. 도 11b에 도시된 레이업 시퀀스는 ±20°, ±29°, ±64° 및 90° 플라이들의 조합을 사용하며, 도 11a에 도시된 플라이 시퀀스를 사용하여 생산된 라미네이트 부품과 등가의 스티프니스를 나타내는 컨투어드 라미네이트 부품을 야기하며, 부품 중량은 증가되지 않는다.
일부 애플리케이션들에서, 컨투어드 복합 라미네이트 부품(30)은 이 부품의 상이한 영역들에서 상이한 스티프니스 요건들을 가질 수 있다. 예컨대, 이제 도 12 및 도 13을 참조하면, 컨투어드 복합 스티프너(30)는 이 컨투어드 복합 스티프너(30)의 길이를 따라 상이한 존들(72)에서 상이한 스티프니스 요건들을 가질 수 있다. 상이한 존들(72)에서의 상이한 스티프니스 특성들은, 플라이 배향들을 변화시키고 그리고/또는 존들(72) 각각에서의 주어진 배향의 플라이들의 개수를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 도 13을 참조하면, 스티프너(30)는, 존(5)에서의 두께(T2)를 초과하지만 존(4)에서의 두께(T1) 미만의 두께(T3)를 존(6)에서 가질 수 있다. 상이한 두께들(T)을 갖는 존들 사이에서 전이하기 위해 플라이 램프들(76)이 사용된다.
또한, 이제 도 14 및 도 15를 참조하면, 선택된 섬유 배향들의 완전한 플라이들(44') 및 부분적 플라이들(44'')(도 14)의 조합을 미리 결정된 시퀀스로 레이업함으로써, 맞춤화된 스티프니스 특성들의 개별 존들을 제공하기 위해 그것의 길이를 따라 상이한 두께들을 갖는 라미네이트 부품(30)이 달성될 수 있다. 도 15는 존(1-10) 각각에서 상이한 스티프니스들을 생성하기 위한 레이업 시퀀스를 예시한다. 이 예에서, 라미네이트 부품(30)은, 그 존에 걸쳐 완전한 플라이(44')(도 14)가 스트레칭(εx)되는지 또는 부분적 플라이(44'')(도 14)가 스트레칭(εx)되는지의 여부에 기반하여, 존들(1-10)의 다양한 존들에서 상이한 플라이 두께들(T)(도 13)을 갖는다. 도 14 및 도 15에 도시된 레이업 시퀀스에 의해 표현된 라미네이트 부품(30)은, ±20°, ±54°, 및 90° 크로스 플라이들의 각도 배향들을 갖는 완전한 및 부분적 플라이들의 조합을 포함한다. 이 예에서, ±20° 오프-각도 플라이들은 일차 축 스티프니스를 제공한다.
도 16은, 감소된 링클링을 가지며 그것의 길이를 따라 상이한 스티프니스들을 나타내는 컨투어드 복합 라미네이트 부품(30)을 생산하기 위한 일 방법의 전체 단계들을 대략적으로 예시한다. 이 예에서, 방법은, 0° 플라이들의 사용을 회피하는 새로운 부품 설계를 이용하여, 0° 플라이들을 활용하는 기존 부품 설계를 생산하기 위해 사용된다. 아래에서 논의될 바와 같이, 특정 스티프니스 요건들을 갖는 각각의 존(72)에 대해, 플라이 배향들(섬유 각도들) 및 각도마다의 플라이들의 개수가 결정된 이후에만, 플라이들의 형상들은 선택 및 최적화된다.
84에서 시작하면, 그것의 길이를 따라 상이한 스티프니스 특성들(그러나, 이에 제한되지 않음)을 포함하여, 충족될 것이 요구되는 부품 사양들을 갖는 교체될 기존 부품(30)이 선택된다. 86에서, 기존 부품 설계로부터 정보, 이를테면, 각각의 존에서 배향마다의 플라이들의 개수, 재료 특성들 및 존 치수들(이들에 제한되지 않음)이 추출된다. 88에서, 기존 부품 라미네이트 스티프니스 및 두께에 매칭되는 다양한 플라이 각도 조합들에 대한 연속적 플라이 두께 값들(ti j)이 결정된다. 88에서 이루어지는 결정은 부품(30a)에 사용되는 새로운 섬유 배향들(θ)의 개수를 선택하는 것을 포함하고, 이는, 예컨대, 라미네이트를 선택된 개수의 섬유 배향들, 이를테면, 90°내지 0°의 세 개의 섬유 배향들(θ1, θ2, θ3)로 제한하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 0 < θ1 < θ2 ≤ θ3 ≤ 90°이다. 섬유 배향들의 개수를 비교적 적은 개수, 이를테면, 세 개의 섬유 배향들(θ1, θ2, θ3)로 제한하는 것은, θ1, θ2, θ3의 모든 가능한 조합들에 걸쳐 반복함으로써, 전체 설계 공간이 조사되도록 허용한다. 실제, 섬유 배향들은 0 내지 90°에서 정수 개수들로 제한된다.
CLT(classical lamination theory)로부터, 라미네이트의 스티프니스 특성들은 밀접한 관계의 스티프니스 파라미터들의 세트의 함수로서 표현될 수 있다. 밸런싱된 라미네이트를 가정하면, 라미네이션 파라미터들을 정의하는 두 개의 방정식들 및 총 라미네이트 두께에 대한 하나의 방정식이 있다. 그러므로, 세 개의 섬유 각도들의 세트를 선택하는 것은, 레이업 존(72)(세 개의 플라이 두께들은 알려져 있지 않음)마다 아래의 세 개의 방정식들을 야기하며, 여기서 섬유 각도들은 모든 존들에 대해 동일하다:
Figure 112017049014998-pat00001
여기서, ti j = 존(j)에서 각도(θi)에 대한 연속적 플라이 두께,
tply = 실제 재료 플라이 두께
θ = 섬유 각도(플라이 배향)
Vj = 존(j)에서 오리지널 라미네이트 설계의 평면내 라미네이션 파라미터들
Nj = 존(j)에서 플라이들의 총 개수
각각의 존에 대한 방정식들의 위 세트들은 다른 존들에 대한 방정식들로부터 독립적이다. 존들 전부에서 모든 플라이들에 대해 포지티브 두께 값들을 갖는 솔루션들만이 선택된다. 원하는 라미네이트 특성들을 야기하는 세 개의 섬유 각도들의 그러한 조합들만이 선택된다. 공정의 이 지점에서, 이들 조합들 전부는 동일한 스티프니스를 야기하지만, 현실적인 문제로, 이들 조합들 전부가 만들어질 수 있는 것은 아닌데, 그 이유는 두께들이 통상적으로 정수 개수에 대응하지 않기 때문이다. 섬유 각도들에 대한 특정 조합들은 특정 복합 라미네이트 설계 규칙들에 기반하여 제거될 수 있다. 예컨대, 아래의 제약들을 충족시키는 섬유 각도 조합들만이 고려된다:
θ2 - θ1 ≥ 45°
θ3 - θ2 ≥ 45°
위 설명으로부터, 단계(88)에서 연속적 플라이 두께 값들을 결정하는 공정이, 섬유 각도들의 다수의 가능한 조합들로부터, 섬유 각도들의 세트를 선택하는 것, 그리고 존들 각각에 대해, 원하는 스티프니스 특성들을 제공할, 그 존 내에서의 라미네이트의 두께를 결정하는 것을 포함한다는 것이 인식될 수 있다.
88에서 연속적 두께 솔루션이 획득된 후에, 연속적 솔루션은, 각도들의 가능한 조합들로부터 선택된 섬유 각도들의 세트에 기반하여 존 내에서 원하는 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 이산 값 또는 정수 개수를 갖는 솔루션으로 감소된다. 단계(90)에서, 플라이 두께 값들(T)은, 이산 플라이 두께 정수 최적화를 수행함으로써 세부조정된다. 이산 플라이 두께 정수 최적화 공정은, 결과적 라미네이션 파라미터와 최적 라미네이션 파라미터 사이의 차이를 최소화시키는 목표와 혼합된 정수 최적화 문제이다. 단계(90)에서 수행되는 공정은 존들(72) 전부에서 레이업들에 대한 이산 플라이 두께들을 갖는 플라이들(44)의 개수를 계산하여서, 이로써 밸런스 및 넌제로(nonzero) 플라이 카운트들을 보장하는 것을 포함한다. 단계들(88 및 90)의 완료는 각각의 존에서 원하는 스티프니스들을 제공할 수 있는, 섬유 각도들의 세트들과 플라이 두께들의 다수의 가능한 조합들을 야기한다. 이들 가능한 조합들은 후속하여, 존들 각각에 대해 라미네이션 특성들을 최적화하기 위하여 세부조정 및 필터링된다.
따라서, 92에서는, 단계(90)에서 수행된 플라이 두께 정수 최적화의 결과들이 필터링된다. 92에서 결과들을 필터링하는 것은, 원하는 평면내 라미네이트 특성들을 최적화할 플라이들의 정수 개수를 결정하며, 다수의 가능한 솔루션들을 야기한다. 단계(90)의 결과들의 이러한 필터링, 즉, 최적화 공정은 라미네이트 특성들의 원하는 세트로부터의 유효 라미네이트 특성들의 허용 편차에 기반하여 다수의 가능한 최적화된 솔루션들을 필터링하는 것을 수반하며, 부품(30a)의 레이업 존들(1-10)(도 12) 각각에서 다수의 후보 섬유 각도 조합들 및 각도 각각에 대한 플라이 카운트들을 야기한다. 이러한 필터링 공정은, 링클들을 가장 잘 감소시키고, 주어진 라미네이트 스티프니스에 매칭되며, 플라이 시퀀스들의 개수를 최소화시키는 라미네이트 설계의 선택을 야기한다.
단계들(88, 90 및 92)은, 레이업 존들 각각에 대해, 다수의 후보 섬유 각도 조합들 및 이들 각도들 각각에 대한 플라이 카운트들을 야기한다. 94에서, 레이업 정보가 생성되며, 이는 스태킹 시퀀스 및 제조가능성 규칙들의 원하는 세트에 따르는 스태킹 시퀀스 및 플라이 형상들을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 스태킹 시퀀스 규칙들은 바람직하지 않은 라미네이트 모드들을 회피한다. 스태킹 시퀀스는, 적어도 부분적으로, 라미네이트의 실질적으로 균질한 벤딩 스티프니스 특성들을 달성하도록 선택된다. 플라이 스플라이스들이 요구될 때, 매체 길이 플라이들의 단부들을 겹침으로써 달성될 수 있는, 자연스럽게 생성된 스플라이스들이 바람직하다. 자연스런 스플라이스들의 사용은, 구조적 무결성을 유지하면서, 긴 플라이들 사이에서 스플라이스들을 강화시키기 위해 요구되는 짧은 플라이들에 대한 필요를 회피함으로써 레이업 효율성을 개선시킨다. 또한, 플라이 형상들을 결정할 때, 하나의 존으로부터 다른 존으로의 전달 로드들을 최대화시키기 위하여, 뿐만 아니라 레이업 효율성을 최적화하기 위해, 가능한 한 플라이들은 연속적이어야 한다. 96에서, 플라이들(44)의 편평한 스택은 94에서 생성된 레이업 정보에 기반하여 레이업된다. 이후, 98에서, 편평한 스택(42)은, 스탬핑 성형에 의해서, 원하는 단면 형상, 이를테면, 햇 또는 다른 형상을 갖는 직선 부품(30)으로 성형된다. 이후, 100에서, 라미네이트 부품(30a)은 이 라미네이트 부품(30a)의 주 로딩 축을 따라 원하는 컨투어로 성형된다. 마지막으로, 102에서, 완전히 성형된 라미네이트 부품(30a)은 경화된다.
이제, 도 17에 주의를 기울이면, 도 17은 기존 설계가 아니라 새로운 설계의 복합 라미네이트 부품(30)을 생산하는 방법의 단계들을 대략적으로 예시한다. 감소된 링클링을 갖는 새롭게 설계된 라미네이트 부품(30)을 생산하기 위한 공정은, 도 16을 참조하여 앞서 설명된 공정과 유사하지만, 기존 부품의 스티프니스에 매칭될 필요가 없다. 간략히, 새로운 부품에 대한 사양들, 그 뒤에 플라이 형상들 및 스태킹 시퀀스의 최적화를 충족시키기 위해, 각각의 선택되는 플라이 배향의 얼마나 많은 플라이들이 요구되는지에 대한 결정이 이루어진다.
따라서, 특히 도 17을 참조하면, 104에서 새로운 부품이 선택되며, 106에서 이 부품의 재료, 섬유 배향들 및 구조적 사이즈가 선택된다. 단계(106)를 수행할 때, 부품(30)의 존들(72)이 정의되며, 각각의 존에서 배향마다의 플라이들의 개수가 결정된다. 다음으로, 108에서, 레이업 정보가 생성되며, 이는 스태킹 시퀀스 및 제조가능성 규칙들의 원하는 세트에 따르는 스태킹 시퀀스 및 플라이 형상들을 결정하는 것을 포함한다. 이후, 110에서, 편평한 라미네이트 스택이 레이업되며, 그 뒤에, 112에서, 편평한 라미네이트 스택은, 스탬핑 성형 또는 앞서 설명된 다른 공정들에 의해서, 원하는 단면 형상을 갖는 직선 부품으로 성형된다. 114에서, 라미네이트 부품은 원하는 세로 컨투어로 성형되며, 그후에, 116에서 경화된다. 앞서 언급된 바와 같이, 단계들(112 및 114)은, 성형이 단일 동작으로 수행되는 경우 동시에 수행될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 다양한 잠재적인 애플리케이션들에서, 특히, 예컨대 항공우주, 해양, 자동차 애플리케이션들, 및 컨투어드 복합 라미네이트 구조적 부재들이 사용될 수 있는 다른 애플리케이션을 포함하는 운수 산업에서 용도를 발견할 수 있다. 따라서, 이제 도 18 및 도 19를 참조하면, 본 개시내용의 예들은 도 18에 도시된 항공기 제조 및 서비스 방법(118) 그리고 도 19에 도시된 항공기(120)의 상황에서 사용될 수 있다. 개시된 실시예들의 항공기 애플리케이션들은 예컨대 날개보들, 스트링거들, 보(beam)들, 및 주 로딩 축을 따라 컨투어링되는 유사한 구조적 부재들(이들에 제한되지 않음)을 포함할 수 있다. 사전-제조 동안, 예시적 방법(118)은 항공기(120)의 사양 및 설계(122) 그리고 재료 조달(124)을 포함할 수 있다. 생산 동안, 항공기(120)의 컴포넌트 및 서브어셈블리 제조(126) 그리고 시스템 통합(128)이 이루어진다. 그후에, 항공기(120)는 인증 및 배달(130)을 거쳐서 운항중(132)에 배치될 수 있다. 고객에 의해 운항중일 동안, 항공기(120)는, 수정, 재구성, 재연마 등을 또한 포함할 수 있는 일상의 유지보수 및 서비스(134)를 위해 스케줄링된다.
방법(118)의 공정들 각각은 시스템 통합자, 제3자, 및/또는 오퍼레이터(예컨대, 고객)에 의해 수행되거나 또는 실행될 수 있다. 이 설명의 목적들을 위해, 시스템 통합자는 임의의 수의 항공기 제조자들 및 주요 시스템 하청업체들(이들에 제한되지 않음)을 포함할 수 있고; 제3자는 임의의 수의 벤더들, 하청업체들, 및 공급자들(이들에 제한되지 않음)을 포함할 수 있으며; 오퍼레이터는 항공사, 임대 회사, 군수업체, 서비스 조직 등일 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 예시적 방법(118)에 의해 생산된 항공기(120)는 복수의 시스템들(138) 및 인테리어(1406)와 함께 기체(136)를 포함할 수 있다. 기체(136)는 날개보들, 스트링거들, 보들, 및 하나 또는 그 초과의 컨투어들을 갖는 유사한 구조적 부재들(142)을 포함할 수 있다. 하이-레벨 시스템들(138)의 예들은 추진 시스템(144), 전기 시스템(146), 유압 시스템(148) 및 환경 시스템(150) 중 하나 또는 그 초과를 포함한다. 임의의 개수의 다른 시스템들이 포함될 수 있다. 항공우주 예가 도시되지만, 본 개시내용의 원리들은 다른 산업들, 이를테면, 해양 및 자동차 산업들에 적용될 수 있다.
본원에 구현된 시스템들 및 방법들은 생산 및 서비스 방법(118)의 단계들 중 임의의 하나 또는 그 초과 동안 사용될 수 있다. 예컨대, 생산 공정(126)에 대응하는 컴포넌트들 또는 서브어셈블리들은, 항공기(120)가 운항중에 있는 동안 생산되는 컴포넌트들 또는 서브어셈블리들과 유사한 방식으로 제작되거나 또는 제조될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들의 조합은, 예컨대, 실질적으로 항공기(120)의 어셈블리를 촉진시키거나 또는 이 항공기(120)의 비용을 감소시킴으로써, 생산 단계들(126 및 128) 동안 활용될 수 있다. 유사하게, 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 초과는, 항공기(120)가 운항중에 있을 동안 예컨대 유지보수 및 서비스(134)(이에 제한되지 않음)에 활용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "~ 중 적어도 하나"란 문구는, 항목들의 목록과 함께 사용될 때, 열거된 항목들 중 하나 또는 그 초과의 상이한 조합들이 사용될 수 있으며 목록의 각각의 항목 중 단 한 개만이 요구될 수 있다는 것을 의미한다. 예컨대, "항목 A, 항목 B, 및 항목 C 중 적어도 하나"는 항목 A, 항목 A 및 항목 B, 또는 항목 B(이에 제한되지 않음)를 포함할 수 있다. 이 예는 또한, 항목 A, 항목 B 및 항목 C, 또는 항목 B 및 항목 C를 포함할 수 있다. 항목은 특정 오브젝트, 물건, 또는 카테고리일 수 있다. 다시 말해서, 적어도 하나는, 목록으로부터 임의의 조합의 항목들 및 임의의 개수의 항목들이 사용될 수 있지만, 목록의 항목들 전부가 요구되는 것은 아니라는 것을 의미한다.
따라서, 요약하면, 본 발명의 제 1 양상에 따라, 다음이 제공된다:
A1. 감소된 링클링을 나타내며 주 로딩 축(40)을 따라 원하는 컨투어(R)를 갖는 복합 라미네이트 부품(30)을 만드는 방법은:
단향성 섬유 배향을 각각 갖는 섬유 플라이들(44)의 실질적으로 편평한 스택(42)을 레이업하는 단계 ―이 플라이들(44) 중 적어도 일부는 주 로딩 축(40)을 따라 일차 축 스티프니스를 부품(30)에 제공하며, 이 레이업하는 단계는, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)을 주 로딩 축(40)을 기준으로 오프-각도들(±θ1)로 배향시키는 단계를 포함함―;
스택(42)을 원하는 단면 형상으로 성형하는 단계; 및
스택(42)을 주 로딩 축(40)을 따라 원하는 컨투어로 성형하는 단계를 포함하며,
성형 동안, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44) 상의 스트레인(εx)은 이 플라이들(44)의 오프-각도 배향에 의해 감소된다.
A2. 또한, 문단 A1의 방법에서, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)은 대략 +5° 내지 +30°, 그리고 대략 -5° 내지 -30°의 범위들 내의 오프-각도들(±θ1)로 배향된다.
A3. 또한, 문단 A1의 방법에서, 편평한 스택(42)을 레이업하는 단계는 스택(42)의 플라이들(44) 전부를, 주 로딩 축(40)을 기준으로 대략 ±5°를 초과하는 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)로 배향시키는 단계를 포함한다.
A4. 또한, 문단 A1의 방법에서, 플라이들(44)을 배향시키는 단계는, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48)이 원하는 컨투어의 성형 동안 그들의 길이(L')를 따라 압축 상태(57)로부터 뉴트럴 상태(61)로, 그리고 뉴트럴 상태(61)로부터 인장 상태(59)로 전이되도록 수행된다.
A5. 또한, 문단 A1의 방법은,
플라이들(44)에 대한 두께 값들(ti j)을 계산하는 단계;
이산 플라이 두께 정수 최적화를 수행하는 단계;
플라이들(44)에 대한 두께 값들(ti j)을 계산하는 것 및 이산 플라이 두께 정수 최적화의 결과들을 필터링하는 단계; 및
플라이들(44)의 형상 및 스태킹 시퀀스를 최적화하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라, 다음이 제공된다:
B1. 높은 종횡비, 주 로딩 축(40), 그리고 각자의 길이(L)를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들(72)을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품(30)을 만드는 방법은,
단향성 강화 섬유들(48)의 플라이들(44)에 대한 섬유 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)의 세트를 선택하는 단계;
섬유 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3) 각각에 대해, 존(72)에서 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트를 제공하기 위해 요구되는, 존들(72) 각각에서의 플라이들(44)의 개수를 결정하는 단계;
플라이들(44)의 형상 및 스태킹 시퀀스를 결정하는 단계;
스태킹 시퀀스를 사용하여 플라이들(44)을 편평한 스택(42)으로 레이업하는 단계; 및
편평한 스택(42)을 컨투어드 복합 라미네이트 부품(30)의 형상으로 성형하는 단계를 포함한다.
B2. 또한, 문단 B1의 방법에서,
섬유 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)을 결정하는 단계는 섬유 각도들의 복수의 가능한 조합들을 선택하는 단계를 포함하며, 그리고
존(72)에서 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트를 제공하기 위해 요구되는, 존들(72) 각각에서의 플라이들(44)의 개수를 결정하는 단계는, 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)의 가능한 조합들 각각에 대해 수행된다.
B3. 또한, 문단 B2의 방법에서,
섬유 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)을 결정하는 단계는, 복합 라미네이트 설계 규칙들의 세트를 사용하여, 섬유 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)의 가능한 조합들 중 특정 조합을 제거하는 단계를 포함한다.
B4. 또한, 문단 B1의 방법에서, 섬유 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)의 세트는 주 로딩 축을 기준으로 θ1, θ2, θ3의 섬유 배향들을 포함하며, 여기서 0 < θ1 < θ2 ≤ θ3 ≤ 90°이다.
B5. 또한, 문단 B1의 방법에서,
θ2 - θ1 ≤ 45°, 및
θ3 - θ2 ≤ 45°이다.
B6. 또한, 문단 B4의 방법에서, θ1은 대략 5°내지 30°이도록 선택된다.
B7. 또한, 문단 B2의 방법에서,
존들(72) 각각에서의 플라이들(44)의 개수를 결정하는 단계는, 이산 플라이 두께 정수 최적화를 수행함으로써 플라이들(44)의 개수를 이산 값으로 제한하는 단계를 포함한다.
B8. 또한, 문단 B7의 방법에서, 존들(72) 각각에서의 플라이들(44)의 개수를 결정하는 단계는, 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트로부터의 유효 라미네이트 특성들의 허용 편차에 기반하여, 이산 플라이 두께 정수 최적화의 결과들을 필터링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라, 다음이 제공된다:
C1. 주 로딩 축(40)을 가지며 세로 및 가로 둘 모두로 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너(30)를 만드는 방법은,
단향성 섬유 배향(±θ)을 각각 갖는 섬유 플라이들(44)의 실질적으로 편평한 스택(42)을 레이업하는 단계 ―이 플라이들(44) 중 적어도 일부는 주 로딩 축(40)을 따라 일차 축 스티프니스를 스티프너(30)에 제공하며, 이 레이업하는 단계는, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)을 주 로딩 축(40)을 기준으로 오프-각도들(±θ)로 배향시키는 단계를 포함함―;
스택(42)을 원하는 가로 및 세로 컨투어들로 성형하는 단계를 포함하며, 성형 동안, 일차 축 스티프니스를 스티프너(30)에 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48)은 그들의 길이들(L')을 따라 압축 상태(57)로부터 뉴트럴 상태(61)로, 그리고 뉴트럴 상태(61)로부터 인장 상태(59)로 전이되며, 그리고
성형 동안, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44) 상의 스트레인(εx)은 이 플라이들(44)의 오프-각도 배향에 의해 감소된다.
C2. 또한, 문단 C1의 방법에서, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 오프-각도 배향들은, 플라이들(44)의 섬유들(48)이 압축되는 길이(L')를 감소시키며, 압축 부분이 전단 변형(53)으로 변환되게 한다.
C3. 또한, 문단 C1의 방법에서, 복합 라미네이트 스티프너(30)는 캡(36), 한 쌍의 웨브들(30) 및 한 쌍의 플랜지들(34)을 포함하는, 단면이 햇 형상(32)인 스트링거이며, 성형 동안,
캡(36)에서의 플라이들(44)의 섬유들(48)은 압축 상태(57)에 있고,
웨브들(38)에서의 플라이들(44)의 섬유들(48)은 뉴트럴 상태(61)에 있으며, 그리고
플랜지들(34)에서의 섬유들(48)은 인장 상태(59)에 있다.
C4. 또한, 문단 C1의 방법에서, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48)이 복합 라미네이트 스티프너(30)의 길이(L)보다 그 길이(L')가 더 짧아서, 성형 동안 플라이들(44) 사이의 가로 슬립(55)이 발생하며, 이 가로 슬립(55)은 섬유들(48)의 압축(57)을 감소시킨다.
C5. 또한, 문단 C1의 방법에서, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)을 오프-각도들로 배향시키는 단계는, 성형 동안 플라이들(44)의 섬유들(48) 상의 압축 로딩(57)을 감소시킨다.
C6. 또한, 문단 C1의 방법에서, 복합 라미네이트 스티프너(30)는 기존 스티프너 설계이며, 이 방법은,
기존 스티프너 설계의 스티프니스 및 두께(T)에 매칭되는 다양한 플라이 각도 조합들(±θ1, ±θ2, ±θ3)에 대한 연속적 플라이 두께 값들(ti j)을 결정하는 단계;
이산 플라이 두께들을 갖는 플라이들(40)의 개수를 계산하는 것을 포함하여, 이산 플라이 두께 정수 최적화를 수행하는 단계;
플라이 두께 정수 최적화의 결과들을 필터링하는 단계 ―성형 동안 링클들(49)을 가장 잘 감소시키는 라미네이트 설계가 선택됨―; 및
스태킹 시퀀스 및 제조가능성 규칙들의 원하는 세트에 따르는 스태킹 시퀀스 및 플라이 형상들을 결정하는 것을 포함하여, 레이업 정보를 생성하는 단계를 더 포함한다.
C7. 또한, 문단 C1의 방법에서, 복합 라미네이트 스티프너(30)는 각자의 길이(L)를 따라 상이한 스티프니스 요건들을 각각 갖는 복수의 존들(72)을 포함하며, 이 방법은,
존들(72) 각각에 대해, 플라이들(44)의 배향들(±θ1, ±θ2, ±θ3) 및 배향(±θ1, ±θ2, ±θ3)마다의 플라이들(44)의 개수를 선택하는 단계; 및
이후, 배향들(±θ1, ±θ2, ±θ3) 및 배향마다의 플라이들(44)의 개수를 선택한 후에, 존들(72) 각각에서의 플라이들(44)의 형상들을 선택하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라, 다음이 제공된다:
D1. 일차 로딩 축(40)을 갖는 복합 라미네이트 스티프너(30)를 성형하는 방법은,
강화 섬유들(48)의 플라이들(44)의 편평한 복합 라미네이트 스택(42)을 레이업하는 단계;
플라이들(44) 중 적어도 일부의 플라이들의 섬유들(48)이 압축 로딩(57)을 겪도록 복합 라미네이트 스택(42)을 성형하는 단계; 및
섬유들(48)이 압축(57)되는 길이(L')를 단축시키는 단계를 포함한다.
D2. 또한, 문단 D1의 방법에서, 압축 로딩(57)은 섬유들(48)에서 축 스트레인(εx)을 유발하며, 이 방법은,
성형 동안 압축(57)을 겪는 그 플라이들(44)의 부분들 상의 섬유들(48)에서의 축 스트레인(εx)을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
D3. 또한, 문단 D1의 방법에서, 섬유들(48)를 배향시키는 단계는, 강화 섬유들(48)이 압축 상태(57)로부터 뉴트럴 상태(61)로, 그리고 뉴트럴 상태(61)로부터 인장 상태(59)로 전이되도록 수행된다.
D4. 또한, 문단 D1의 방법은,
플라이들 사이의 마찰이 감소(이는 플라이들(44) 사이의 슬립피지(55)를 허용함)되도록, 섬유들(48)을 일차 로딩 축(40)을 기준으로 각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)로 배향시키는 단계를 더 포함한다.
D5. 또한, 문단 D4의 방법에서, 성형 동안 압축을 겪는 플라이들의 섬유들의 각도들(±θ1)은 대략 +5°내지 +30°, 그리고 대략 -5°내지 -30°이다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라, 다음이 제공된다:
E1. 일차 로딩 축(40)을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너(30)를 성형하는 방법은,
강화 섬유들(48)의 플라이들(44)의 편평한 스택(42)을 레이업하는 단계 ―이 플라이들(44) 중 일부는 일차 축 스티프니스를 스티프너(30)에 제공함―;
편평한 스택(42)을 일차 로딩 축(40)을 따라 원하는 컨투어로 성형하는 단계 ―성형은 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48)을 압축(57)되게 두며, 이 섬유들(48)의 스트레칭(εx)을 유발함―;
성형 동안 섬유들(48)이 압축되는 길이(L')를 감소시킴으로써, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48)에 대한 압축(57)을 감소시키는 단계; 및
스트레칭(εx) 부분을 전단 변형(53)으로 변환하는 단계를 포함한다.
E2. 또한, 문단 E1의 방법에서, 섬유들(48)에 대한 압축(57)을 감소시키는 단계는, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)을 일차 로딩 축(40)을 기준으로 오프-각도들(±θ)로 배향시키는 단계를 포함한다.
E3. 또한, 문단 E1의 방법에서, 압축(57)을 감소시키는 단계는,
섬유들(48)의 길이(L')의 일부가 압축 상태(57)로부터 뉴트럴 상태(61)로, 그리고 이후, 인장 상태(59)로 전이되도록, 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48)을 이완시키는 단계를 포함한다.
E4. 또한, 문단 E3의 방법에서, 압축(57)을 감소시키는 단계는,
성형 동안 플라이들(44) 사이에 가로 슬립(55)을 제공하는 단계를 포함한다.
E5. 또한, 문단 E4의 방법에서, 압축(57)을 감소시키는 단계는,
성형 동안 섬유들(48) 상의 로딩을 감소시켜서, 이로써 일차 축 스티프니스를 제공하는 플라이들(44)의 섬유들(48) 상의 스트레인(εx)을 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라, 다음이 제공된다:
F1. 주 로딩 축(40)을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너(30)는,
플라스틱 매트릭스(50)에서 유지되는 단향성 강화 섬유들(48)의 복수의 라미네이팅된 플라이들(44)을 포함하며, 플라이들(44) 전부는 주 로딩 축(40)을 기준으로 오프-각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)로 있는 섬유 배향들을 갖는다.
F2. 문단 F1의 복합 라미네이트 스티프너(30)에서, 플라이들(44)은 주 로딩 축을 기준으로 θ1, θ2, θ3의 섬유 배향들을 가지며, 0 < θ1 < θ2 ≤ θ3 ≤ 90°이다.
F3. 문단 F2의 복합 라미네이트 스티프너(30)에서, θ1은 대략 5°내지 30°이다.
F4. 문단 F2의 복합 라미네이트 스티프너(30)에서, 플라이들(44)은 주 로딩 축(40)을 기준으로 -θ1, -θ2, -θ3의 섬유 배향들을 가지며, 0 < -θ1 < -θ2 ≤ -θ3 ≤ 90°이다.
F5. 문단 F4의 복합 라미네이트 스티프너(30)에서, -θ1은 대략 -5°내지 -30°이다.
F6. 문단 F1의 복합 라미네이트 스티프너(30)에서, 복수의 플라이들(44)은 주 로딩 축(40)을 따라 그 개수가 변하며, 복합 라미네이트 스티프너(30)를 따라 상이한 스티프니스 특성들을 각각 갖는 존들(72)을 정의한다.
F7. 문단 F1의 복합 라미네이트 스티프너(30)에서,
주 로딩 축(40)을 따라, 플라이들(44) 중 일부는 연속적이고, 플라이들 중 다른 부분은 불연속적이며, 그리고
오프-각도들(±θ1, ±θ2, ±θ3)은 밸런싱된 + 및 - 각도들의 쌍들을 포함한다.
상이한 예시적 실시예들에 대한 설명은 예시 및 설명의 목적들을 위해 제시되었으며, 철저한 것으로 또는 개시된 형태의 실시예들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 많은 수정들 및 변형들이 기술분야의 당업자들에게 명백할 것이다. 추가로, 상이한 예시적 실시예들은 다른 예시적 실시예들과 비교할 때 상이한 장점들을 제공할 수 있다. 선택되는 실시예 또는 실시예들은, 실시예들의 원리들, 실제 애플리케이션을 가장 잘 설명하기 위하여, 그리고 기술분야의 당업자들이, 고려되는 특정 사용에 적절한 대로 다양한 수정들을 갖는 다양한 실시예들에 대해 본 개시내용을 이해하는 것을 가능하게 하기 위해 선택 및 설명된다.

Claims (15)

  1. 높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스(stiffness)들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드(contoured) 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법으로서,
    단향성 강화 섬유들의 플라이들에 대한 섬유 각도들의 세트를 선택하는 단계 － 상기 단향성 강화 섬유들의 플라이들에는 0° 플라이들이 없음 －;
    상기 섬유 각도들 각각에 대해, 존에서 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트를 제공하기 위해 요구되는, 존들 각각에서의 플라이들의 개수를 결정하는 단계;
    상기 플라이들의 형상 및 스태킹 시퀀스를 결정하는 단계;
    상기 스태킹 시퀀스를 사용하여 상기 플라이들을 편평한 스택으로 레이업하는 단계; 및
    상기 편평한 스택을 상기 컨투어드 복합 라미네이트 부품의 형상으로 성형하는 단계
    를 포함하는,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 각도들을 결정하는 단계는 섬유 각도들의 복수의 가능한 조합들을 선택하는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 존에서 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트를 제공하기 위해 요구되는, 상기 존들 각각에서의 플라이들의 개수를 결정하는 단계는 상기 각도들의 가능한 조합들 각각에 대해 수행되는,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 섬유 각도들을 결정하는 단계는, 복합 라미네이트 설계 규칙들의 세트를 사용하여, 섬유 각도들의 가능한 조합들 중 특정 조합을 제거하는 단계를 포함하는,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 각도들의 세트는 상기 주 로딩 축을 기준으로 θ1, θ2, θ3의 섬유 배향들을 포함하며, 여기서 0 < θ1 < θ2 ≤ θ3 ≤ 90°인,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    θ2 - θ1 ≤ 45°, 및
    θ3 - θ2 ≤ 45°인,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    θ1은 5°내지 30°이도록 선택되는,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 존들 각각에서의 플라이들의 개수를 결정하는 단계는, 이산 플라이 두께 정수 최적화를 수행함으로써 플라이들의 개수를 이산 값으로 제한하는 단계를 포함하는,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 존들 각각에서의 플라이들의 개수를 결정하는 단계는, 평면내 라미네이트 특성들의 원하는 세트로부터의 유효 라미네이트 특성들의 허용 편차에 기반하여, 상기 이산 플라이 두께 정수 최적화의 결과들을 필터링하는 단계를 포함하는,
    높은 종횡비, 주 로딩 축, 그리고 각자의 길이를 따라 원하는 스티프니스들을 각각 갖는 복수의 존들을 가지는 컨투어드 복합 라미네이트 부품을 만드는 방법.
  9. 주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너(stiffener)로서,
    플라스틱 매트릭스에서 유지되는 단향성 강화 섬유들의 복수의 라미네이팅된 플라이들
    을 포함하며,
    상기 플라이들 전부는 상기 주 로딩 축을 기준으로 오프-각도(off-angle)들로 있는 섬유 배향들을 갖고, 상기 단향성 강화 섬유들의 플라이들에는 0° 플라이들이 없는,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라이들은 상기 주 로딩 축을 기준으로 θ1, θ2, θ3의 섬유 배향들을 가지며, 0 < θ1 < θ2 ≤ θ3 ≤ 90°인,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
  11. 제 10 항에 있어서,
    θ1은 5°내지 30°인,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라이들은 상기 주 로딩 축을 기준으로 -θ1, -θ2, -θ3의 섬유 배향들을 가지며, 0 < -θ1 < -θ2 ≤ -θ3 ≤ 90°인,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
  13. 제 12 항에 있어서,
    -θ1은 -5°내지 -30°인,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 플라이들은 상기 주 로딩 축을 따라 그 개수가 변하며, 상기 복합 라미네이트 스티프너를 따라 상이한 스티프니스 특성들을 각각 갖는 존들을 정의하는,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 주 로딩 축을 따라, 상기 플라이들 중 일부는 연속적이고, 상기 플라이들 중 다른 것들은 불연속적이며, 그리고
    상기 오프-각도들은 밸런싱된 + 및 - 각도들의 쌍들을 포함하는,
    주 로딩 축을 따라 컨투어링된 복합 라미네이트 스티프너.
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