由复合材料制造的复杂几何体和所述几何体的成型方法 【技术领域】
本发明涉及由复合材料制造的、用于飞行器的叠层复杂几何体和用于成型所述几何体的成型方法。
背景技术
在主结构中大量地引入新型复合材料已经成为结构优化(基于重量的减轻和机械性能的改善)的基本方法，是在新一代飞行器的设计和制造中的主要目标之一。大量引入的可能性得益于用于铺设和自动切割叠层的技术及设备的改进以及半自动成型技术的引进，其中叠层由包含预浸渍有聚合树脂的连续增强纤维带形成，这允许以越来越短的时间获得越来越大且更复杂的结构元件。
然而，通过预浸渍叠层的层压技术来制造、并随后切割和成型叠层具有重大的局限性：在层压和切割操作之后得到的叠层的成型能力是有限的。由非常长的嵌在树脂基体中的增强纤维成型的叠层仅在下述情形中才可成型：其允许在直接受到成型作用的区域和位于成型的影响区域内的毗邻增强纤维滑移，其中成型的影响区域延伸到含有在长度方向上任一位置受成型影响的增强纤维的叠层的整个表面。然而，滑移受到树脂粘度和黏性与纤维非常长的长度(几乎是部件的长度)两者结合所导致的摩擦的限制，这意味着小的成型具有非常大的影响区域——几乎是待成型叠层的尺度。
已知有两种基于对影响可成型性的变量——树脂的粘度和增强纤维的长度——进行改进来利于叠层的成型的方法。
一种已知的成型技术基于热量和压力的结合，其中热量用于降低树脂的粘度，压力一方面用来在所希望的区域中成型叠层、并另外一方面在间接受到成型影响的叠层区域上加压以引导增强纤维的滑移和避免形成褶皱及扭曲。对于大部件来说这项技术是复杂和昂贵的，因为其必须在整个受影响的表面上加压并施加热量。
第二种已知的技术包括：降低增强纤维或原料的长度、或在自动铺带过程中于预浸带中形成具有合适宽度的切口。该项技术利用足够长的定向纤维来得到所需的叠层，因此成型的影响区域大，同时受到成型影响的增强纤维的长度也非常地大。
本发明致力于解决这些问题。
【发明内容】
考虑到前述问题，本发明提出了一种用于成型由复合材料形成的叠层复杂几何体的方法，其可以获得非常复杂的弯折几何体，减少成型区域的影响范围，并使得增强纤维的滑移相对于所述成型来说是局部的。本发明还涉及根据所述方法获得的由复合材料制造的叠层复杂几何体。
本发明描述了一种成型处理方法，其用弯折几何体(即，通过形成弯折、过渡区域和半径变化来获得可展表面的或几乎可展的表面的几何体)代替成型几何体，因此迫使成型的影响区域是局部的，由此使得受所述成型影响的增强纤维的长度最小。
本发明因此描述了一种处理叠层几何体的方法，其中叠层由连续或非常长的不连续的、预浸渍有热固性或热塑性树脂的增强纤维构成，用于制造由复合材料形成的结构部件，用可展的或几乎可展的弯折几何体代替成型几何体，因此迫使成型的影响区域是局部的，由此使得受所述成型影响的增强纤维的长度最小。
因此，尽管在结构的常规设计和制造方法中，部件的成型直到部件的最终几何形状要求其最终功能时才进行；但是，在根据本发明的设计和制造方法中，部件的几何形状便于该方法的进行，以便通过弯折操作进行最终成型，该弯折操作形成最终的可展或几乎可展的部件，并且其中增强纤维的滑移仅会对部件造成局部的影响。
本发明的其它特点和优点将通过下文参照附图对实施例的详细描述得以说明。
【附图说明】
图1a、1b、1c和1d示出了根据先前已知的技术成型叠层的成型方法。
图2示出了图1b的细节4，其示出根据先前已知技术的成型方法的叠层的片层(ply)之间的滑移效应。
图3示意性地示出了复合材料蒙皮的正视图和侧视图，该复合材料蒙皮具有加强元件和根据先前已知技术的、带有厚度变化的上蒙皮。
图4示意性地示出了当需要根据先前已知技术成型叠层以获得图3的几何体时在叠层中引起的效应。
图5示出了图3的细节，其示出根据先前已知技术发生滑移的过渡区域的放大视图。
图6示出了图3的剖面概略图，示出根据先前已知技术的局部截面变化和由于该局部截面变化强迫导致的局部滑移。
图7示意性地示出由根据本发明构造的复合材料制成的蒙皮的轮廓。
图8示出了图6的细节，其示出根据本发明的截面变化的过渡区域的放大图。
图9示意性地示出图7的截面概略图，其示出根据本发明保持其周长的局部截面变化。
图10示出了飞行器机翼的翼肋的三维模型，其中蒙皮的一个支承基座需要平面变化。
图11示出了用于图10的蒙皮的平面变化的传统解决方案。
图12示出了基于本发明的用于图10的蒙皮的平面变化的解决方案。
【具体实施方式】
因此，如前所述，本发明的目的是用于成型复合材料叠层的成型方法，该叠层通过手工或自动地层压带得到，所述带包括具有限定取向的、预浸渍有聚合树脂的增强纤维，该方法可以获得非常复杂的弯折几何体，通过使部件的几何形状与可展或几乎可展的几何形状相适配来减少成型区域的影响范围，使得增强纤维的滑移与成型局部相关。通过高压和高温进行的压固过程可以实现材料的压实，除去多余的树脂和挥发物质，同时，压固(如果树脂是热固性树脂则通过树脂的交联，或如果其是热塑性树脂则通过熔接)提供了具有高机械性能的面板。
图1a、1b、1c和1d示意性地示出了根据已知技术的用于成型叠层的成型方法，该叠层通过多个未固化的预浸渍层形成。有多种方法可达到相同的目的：通过热压盘压制成型、弹性阴模、弹性膜、双膜、真空袋等，所有的这些均与提出的几何构造和成型方法相兼容。
图1a示出了在热成型过程前的叠层1，其刚好位于被放置到成型模具2上以获得一Ω形的几何形状之前——在此特定情形中，成型模具2是一具有恒定剖面的模具。图1b示出了在成型过程期间的同一叠层1，其中叠层与模具2逐渐地适配3。图1c示出了在模具2上完全成型的叠层1，图1d示出了从模具2上取出现在已成型的叠层1。最终的几何形状是一可展曲面，且成型件为一弯折结构，其中所有的预浸渍层在与弯折方向垂直的任何截面上都具有一致并相同的相对位移。
不管所选的成型技术如何，用于成型预浸渍叠层的成型方法可以实施是得益于蠕变现象：热降低树脂的粘度、并因此减少增强纤维之间的摩擦，并且压力以缓慢和受引导方式施加(以实现纤维在其平面内的滑移而不会导致褶皱)。图2示出了图1b细节4中的叠层1在厚度方向因为成型轮廓状况的层间滑移：因为该滑移，最初垂直于叠层1厚度的平面不再与其垂直。
叠层成型以提供可展的几何形状是相对简单的，且在复合材料结构制造技术的领域中是公知的：由此制造直的元件或具有小曲线——例如C、L、Ω等曲线——的元件、成形翼梁、纵向构件和加强件。图3示意性地示出由复合材料10形成的蒙皮以及上蒙皮12的正视图、侧视图和透视图，该蒙皮具有与图1之一类似的Ω形状的加强件11，该上蒙皮12具有一厚度变化13，该厚度变化13迫使在Ω形加强件11内的局部截面变化14。
图4示意性地示出了当叠层需要被成型为图3的几何形状时在叠层中导致的效应。预浸渍叠层的位移对于各个截面而言不再一致和相同，存在一个过渡区域15，在该过渡区域15中，在毗邻的截面之间存在滑移，其与增强纤维取向不同的层结合而强迫导致增强纤维的褶皱和扭曲。
截面变化的影响区域然后延伸至叠层17的截面的整个宽度——这些区域被标记为15和16，导致在整个成型影响区域内叠层17边缘的突起(详见图5)。
局部截面变化18和由其强迫导致的局部位移被示意性地示于概略图6中。
图7示出了本发明提出的结构，其中截面变化如此地进行：弯折叠层并且因此形成一过渡区域18，该过渡区域18使得可以沿整个变形长度保持变形区域的周长(详见图8)，获得最终的可展或几乎可展的形状。因此，所有的预浸渍叠层在与弯折方向垂直的任何截面上都具有几乎一致的和近乎相同的相对位移。因此在毗邻截面之间没有滑移，并且截面改变的影响区域不会延伸到叠层的剩余部分，而是被限制在成型区域内。
维持其周长并且消除了叠层的扭曲区域的截面变化被示于图9中。
本发明可以扩展到任何需要成型的元件和结构，如图10中所示，其中示出了飞行器机翼的翼肋，具有一个腹板19、被用作与空气动力学蒙皮20的界面的基座、以及一需要平面变化以吸收蒙皮厚度变化的基座21，该变化类似于图3加强件的截面变化14。
图11示出了传统的解决方案，保持翼肋的腹板位于一个平面内并迫使叠层22的局部扭曲位于支撑基座的平面变化区域内。
图12示出了基于本发明提出的解决方案，强迫翼肋23的腹板平面变化和半径变化24，从而使得通过弯折获得支撑基座的平面变化而没有扭曲。
包括在由所附权利要求限定的范围内的变型可引入上述的实施例中。