RU2556918C2

RU2556918C2 - Усиление для п-образных заготовок с вытачками

Info

Publication number: RU2556918C2
Application number: RU2012119184/05A
Authority: RU
Inventors: Джонатан ГОЕРИНГ; Майкл МАККЛЭЙН
Original assignee: Олбани Энджиниэрд Композитс, Инк.
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2015-07-20
Also published as: WO2011059922A1; TW201124283A; TWI571386B; US8389424B2; MX2012005445A; ES2604669T3; CN103038053B; AU2010319740B2; JP2013510740A; AU2010319740A1; PL2498978T3; BR112012010977A2; CA2780729C; EP2498978A1; KR101918756B1; CA2780729A1; ZA201203369B; RU2012119184A; KR20120115263A; PT2498978T

Abstract

Изобретение относится к усиленной заготовке с вытачками, способу усиления трехмерной П-образной или Т-образной заготовки, к трехмерной композитной структуре. Усиленная заготовка с вытачками содержит трехмерную П-образную или Т-образную заготовку, имеющую по меньшей мере один компонент с вытачками. Ткань с расположенными в заданном направлении нитями имеет ширину, длину, первую лицевую поверхность и вторую лицевую поверхность, разделенные толщиной. Первая лицевая поверхность ткани с расположенными в заданном направлении нитями прикреплена к имеющему вытачки компоненту заготовки. Изобретение обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

ВКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКОЙ

Все патенты, патентные заявки, документы, ссылки, инструкции производителя, описания, технические требования к изделиям и технологические карты для любых упомянутых в настоящем описании изделий включены в данную заявку посредством ссылки и могут быть использованы при реализации изобретения.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение в целом относится к тканым заготовкам и, в частности, к тканым заготовкам, используемым в усиленных композитных материалах. Более конкретно, настоящее изобретение относится к П-образным заготовкам, содержащим образованные на них вытачки и выполненные с возможностью формирования в очень криволинейные формы. Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к усилениям для имеющих вытачки П-образных заготовок.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время широко распространено использование усиленных композитных материалов в производстве структурных компонентов, в частности, в таких областях применения, где необходимы такие характеристики как малый вес, прочность, жесткость, термическая устойчивость и способность принимать требуемую форму. Такие компоненты используются, например, в авиационной, аэрокосмической отраслях промышленности, в искусственных спутниках и высокоэффективных изделиях, относящихся к сфере различений, и в других сферах применения.

Обычно такие компоненты состоят из усиливающих материалов, внедренных в связующие материалы. Усиливающий компонент может быть выполнен из материалов, таких как стекловолокно, углеродное волокно, керамическое волокно, арамид, полиэтиленовое волокно и/или других материалов, демонстрирующих требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства, среди которых основным является высокая прочность при нагрузках. Посредством использования таких усиливающих материалов, которые в конечном счете становятся составляющим элементом конечного компонента, готовому композитному компоненту придаются требуемые характеристики усиливающих материалов, такие как очень высокая прочность. Обычно составляющие усиливающие материалы могут быть ткаными, вязаными или иным способом ориентированы в требуемые конфигурации или формы. Как правило, особое внимание уделяется обеспечению оптимального использования свойств, для получения которых были выбраны составляющие усиливающие материалы. Обычно такие усиливающие заготовки комбинируют со связующим материалом для формирования требуемых готовых компонентов или для создания производственного запаса для последующего производства готовых компонентов.

После того как создана требуемая усиливающая заготовка, к ней и внутрь заготовки может быть введен связующий материал, таким образом, что усиливающая заготовка обычно оказывается заключенной в связующем материале, и связующий материал заполняет промежуточные области между составляющими элементами усиливающей заготовки. Связующий материал может быть любым из широкого разнообразия материалов, таких как эпоксидная смола, полиэфир, бисмалеимид, виниловый эфир, керамика, углерод и/или другие материалы, которые также демонстрируют требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Материалы, выбранные для использования в качестве связующего материала, могут быть или могут не быть такими же, как материал усиливающей заготовки, и могут иметь или могут не иметь сравнимые физические, химические, термические или другие свойства. Однако, как правило, они не будут принадлежать одним и тем же материалам или не будут иметь сравнимые физические, химические, термические или другие свойства, так как при использовании композитных элементов обычно на первом месте стоит задача в получении в готовом изделии сочетания характеристик, которое невозможно получить путем использования одного составляющего материала. Затем комбинированные таким образом усиливающая заготовка и связующий материал могут быть отверждены и стабилизированы в одной операции путем термического отверждения или другими известными способами и далее подвержены другим операциям по изготовлению требуемого компонента. Здесь важно отметить, что после такого отверждения, затвердевшие массы связующего материала, как правило, очень сильно прилипают к усиливающему материалу (например, усиливающей заготовке). В результате нагрузка на конечный компонент, в частности, через связующий материал, действующий как клей между волокнами, может быть эффективно передана и перенесена составляющим материалом усиливающей заготовки. Любой разрыв или прерывистость в усиливающей заготовке ограничивали способность заготовки переносить усилие, прикладываемое к готовому компоненту.

Зачастую требуется изготовление компонентов таких конфигураций, которые отличаются от таких простых геометрических форм, как, например, пластины, листы, прямоугольные или квадратные твердые тела и т.п. Одним способом достижения этого является объединение таких основных геометрических форм в требуемые более сложные формы. Одна такая типичная комбинация создается путем присоединения усиливающих заготовок, изготовленных описанными выше способами, под углом друг к другу (как правило, прямым углом). Обычными назначениями таких угловых конструкций соединенных усиливающих заготовок являются создание требуемой формы для формирования усиливающей заготовки, которая содержит одну или более концевых стенок, или, например, Т-образных профилей, или упрочнения получающейся комбинации усиливающих заготовок и композитной структуры, которую она образует против отклонения или разрушения при воздействии на нее внешних усилий, таких как сжатие или растягивающее усилие. В любом случае, соответствующее внимание уделяется выполнению максимально прочного соединения между составляющими компонентами. При достигнутой очень высокой прочности самих составляющих компонентов усиливающей заготовки, непрочность указанного соединения по сути становится «слабым звеном» в конструктивной «цепи».

Пример перекрещивающейся конфигурации описан в патенте США №6103337, раскрытие которого включено здесь посредством ссылки. Данный источник информации описывает эффективное средство соединения двух усиливающих пластинок в форму «Т». Такой способ соединения может быть выполнен путем соединения первой усиливающей панели ко второй усиливающей панели, размещенной по кромке против первой панели.

За прошедшее время были внесены различные другие предложения по созданию таких соединений. Было предложено формовать и отверждать панельный элемент и наклонный упрочняющий элемент отдельно друг от друга, причем последний из указанных элементов обладает единственной поверхностью контакта панели или раздваивается на одном конце, чтобы сформировать две расходящиеся совместно плоские поверхности контакта панели. Затем эти два компонента соединяют посредством клейкого соединения поверхности (поверхностей) контакта панели упрочняющего элемента с поверхностью контакта другого компонента, применяя термореактивный клей или другой адгезивный материал. Однако с приложением растягивающего усилия к отвержденной панели или поверхностному слою композитной структуры, нагрузки с неприемлемо низкими значениями приведут в результате к образованию «сдирающих» сил, которые отделяют упрочняющий элемент от панели в месте контакта их поверхностей, так как эффективность указанного соединения соответствует склеивающему веществу, а не связующему или усиливающему материалам.

Применение металлических болтов или заклепок на границе контакта таких компонентов недопустимо, поскольку такие дополнения по меньшей мере частично разрушают и ослабляют целостность самих композитных структур, увеличивают вес и вносят различия по коэффициенту теплового расширения между такими элементами и окружающим материалом.

Другие подходы по решению этой проблемы были основаны на принципе внедрения высокопрочных волокон по всему участку соединения с помощью таких способов как сшивание одного из компонентов с другим и, полагаясь на связь сшивания, внедрение таких укрепляющих волокон в и по всему месту соединения. Один такой подход описан в патенте США №4331495 и в выделенном из него патенте США №4256 790 на способ. Данные патентные документы раскрывают соединения, выполненные между первой и второй композитными панелями, изготовленными из склеенных волоконных слоев. Первая панель раздвоена с одного конца, чтобы формировать известным в уровне техники способом две расходящихся совместно плоские поверхности контакта панели, которые были соединены со второй панелью стежками из неотвержденной гибкой композитной нити, проходящими сквозь обе панели. Затем панели и нить подвергается одновременному отверждению или «совместно отверждаются». Другой способ повышения прочности соединения описан в патенте США №5429853.

Несмотря на то, что технические решения уровня техники стремились улучшить структурную целостность усиленного композитного элемента и достигали успеха, особенно в отношении патента США №6103337, до сих пор существует потребность в ее улучшении или решении проблемы с применением подхода, отличного от использования склеивающих веществ или механического соединения. В этом отношении, один способ может быть реализован за счет создания тканной трехмерной («3D») структуры специализированными машинами. Однако связанные с созданием такой структуры затраты значительны и исключительно требуется наличие ткацкой машины, ориентированной на создание единичной структуры. Несмотря на этот факт, 3D заготовки, которые могут перерабатываться в усиленные волокнами композитные компоненты, являются востребованными, так как они обеспечивают повышенную прочность и стойкость при разрушении по сравнению с обычными двухмерными («2D») слоистыми композитными элементами. Эти заготовки особенно эффективны в областях применения, где требуется, чтобы композитные элементы выдерживали нагрузки, приложенные вне их плоскости. Однако рассмотренные выше заготовки уровня техники ограничены в способности противостоять высоким нагрузкам, действующим вне плоскости, которые ткутся в автоматизированном процессе ткацкого станка, и обеспечивать переменную толщину частей заготовки.

Другой подход должен был заключаться в плетении плоской многослойной структуры и складывании ее в 3D форму. Ранние попытки складывания многослойных заготовок в 3D формы, как правило, приводили к образованию искаженных частей при сложении заготовки. Искажение возникает ввиду того, что длины волокон, в том виде как они вытканы, отличаются от длин, которые они будут иметь при сложенной заготовке. Такое искажение является причиной впадин и волнистости на участках, где длины вытканных волокон слишком малы, и неровностей на участках, где длины волокон слишком большие. Пример структуры узора 3D заготовки, которая может привести к волнистости или петлям на участках, где заготовка сложена, раскрыт в патенте США №6874543, содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки.

Один подход к решению указанной проблемы искажения после складывания раскрыт в патенте США 6466675, все содержание которого включено в данное описание посредством ссылки. Указанный источник информации обеспечивает плоскую многослойную структуру, которая может быть сложена в Т-образную или П-образную 3D структуру, называемую именно так ввиду того, что сложенная часть заготовки может образовывать либо один, либо два выступа (для Т-образной и П-образной форм, соответственно), в общем случае перпендикулярных панели или исходному материалу. Решение указанной проблемы достигается за счет регулировки длины волокон в течение процесса плетения для того, чтобы предотвратить вышеуказанные впадины и складки в месте сгиба. В процессе плетения некоторые волокна плетутся слишком длинными, а другие волокна плетутся слишком короткими в области сгиба. Затем, по мере сложения заготовки, короткие и длинные волокна выравниваются по длине, обеспечивая в результате плавный переход на сгибе.

Преимуществом сложенных заготовок является прочное соединение между панелью, которая подлежит усилению, и усиливающей панелью. Поскольку панели плетутся вместе, для них используются общие усиливающий материал и связующий материал, создавая единую структуру. Соединение между цельно вытканной усиливающей панелью или выступом и исходным материалом или полкой больше не является слабым звеном, полагаясь исключительно на прочность адгезивного вещества для прочности соединения, как при усилениях уровня техники. Вместо этого волокна заготовки сплетают в одно целое выступа и полку.

Однако зачастую сложные формы, такие как изгибы, требуют усиления. Сложенные Т-образные или П-образные усиления требуют формирования вытачек выступов для подгонки под криволинейную поверхность. По мере того как материал полки сложенной заготовки принимает криволинейную форму, длина криволинейной поверхности неизбежно изменяется от внутренней части изгиба к внешней стороне. Длина дуги внешней стороны изгиба, т.е. поверхность с большим радиусом, когда загнута, увеличивается при одновременном уменьшении длины дуги по внутренней стороне изгиба. Выступы типичных сложенных заготовок не могут изменять длину в случае необходимости, чтобы соответствовать криволинейной поверхности. Для соответствия криволинейной поверхности, на выступах должны быть выполнены вытачки, то есть разрезы, которые позволяют выступу соответствовать по форме измененной длине дуги.

Как правило, такой разрез выполняется по радиусу местной криволинейности, однако чтобы соответствовать изменению длины могут также использоваться другие нерадиальные разрезы. Чтобы предусмотреть уменьшенную длину на внутренней стороне криволинейной заготовки, указанный выступ разрезается, и разрезанные кромки могут перекрываться, либо удаляется лишний материал. По аналогии, чтобы соответствовать увеличенной длине по внешней стороне изгиба, выступ разрезается, приводя в результате к образованию треугольного промежутка между разрезанными кромками выступа. В любой конфигурации формирование вытачек разрушает непрерывность усиливающего материала в каждом выступе. Формирование вытачек на выступах Т-образной или П-образной 3D заготовки может серьезно ухудшить способности заготовки по переносу нагрузки, поскольку формирование вытачек предусматривает разрезание волокон, которые обеспечивают воспринимающий основную нагрузку путь вблизи угла. Способы уровня техники не удовлетворяют в достаточной мере потребности в соответствующем усилении заготовок с вытачками, используемых для усиления криволинейных поверхностей.

Настоящее изобретение направлено на восполнение недостатков уровня техники, обеспечивая усиление для 3D заготовки, в частности 3D заготовки, имеющей вытачки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В силу вышеизложенного, целью настоящего изобретения является обеспечение усиленной 3D заготовки с вытачками.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение усиления для Т-образной или П-образной 3D заготовки.

Еще другой целью настоящего изобретения является обеспечение усиления из тканой ткани с расположенными в заданном направлении нитями для заготовки с вытачками.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение, в качестве усиления, тканой ткани с расположенными в заданном направлении нитями, выполненной с возможностью заполнения вилки между выступами П-образной 3D заготовки.

Для лучшего понимания настоящего изобретения, его функциональных преимуществ и конкретных целей, достигаемых его применением, авторы изобретения ссылаются на сопроводительный описательный материал, в котором проиллюстрированы предпочтительные, а не ограничивающие варианты реализации изобретения.

Следует отметить, что в данном описании и, в частности, в пунктах формулы изобретения и/или абзацах термины, такие как «содержит», «содержащийся», «содержащий» и т.п. могут иметь значение, присвоенное им в Патентном законе США; например, они могут означать «включает», «включенный», «включающий» и т.п.; и что термины, такие как «по существу состоящий из» или «по существу состоит из» имеют значение, приписанное им в Патентном законе США. Такие термины предусматривают элементы, не раскрытые явным образом, но исключают элементы, которые встречаются в предшествующем уровне техники или которые порочат основную или новую отличительную особенность настоящего изобретения. Эти и другие варианты реализации раскрыты в или очевидны из и охватываются нижеследующим подробным описанием.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, присоединенные для лучшего понимания изобретения, являются неотъемлемой частью настоящего описания. На представленных чертежах проиллюстрированы различные варианты реализации изобретения, которые вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения. На чертежах:

Фиг.1 представляет собой вид сбоку обычной П-образной 3D заготовки;

Фиг.2 представляет собой вид в поперечном сечении обычной 3D заготовки Фиг.1, при этом указанное сечение выполнено по линии А-А;

Фиг.3 представляет собой вид сбоку обычной 3D заготовки, содержащей вытачки;

Фиг.4 представляет собой вид сбоку обычной 3D заготовки с вытачками, сконфигурированной в загнутую или согнутую конфигурацию;

Фиг.5 представляет собой вид сбоку усиления из ткани с расположенными в заданном направлении нитями согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

Фиг.6 представляет собой 3D заготовку Фиг.2, содержащей усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями Фиг.5, размещенное между выступами заготовки, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

Фиг.7 иллюстрирует 3D заготовку Фиг.2, содержащую усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

Фиг.8 представляет собой вид в разрезе Т-образной заготовки, содержащей усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

Фиг.9 представляет собой вид сбоку в разрезе усиления из ткани с расположенными в заданном направлении нитями согласно одному варианту реализации настоящего изобретения; и

Фиг.10 иллюстрирует 3D заготовку Фиг.2, содержащую усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями Фиг.9, размещенное между выступами заготовки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

На Фиг.1 и 2 проиллюстрирована П-образная 3D заготовка 100, содержащая вытканные как одно целое зависимые выступы 102(а) и 102(b) (совместно, «выступы 102»). Заготовка сформирована из плоской многослойной тканой структуры, вытканной и сложенной соответствующим образом, чтобы создать выступы 102 (а) и 102 (b), простирающиеся от полки 104. Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что из сложенных заготовок можно получить другие формы поперечного сечения. Например, из плоской тканой заготовки может быть образована Т-образная форма, если сформировать только один выступ 102. Подобным образом, Т-образная форма также получилась бы из П-образной заготовки при отсутствии расстояния а, отделяющего выступы 102, как если бы, например, внутренние обращенные друг к другу поверхности 106 (а) и 106 (b) располагались впритык.

Термин «волокно», в контексте данного раскрытия, понимается в широком смысле и охватывает волокна, нити или сплетения. Несмотря на то, что углеродное волокно является предпочтительным, изобретение применимо по существу к любому другому волокну включая, но без ограничения, такие волокна, которые могут быть растягиваемыми при изгибе, например, растягиваемое при изгибе углеродное волокно или стекло.

Для обеспечения ясности на Фиг.1-4 представлена произвольно выбранная система координат для иллюстрации ориентации различных видов в пространстве. Такого рода иллюстрация обеспечена в качестве помощи понимания фигур и никоим образом не является частью раскрытия настоящего изобретения. В используемой на фигурах системе координат уточные (F) волокна или нити совпадают с осью Х и основные (W) волокна или нити совпадают с осью Y. Ось Z перпендикулярна плоской полке 104.

Заготовка 100 компонуется из основных (W) волокон или нитей 103 и уточных (F) волокон или нитей 105, как показано на Фиг.1. В некоторых вариантах реализации отдельные основные (W) и уточные (F) волокна 103 и 105, переплетаются друг с другом любым известным рисунком, чтобы сформировать тканую заготовку. Посредством известных способов плетения основные (W) волокна

103 и уточные (F) волокна 105 плетутся в полку 104 и выступы 102, при этом основные (W) волокна 103 проходят непрерывно в направлении Y как в полке 104, так и в выступах 102. Уточные (F) волокна 105 проходят в направлении Х в развернутой заготовке. При сложении выступов для формирования 3D заготовки, уточные (F) волокна 105 в выступах 102 ориентируются в направлении Z.

Как изображено на Фиг.2 выступы 102 имеют свободные концы 108 (а) и 108 (b), расположенные удаленно от полок 104. Совместно свободные концы 108 могут быть заострены, как проиллюстрировано на Фиг.2. Предусмотрены и другие конфигурации свободных концов в зависимости от критериев проектирования или других соображений. Неограничивающие примеры таких конфигураций свободных концов могут охватывать квадратные, закругленные или луковицеобразные поперечные сечения. Смежные выступы 102 могут иметь одинаковую конфигурацию конца или могут иметь различные конфигурации конца. Конфигурации конца могут измениться по длине заготовки, при необходимости.

Аналогично, полка 104 содержит концевые части 110 (а) и 110 (b) (совместно, концевые части 110), расположенные на концах полки 104. Как изображено на фигурах, концевые части 110 представлены заостренными. Как и в случае с указанными выше свободными концами 108, концевые части полки могут иметь конфигурации, отличные от показанной заостренной формы. В качестве альтернативных неограничивающих примеров концевые части 110 могут быть квадратными, закругленными либо луковицеобразными или их комбинациями. Следует отметить, что и выступы 102, и любые стороны полки 104 могут иметь равные или неравные длины. Например, выступ 102 (а) может быть длиннее выступа 102 (b) или наоборот. Точно так же одна сторона полки 104 может быть более широкой, чем другая сторона.

3D заготовка 100 Фиг.1 показана с прямой конфигурацией, в которой верхняя поверхность 112 полки в основном является плоской в направлениях Х и Y. Такие конфигурации могут быть полезны в областях применения, где требуется плоская панель. Однако во многих областях применения может потребоваться криволинейная заготовка для создания криволинейной 3D панели. На Фиг.4 изображен один типовой неограничивающий пример криволинейной панели, годной для некоторых областей применения. Как показано, полка 104 остается плоской, или почти плоской, в направлении оси Х или направлении уточных (F) нитей. Проиллюстрированная конфигурация показывает, что волокнам по оси Y, т.е. основным (W) волокнам 103, задается изогнутая или криволинейная конфигурация приблизительно под 90°. По сути, основные (W) волокна 103, изначально совпадающие с направлением Y, изменяют ориентацию в результате изгиба, чтобы стать совпадающими с осью Z.

Фигура 3 иллюстрирует обычную содержащую вытачки 3D заготовку 101 до ее загиба, в качестве известной в уровне технике. Вытачки 116 обычно представляют собой вырезы в выступе 102, простирающиеся от свободного конца 108 и завершающиеся у нижней стороны 114 полки 104. Вытачки могут быть сформированы путем выреза треугольных секций из каждого выступа, на которой подразумевается образование вытачек, как показано на Фиг.3. Первая сторона итреугольного кусочка, удаленного из выступа 102, совпадает со свободным концом 108 выступа. Две дополнительные стороны вытачки 116 проходят от каждого конца первой стороны треугольника по направлению к нижней стороне 114 полки 104 и сходятся в одной точке у указанной нижней стороны 114.

С другой стороны, вытачки могут быть одинарными насечками, простирающимися от свободного конца 108 выступа 102 по направлению к нижней стороне 114 полки 104 и заканчивающимися у указанной нижней стороны 114.

Когда заготовка 101 (Фиг.3) с треугольными вытачками согнута в конфигурацию, как показано на Фиг.4, углы извлеченной треугольной секции, например 118 (а) и 118 (b), сводятся, позволяя панели 104 заготовки принимать криволинейную форму. Пары смежных углов, например 118a/118b, 118c/118d, 118e/118f (Фиг.3), могут сходиться в одной и той же плоскости, сохраняя гладкими внутренние поверхности (106(а) и 106(b)) и наружные поверхности (107(а) и 107(b)) выступов 102, как показано на Фиг.2. В некоторых областях применения не требуются гладкие плоские поверхности выступов 102. В таких случаях могут использоваться вытачки в виде одинарных насечек, а кромки вырезов могут располагаться внахлестку по мере загиба заготовки. При необходимости могут использоваться множественные вытачки любого типа.

Независимо от числа или типа используемых вытачек, воздействие на заготовку обычно одинаковое. Любой надрез на выступе 102, простирающийся от свободного конца 108 к нижней стороне 114 полки 104, будет разрезать все основные (W) волокна 103 выступа 102 по длине этого надреза. Поскольку основные (W) волокна 103 обеспечивают траекторию, воспринимающую основную нагрузку, вблизи угла загнутой заготовки 101, то разрезание основных (W) волокон 103 перерывает траекторию нагрузки и может серьезно понизить способность структуры нести нагрузку.

Вероятнее всего, вырезы, которые не параллельны уточным (F) волокнам 105 выступа 102, разрежут один или более уточных (F) волокон 105. В общем понятно, что любой надрез по усиливающим волокнам или нитям в выступах 102 создает разрыв в непрерывности усиления и уменьшает эффективность такого усиления. В частности разрывы основных (W) волокон 103 значительно ослабляют прочность заготовки.

Содержащая вытачки загнутая заготовка 101, проиллюстрированная на Фиг.4, была согнута таким образом, чтобы выступы 102 находились с внутренней стороны радиуса изгиба R, который представляет собой вогнутую линию по стороне выступа.

В некоторых случаях необходимо обеспечить заготовку, согнутую таким образом, чтобы указанные выступы находились с внешней стороны изгиба заготовки (не показано). Аналогичное создание вытачек используется для формирования изгиба, по которому 3D заготовка выгнута со стороны выступа. Когда выступ располагается с внешней стороны радиуса изгиба, как правило, используют прямые разрезы. Как, в общем, известно, при загибе заготовки вытачка раскрывается, и из прямых надрезов формируются треугольные промежутки.

Многие области применения требуют изготовления заготовки сложной криволинейности, таким образом, чтобы заготовка имела как вогнутые, так и выпуклые криволинейности по ее длине. В таких случаях заготовка, на некоторых участках по ее длине, была бы вогнутой со стороны выступа или выпуклой со стороны выступа. Соответственно, выступы 102, на некоторых участках, были бы расположены с внутренней стороны изгиба (например, как показано на Фиг. 4), а на других участках - с внешней стороны изгиба.

Независимо от направления изгиба, или если вообще изгиб имеет место, какое-либо прерывание или разрыв непрерывности основных (W) или уточных (F) усиливающих волокон 103 и 105 в выступах 102 ослабляет заготовку, так как наибольшую прочность заготовка получает от непрерывности усиливающих волокон, в особенности таких волокон, которые расположены в основном (W) направлении. Пропитка заготовки, имеющей надрезанные или прерванные основные (W) усиливающие волокна 103, связующим материалом обеспечивает небольшое повышение прочности, поскольку прочность заготовки в таком случае существенно зависит от прочности связующего материала.

Для того чтобы усилить содержащую вытачки заготовку 101, обеспечивают ткань 201 с расположенными в заданном направлении нитями, как показано на Фиг. 5, которая может быть прикреплена к одному или обоим выступам 102 содержащей вытачки заготовки 101, и преобразованная заготовка может быть пропитана смолой. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что та же самая или подобная ткань 201 с расположенными в заданном направлении нитями могла бы быть прикреплена к заготовке без вытачек для повышения прочности, жесткости или других характеристик усиления заготовки.

Ткань 201 может быть выткана гладкой и состоять из основных (W) волокон или нитей 203 и уточных (F) волокон или нитей 205, которые могут быть ориентированы по существу перпендикулярно друг другу по всей ткани, как показано на Фиг. 5. Первая и вторая лицевые поверхности 212, 213 ткани по существу выполнены плоскими и разнесены, определяя толщину t ткани 201, как показано на Фиг. 6. Толщина t также может быть достигнута путем объединения двух или более тканей с расположенными в заданном направлении нитями или может быть достигнута путем плетения единой многослойной ткани с расположенными в заданном направлении нитями или может быть достигнута путем плетения плоской ткани с расположенными в заданном направлении нитями и складывания ее по длине ткани. В любом случае толщина t ткани 210 с расположенными в заданном направлении нитями не должна быть больше, чем d (Фиг. 2), т.е. расстояния между выступами 102 (а) и 102 (b), иногда именуемого вилкой. Фигура 5 содержит ортогональные координаты 206 в трех местоположениях на ткани 201 с расположенными в заданном направлении нитями, указывающие ориентацию локализованных основных (W) волокон 203 и уточных (F) волокон 205 друг относительно друга и относительно самой ткани 201. Преимущественно основные (W) волокна 203 непрерывны по изгибу, как проиллюстрировано на Фиг. 5.

Для некоторых областей применения может потребоваться использование ткани с расположенными в заданном направлении нитями с толщиной t ткани меньшей, чем ширина вилки или расстояние d между выступами 102 П-образной заготовки с тем, чтобы оставить некоторое пространство между выступами незаполненным тканью. Например, может быть целесообразным в дополнение к ткани с расположенными в заданном направлении нитями поместить другие материалы, компоненты или части в пределах вилки. Другие материал, компоненты или части могут добавить функциональность заготовке, или добавить механические или физические характеристики, трудно получаемые с помощью тканей или заготовок.

Фиг. 9 представляет вид в поперечном сечении другой ткани 214 с расположенными в заданном направлении нитями в соответствии с данным изобретением. Вместо заполнения вилки между выступами 102 (а) и 102 (b) плоской тканью 201 с расположенными в заданном направлении нитями, как на Фиг. 6, ткань 214, до ее вставки между выступами 102, сначала плетут плоской, а затем складывается по длине в U-образную форму. В U-образной конфигурации части лицевой поверхности 212 складывают по направлению друг к другу таким образом, чтобы части поверхности, в общем, были параллельны друг другу, как показано на Фиг. 9. Фиг. 10 иллюстрирует ткань с расположенными в заданном направлении нитями, сложенную в U-образную форму и вставленную в вилку шириной d. В одном варианте реализации (не показан) ткань 214 с расположенными в заданном направлении нитями выткана плоской и сложена таким образом, чтобы части лицевой поверхности 212 (или 213) формировали наклоненный угол между 0° и 180°.

Сложенная ткань 214 может заполнять, или в основном заполняет, указанную вилку. Альтернативно, сложенная ткань 214 может не заполнять вилку, оставляя пространство между сложенными выступами 216 (а) и 216 (b), как изображено на Фиг. 9 и 10. В некоторых случаях может потребоваться оставление пространства между одним из выступов 216 (а) или 216 (b) сложенной ткани 214 и внутренней поверхностью выступов 102 (а) или 102 (b).

Для упрощения иллюстрации на Фиг. 10 показана сложенная ткань 214 с замкнутым концом 218, смежным с замкнутым концом вилки. Понятно, что сложенная ткань 214 может быть размещена в вилке с ориентацией, развернутой на 180° от показанной. Таким образом, вилка будет казаться заполненной или по существу заполненной тканью 214, однако она может сохранять сердцевину с зазором.

Ткань 201 с расположенными в заданном направлении нитями обладает длиной, измеряемой в направлении основных (W) волокон и шириной, измеряемой в направлении уточных (F) волокон. Обычно когда ткань 201 прикреплена к выступам 102 заготовки 101 с вытачками, ее длина совпадает с длиной указанной заготовки 101 с вытачками, которая измерена в основном (W) направлении. При загнутой или криволинейной форме длина будет линейным измерением, однако будет содержать длины дуг на криволинейных участках. Ширина ткани 201, измеренная в направлении уток (F), может соответствовать длине выступов 102, которые подлежат усилению. В некоторых случаях ширина ткани 201 может быть меньше или больше чем, длина подлежащих усилению выступов.

Как изображено, ткань 201 обеспечена по существу с одним 90° изгибом, чтобы соответствовать представленной на Фиг. 4 криволинейной и содержащей вытачки заготовке 101. Ткань 201 имеет внутреннюю кромку 208 и внешнюю кромку 210. Как проиллюстрировано, внешней кромке 210 задана такая форма, чтобы соответствовать радиусу, сформированному нижней стороной 114 полки 104 загнутой заготовки 101. Аналогично, внутренней кромке 208 задана форма, чтобы соответствовать свободному концу 108 выступов 102, включая внутренний радиус R изгиба загнутой заготовки 101 Фиг. 4.

С целью лишь упрощения иллюстрации, загнутая заготовка 101 и ткань 201 изображены только с одним изгибом или одной криволинейной секцией, при этом загиб выполнен приблизительно под 90. Как обсуждалось выше, заготовка может сгибаться либо вогнутой, либо выпуклой со стороны выступа или любой комбинацией вогнутых и выпуклых участков по длине загнутой заготовки 100. Загнутая заготовка 101 может состоять из загибов с большими или меньшими углами, чем показанные 90°. Ткань 201 может быть выткана так, чтобы соответствовать изгибу загнутой заготовки 101, к которой она должна быть прикреплена.

Ткань 201 с расположенными в заданном направлении нитями создается путем плетения более коротких волокон по внутренней кромке 208 на участке изгиба и плетения волокон, постепенно удлиняющихся к внешней кромке 210 ткани 201 на локализованном участке кривой или изгиба. Например, самое внутреннее основное (W) волокно 203 у внутреннего радиуса R ткани 201 имеет длину, равную длине дуги радиуса R по угловой мере изгиба или кривой. Последующее волокно, смещенное на расстояние х от самого внутреннего волокна к внешнему радиусу изгиба, будет иметь длину равную длине дуги (R+x) по той же угловой мере изгиба или кривой. На участках, не имеющих изгиб, волокна вдоль внутренней кромки и внешней кромки будут иметь одинаковую длину.

Сложенная ткань 214 с расположенными в заданном направлении нитями может изготавливаться подобным способом, т.е. с основными (W) волокнами или нитями, вытканными более короткими на внутренней кромке 208 изгиба, как показано на Фиг. 5, и постепенно удлиняющимися волокнами с приближением к внешней кромке 210 изгиба.

Управляемая ткань может быть изготовлена на ткацком оборудовании, содержащем, например, программируемую систему натяжения, которая может обеспечить различную величину натяжения на каждой кромке ткани. Программируемая система натяжения, может производить ткань, имеющую произвольные комбинации криволинейных и прямых секций, которые могут почти соответствовать по существу любой криволинейной форме.

Для упрощения, в настоящем описании будет рассматриваться усиление П-образной заготовки, имеющей 2 выступа. Однако следует понимать, что для усиления Т-образной заготовки, имеющей один выступ, или заготовки, имеющей больше двух выступов, может использоваться та же самая ткань 201 и такой же способ. После плетения ткани 201 в соответствие с загнутой заготовкой 101, указанная ткань 201 прикреплена к заготовке. Для имеющей вытачки и криволинейной заготовки 101, содержащей по меньшей мере 2 выступа 102, ткань с расположенными в заданном направлении нитями может быть прикреплена к одному или обоим выступам 102. В некоторых случаях может потребоваться присоединение ткани 201 между парой смежных выступов 102. При такой конфигурации пространство между выступами обычно именуется вилкой. Использование ткани с расположенными в заданном направлении нитями в такой конфигурации проиллюстрировано на Фиг. 6.

На Фиг. 6 изображен вид в поперечном сечении П-образной заготовки, подобной заготовке на Фиг. 2, причем ткань 201 помещена между смежными выступами 102 (а) и 102 (b) и первая и вторая лицевые поверхности 212, 213 соединены впритык по меньшей мере с одной из внутренних поверхностей 106 (а) и 106 (b). Толщина ткани с расположенными в заданном направлении нитями может быть эквивалентна расстоянию между внутренними поверхностями 106 (а) и 106 (b) выступов 102. Следовательно, помещенная между выступами 102 ткань 201 может быть прикреплена к одному или обоим выступам при помощи таких средств, которые известны в уровне технике. Например, ткань 201 может быть присоединена к одному или обоим выступам 102 посредством сшивания, прошивки, соединения скобами, клеящего вещества, пропитки или любого другого способа, известного в уровне техники.

С другой стороны ткань с расположенными в заданном направлении нитями может быть прикреплена к одной или более наружным поверхностям 107 (а) и 107 (b) заготовки 101 с вытачками, как показано на Фиг. 7. Для прикрепления ткани 201 к наружной поверхности 107 выступа 102 могут использоваться способы, подобные тем, которые были рассмотрены выше.

Подобным образом, ткань 201 может использоваться для усиления Т-образной заготовки, прикрепляя ткань 201 к одной или обеим сторонам выступа заготовки. Как показано на Фиг.8, ткань 201 прикреплена к Т-образной заготовке 301 с одной стороны выступа 102 заготовки. Ткань может с расположенными в заданном направлении нитями быть прикреплена при помощи любого средства, известного в уровне техники.

В некоторых областях применения предпочтительно, чтобы имеющая вытачки П-образная заготовка 101, усиленная тканью 201, расположенной между смежными выступами 102 (а) и 102 (b), обеспечивала более гладкую и более ровную наружную поверхность 107 по сравнению с имеющей вытачки заготовкой, содержащей усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями на внешней поверхности выступа заготовки.

После усиления с помощью одной или более тканей 201 и соответствующего прикрепления ткани 201 к имеющей вытачки и загнутой заготовке 101, данная заготовка 101 и ткань 201 могут быть пропитаны связующим материалом (например, смолой) в качестве единой структуры как, например, известно в уровне техники. Связующий материал может быть любым из широкого разнообразия материалов, таких как эпоксидная смола, бисмалеимид, полиэфир, виниловый эфир, керамические, углеродные и/или другие материалы, которые демонстрируют требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Последующие этапы отвердения могут быть выполнены на уже усиленной заготовке, чтобы произвести конченную усиленную композитную структуру. Как известно в уровне технике, после отвердения, связующий материал полностью покрывает усиливающие основные (W) и уточные (F) волокна 203 и 205 и заполняет промежуточные области между волокнами. После отвердения затвердевший связующий материал создает очень сильную связь с волокнами 103, 105, 203, 205 имеющей вытачки усиленной заготовки, образуя в результате трехмерную композитную структуру, содержащую П-образную или Т-образную заготовку, усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями и связующий материал, который по меньшей мере частично пропитывает заготовку и усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями. В результате напряжение на конечном компоненте может эффективно передаваться и переноситься волокнами 103, 105, 203, 205. Особое внимание уделяется траектории действия нагрузки на участке имеющей вытачки и загнутой заготовки 101. Поскольку основные (W) волокна в выступах 102 разрезают в процессе формирования вытачек, траектория, по которой воспринимается основная нагрузка, подвергается угрозе. Прикрепление ткани 201 к выступам 102, и последующее пропитывание и отвердение связующего материала, обеспечивает новый и механически улучшенный путь, воспринимающий нагрузку. Нагрузка, обычно переносимая выступом 102 заготовки, может быть сдвинута к ткани 201 на участке изгиба или кривой, эффективно обходя участки заготовки, содержащие вытачки. Соответственно, способность переноса нагрузки была восстановлена и улучшена на участке изгиба.

Преимущества настоящего изобретения заключаются в обеспечении усиления для 3D заготовки. В частности, настоящее изобретение обеспечивает усиление выступа или выступам 3D заготовки, когда на указанном выступе или выступах были сформированы вытачки, чтобы позволить заготовке принимать криволинейную форму. Такое усиление обеспечивается тканью с расположенными в заданном направлении нитями, вытканной по такому же криволинейному шаблону, как 3D заготовка и обладающей непрерывными волокнами по меньшей мере по всей криволинейной части заготовки.

Усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями может быть выткано из волокон или нитей, сделанных из материалов, таких как стекло, углерод, керамика, арамид (например, «КЕВЛАР»), полиэтилен и/или другие материалы, которые демонстрируют требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства.

Несмотря на то, что здесь были подробно описаны предпочтенные варианты реализации настоящего изобретения и его модификации, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается этим определенным вариантом реализации и модификациями, и что другие модификации и изменения могут быть выполнены специалистами в данной области техники, не отступая от сущности и объема изобретения, который определен приложенной формулой изобретения.

Claims

1. Усиленная заготовка с вытачками, содержащая:
трехмерную П-образную или Т-образную заготовку, имеющую по меньшей мере один компонент с вытачками;
ткань с расположенными в заданном направлении нитями, имеющую ширину, длину, первую лицевую поверхность и вторую лицевую поверхность, разделенные толщиной, причем первая лицевая поверхность ткани с расположенными в заданном направлении нитями прикреплена к имеющему вытачки компоненту заготовки.

2. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями получена ткачеством.

3. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями выткана с использованием программируемой системы натяжения.

4. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой заготовка представляет собой П-образную заготовку, имеющую первую и вторую лицевые поверхности в основном параллельны друг другу, причем по меньшей мере одна из первой и второй поверхностей является компонентом с вытачками.

5. Усиленная заготовка с вытачками по п. 4, в которой первая и вторая лицевые поверхности являются плоскими.

6. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой длина ткани с расположенными в заданном направлении нитями совпадает с направлением основы заготовки с вытачками.

7. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями выткана из волокон или нитей, изготовленных из материала, выбранного из группы, содержащей стекло, углерод, керамику, арамид и полиэтилен.

8. Усиленная заготовка с вытачками по п. 7, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями и компонент с вытачками совместно залиты связующим материалом.

9. Усиленная заготовка с вытачками по п. 8, в которой связующий материал отвержден.

10. Усиленная заготовка с вытачками по п. 8, в которой связующий материал выбран из группы, состоящей из эпоксидной смолы, бисмалеимида, полиэфира, винилового эфира, керамики и углерода.

11. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями сложена по длине.

12. Усиленная заготовка с вытачками по п. 11, в которой первая часть второй лицевой поверхности и вторая часть второй лицевой поверхности формируют угол наклона между 0° и 180°.

13. Усиленная заготовка с вытачками по п. 11, в которой первая часть второй лицевой поверхности по существу параллельна второй части второй лицевой поверхности.

14. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой П-образная или Т-образная заготовка содержит изгиб, ткань с расположенными в заданном направлении нитями содержит более короткие волокна по внутренней кромке на участке изгиба П-образной или Т-образной заготовки и волокна, постепенно удлиняющиеся к внешней кромке на участке изгиба П-образной или Т-образной заготовки.

15. Усиленная заготовка с вытачками по п. 1, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями сформирована с образованием U-образной формы и расположена в вилке П-образной заготовки.

16. Способ усиления трехмерной П-образной или Т-образной заготовки, содержащий этапы, на которых:
создают вытачки в трехмерной П-образной или Т-образной заготовке;
формируют усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями, сконфигурированное под заготовку с вытачками; и
прикрепляют усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями к заготовке с вытачками по меньшей мере в области с вытачками.

17. Способ по п. 16, в котором усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями выткано с использованием программируемой системы натяжения.

18. Способ по п. 16, дополнительно содержащий этап, на котором совместно пропитывают заготовку с вытачками и усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями связующим материалом.

19. Способ по п. 18, в котором связующий материал выбран из группы, состоящей из эпоксидной смолы, бисмалеимида, полиэфира, винилового эфира, керамики и углерода.

20. Способ по п. 18, дополнительно содержащий этап отверждения связующего материала.

21. Способ по п. 16, в котором усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями выткано из волокон или нитей, изготовленных из материала, выбранного из группы, содержащей стекло, углерод, керамику, арамид и полиэтилен.

22. Способ по п. 16, дополнительно содержащий этап, на котором складывают ткань с расположенными в заданном направлении нитями вдоль длины до прикрепления указанной ткани с расположенными в заданном направлении нитями к заготовке с вытачками.

23. Трехмерная композитная структура, содержащая:
П-образную или Т-образную заготовку, имеющую по меньшей мере один компонент с вытачками;
ткань с расположенными в заданном направлении нитями, имеющую ширину, длину, первую лицевую поверхность и вторую лицевую поверхность, разделенные толщиной, причем первая лицевая поверхность ткани с расположенными в заданном направлении нитями прикреплена к компоненту заготовки, содержащему вытачки; и
связующий материал, по меньшей мере частично пропитывающий заготовку и усиление из ткани с расположенными в заданном направлении нитями.

24. Трехмерная композитная структура по п. 23, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями выткана с использованием программируемой системы натяжения.

25. Трехмерная композитная структура по п. 23, в которой связующий материал выбран из группы, состоящей из эпоксидной смолы, бисмалеимида, полиэфира, винилового эфира, керамики и углерода.

26. Трехмерная композитная структура по п. 23, в которой ткань с расположенными в заданном направлении нитями сложена по длине таким образом, что первая часть второй лицевой поверхности и вторая часть второй лицевой поверхности формируют угол наклона между 0° и 180°.

27. Трехмерная композитная структура по п. 23, в котором ткань с расположенными в заданном направлении нитями сформирована с образованием U-образной формы и расположена в вилке П-образной заготовки.