復(fù)合結(jié)構(gòu)件的制作方法

本發(fā)明涉及復(fù)合結(jié)構(gòu)件以及制造復(fù)合結(jié)構(gòu)件的方法。

背景技術(shù)：

層壓的纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)件如飛行器機(jī)翼蒙皮在其整個厚度的適應(yīng)高負(fù)載引入的能力方面受到限制。這限制了這些結(jié)構(gòu)件能夠工作時的應(yīng)變水平。

傳統(tǒng)上，這些結(jié)構(gòu)件機(jī)械地緊固(例如通過螺栓來緊固)至其他工件，螺栓穿過結(jié)構(gòu)件中的加工孔。對結(jié)構(gòu)件的受限的螺栓承載能力的傳統(tǒng)解決方案是在孔位置處局部地增大結(jié)構(gòu)件的厚度。這可能導(dǎo)致增加重量和成本的低效解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提供了一種結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件包括由纖維增強(qiáng)基體材料構(gòu)成的復(fù)合層片的堆疊件。該結(jié)構(gòu)件包括多個加強(qiáng)插入件和多個孔，其中，每個加強(qiáng)插入件均嵌入堆疊件中并結(jié)合至該堆疊件，并且每個孔均貫穿加強(qiáng)插入件中的相應(yīng)一個加強(qiáng)插入件。每個加強(qiáng)插入件均接合至支承層。支承層由與復(fù)合層片不同的材料形成并且浸漬有與復(fù)合層片相同的基體材料。支承層在結(jié)構(gòu)件的組裝期間承載插入件，并且支承層會有助于堆疊件的灌注和/或固化過程。

加強(qiáng)插入件提高了結(jié)構(gòu)件的緊固件承載能力。因此，結(jié)構(gòu)件的插入件周圍的厚度的局部增大可以被避免或者至少被最小化。

通常，加強(qiáng)插入件在結(jié)構(gòu)件的固化期間共同結(jié)合至堆疊件的基體材料，而非通過與堆疊件的基體材料不同的粘合劑二次結(jié)合至堆疊件。換言之，加強(qiáng)插入件通常與堆疊件的基體材料直接接觸。

支承層可以位于堆疊件的頂部或底部處，但更通常地，支承層嵌入堆疊件中，其中，堆疊件的第一復(fù)合層片和第二復(fù)合層片定位在多孔支承層的相反兩側(cè)上，并且第一復(fù)合層片和第二復(fù)合層片結(jié)合至每個加強(qiáng)插入件。通常，支承層位于堆疊件的一半厚度的位置處——換言之，位于堆疊件的中部處。

通常，支承層是金屬支承層。

支承層可以是能夠浸漬有基體材料的格柵或網(wǎng)狀物、穿有孔的板、或者任何其他多孔結(jié)構(gòu)件。

插入件可以穿過堆疊件的整個厚度，但更通常地，在加強(qiáng)插入件的相反端部處設(shè)置有纖維增強(qiáng)基體材料的一對包覆層片，其中，每個加強(qiáng)插入件均結(jié)合至包覆層片，并且每個孔均貫穿所述一對包覆層片以及穿過加強(qiáng)插入件中的相應(yīng)一個加強(qiáng)插入件。

通常，每個加強(qiáng)插入件均具有側(cè)面和一對端面；堆疊件的至少兩個復(fù)合層片具有結(jié)合至加強(qiáng)插入件的側(cè)面的內(nèi)部邊緣；該結(jié)構(gòu)件還包括由纖維增強(qiáng)基體材料構(gòu)成的一對包覆層片，所述一對包覆層片結(jié)合至加強(qiáng)插入件的端面；并且每個孔均貫穿所述一對包覆層片。

加強(qiáng)插入件可以由金屬或者任何其他合適的加強(qiáng)材料——例如諸如Tufnol(R)之類的聚合物材料——制成。

纖維增強(qiáng)基體材料用纖維來增強(qiáng)，其可以是碳、玻璃或任何其他合適的纖維增強(qiáng)材料。通常，纖維增強(qiáng)材料與形成加強(qiáng)插入件的材料不同。

通常，基體材料是諸如環(huán)氧樹脂之類的熱固性材料或者酯基系統(tǒng)。替代性地，基體材料可以是熱塑性材料。

通常，堆疊件的至少兩個復(fù)合層片具有結(jié)合至加強(qiáng)插入件的內(nèi)部邊緣。最優(yōu)選地，堆疊件的至少四個復(fù)合層片具有結(jié)合至加強(qiáng)插入件的內(nèi)部邊緣。所述內(nèi)部邊緣通常為切割邊緣。

本發(fā)明的第二方面提供了一種接合件，該接合件包括：工件；以及根據(jù)本發(fā)明的第一方面的結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件通過緊固件如螺栓接合至工件，每個緊固件均具有穿過所述孔中的相應(yīng)一個孔的桿部。

本發(fā)明的第三方面提供了一種制造本發(fā)明的第一方面的結(jié)構(gòu)件的方法，該方法包括：將由纖維增強(qiáng)基體材料構(gòu)成的復(fù)合層片的堆疊件鋪設(shè)到鋪層工具上，其中，多個加強(qiáng)插入件嵌入堆疊件中，其中，加強(qiáng)插入件在其嵌入堆疊件中之前由多孔支承層承載；對基體材料進(jìn)行加熱和固化，使得加強(qiáng)插入件共同結(jié)合至堆疊件，并且使得多孔支承層浸漬有基體材料；以及在基體材料已固化之后，形成多個孔，每個孔均貫穿加強(qiáng)插入件中的相應(yīng)一個加強(qiáng)插入件。

本發(fā)明的第四方面提供了一種制造本發(fā)明的第一方面的結(jié)構(gòu)件的方法，該方法包括：將干纖維層片的堆疊件鋪設(shè)到鋪層工具上，其中，多個加強(qiáng)插入件嵌入堆疊件中，其中，加強(qiáng)插入件在其嵌入堆疊件中之前由多孔支承層承載；用基體材料對干纖維層片的堆疊件進(jìn)行灌注，該基體材料流動以與加強(qiáng)插入件接觸并且浸漬多孔支承層；對基體材料進(jìn)行固化，使得加強(qiáng)插入件共同結(jié)合至堆疊件；以及在基體材料已固化之后，形成多個孔，每個孔均貫穿加強(qiáng)插入件中的相應(yīng)一個加強(qiáng)插入件。

在基體材料已固化之后在加強(qiáng)插入件中形成孔確保了基體材料不會流到孔中。這也使在任何包覆層片中能夠同時形成孔。

通常，所述孔通過材料的去除——例如，通過諸如鉆削之類的加工過程——來形成。

通常，整個堆疊件在加強(qiáng)插入件共同結(jié)合至基體材料的同時被固化。換言之，不需要兩個單獨(dú)的固化周期——用以使堆疊件固化的一個固化周期以及用以形成與加強(qiáng)插入件的結(jié)合的另一固化周期。

通常，基體材料在其固化之前流動以與加強(qiáng)插入件緊密接觸，使得加強(qiáng)插入件共同結(jié)合至基體材料。

可選地，復(fù)合層片或干纖維層片在加強(qiáng)插入件嵌入堆疊件中之前預(yù)成形有用于容置加強(qiáng)插入件的孔。這些孔可以通過切割來預(yù)成形。

加強(qiáng)插入件可以在層片中的一些層片或所有層片已鋪設(shè)到鋪層工具上之后嵌入堆疊件中，或者加強(qiáng)插入件可以在層片鋪設(shè)到鋪層工具上時嵌入堆疊件中。

加強(qiáng)插入件可以通過下述方式嵌入堆疊件中：將加強(qiáng)插入件插入到堆疊件中的預(yù)成形孔中以及/或者將復(fù)合層片或干纖維層片鋪設(shè)到鋪層工具上以使得插入件在層片被鋪設(shè)到鋪層工具上時被接納在層片中的預(yù)成形孔中。

由多孔支承層承載的加強(qiáng)插入件可以一個接一個地嵌入堆疊件中，但更通常地，這些加強(qiáng)插入件同時嵌入堆疊件中。

多孔支承層可以位于復(fù)合層片或干纖維層片的堆疊件的頂部或底部處，但更通常地，多孔支承層嵌入堆疊件中，其中，堆疊件的第一層片和第二層片定位在多孔支承層的相反兩側(cè)上，并且第一層片和第二層片在基體材料固化時共同結(jié)合至加強(qiáng)插入件。

加強(qiáng)插入件可以在加強(qiáng)插入件嵌入堆疊件中之前通過焊接或任何其他合適的方法接合至多孔支承層。

通常，基體材料是熱固性材料如環(huán)氧樹脂或者通過熱作用固化的酯基系統(tǒng)。替代性地，基體材料可以是通過允許其冷卻下來并凝固來固化的熱塑性材料。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)件的截面圖；

圖2至圖4示出了制造圖1的結(jié)構(gòu)件的方法中的初始步驟；

圖5是支承格柵的平面圖；

圖6至圖8示出了制造圖1的結(jié)構(gòu)件的方法的最終步驟；

圖9是圖1的結(jié)構(gòu)件的平面圖；

圖10示出了利用定位銷來制造結(jié)構(gòu)件的替代性方法；

圖11示出了結(jié)合有圖1的結(jié)構(gòu)件的接合件的一部分；

圖12是示出了圖11的接合件的更多細(xì)節(jié)的平面圖；以及

圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的沒有包覆層片的結(jié)構(gòu)件的截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了結(jié)構(gòu)件1，該結(jié)構(gòu)件1包括由纖維增強(qiáng)基體材料構(gòu)成的復(fù)合層片的堆疊件3。柱狀加強(qiáng)插入件4嵌入堆疊件3中并且結(jié)合至堆疊件3?？?貫穿每個加強(qiáng)插入件4。

圖2示出了制造結(jié)構(gòu)件1的方法中的第一階段。首先，將三個包覆層片10至12鋪設(shè)到鋪層工具2上。每個包覆層片10至12均為由預(yù)浸漬有環(huán)氧樹脂基體材料的強(qiáng)化纖維層構(gòu)成的所謂的“預(yù)浸漬件”。在該示例中，每個增強(qiáng)層均是單向碳纖維層，但是替代性地，所述纖維可以是編織的或無皺褶的。上包覆層片12中的碳纖維在圖2的截面的平面中延伸并以13表示，并且該上包覆層片12的環(huán)氧樹脂基體材料以14表示。另一方面，包覆層片11中的碳纖維橫向于該截面的平面延伸并以15表示。單向纖維的方向根據(jù)所需的結(jié)構(gòu)件性能來選擇。在圖2的示例中，層片10、12的單向纖維沿相同方向延伸，并且包覆層片11的纖維橫向于該方向延伸?？梢栽O(shè)置纖維以+/-45度延伸的另外的層片，如現(xiàn)有技術(shù)中公知的。在該示例中，示出了三個包覆層片10至12，但是通?？梢凿佋O(shè)任意數(shù)目的包覆層片，包括僅單個包覆層片。

圖3示出了該制造方法中的下一階段。將三個內(nèi)部復(fù)合層片20至22一個接一個地鋪設(shè)到包覆層片12的頂部上。在每個層片20至22中通過超聲刀或其他的層片切割工具預(yù)切割出圓形孔20a至22a。每個層片20至22均具有位于孔的邊緣處的圓形的內(nèi)部切割邊緣20b至22b。層片20至22以孔20a至22a對準(zhǔn)的方式鋪設(shè)，如圖3中所示。

圖4中示出了下一制造階段。在圖5中以平面圖示出的多孔金屬支承格柵5在所需位置中被切割有多個孔27。柱狀金屬加強(qiáng)插入件4接著配裝到每個孔27中并且焊接至格柵5。支承格柵5在圖4中以截面圖示出，并且支承格柵5包括由孔隙7隔開的金屬支柱6網(wǎng)。支柱6和孔隙7的尺寸可以與示出的支柱6和小孔7的尺寸不同。如圖4中所示，支承格柵5在每個插入件4同時配裝到內(nèi)部層片20至22中的相應(yīng)的對準(zhǔn)的一組孔20a至孔22a中時支承插入件4。當(dāng)插入件4完全插入時，支承格柵5接觸上面的內(nèi)部層片22。

圖6中示出了下一階段。將第二組的三個內(nèi)部復(fù)合層片30至32鋪設(shè)到支承格柵5的頂部上。層片30至32具有預(yù)切孔(像第一組層片中的孔20a至22a一樣)，并且加強(qiáng)插入件4在層片30至32一層接一層地鋪設(shè)時接納在這些孔中。三個包覆層片40至42接著鋪設(shè)在加強(qiáng)插入件的頂部上。

接下來，將真空袋鋪設(shè)到堆疊件上并且將真空袋排空以壓縮堆疊件，接著對堆疊件進(jìn)行加熱使得熱固性環(huán)氧樹脂基體材料熔化，并且隨后使堆疊件固化以提供圖7中示出的加固結(jié)構(gòu)件。熔化的基體材料在層片之間熔合并且隨后通過共固化將層片結(jié)合在一起。基體材料的加熱還使基體材料浸漬支承格柵5中的孔隙7，如圖7中所示?；w材料還流動以與加強(qiáng)插入件4緊密接觸，使得在基體材料固化時，包覆層片12、40共同結(jié)合至加強(qiáng)插入件的端面45，并且內(nèi)部層片20至22、30至32的圓形內(nèi)部切割邊緣共同結(jié)合至加強(qiáng)插入件的柱狀側(cè)部46。

在圖8中示出的最終制造步驟中，穿過該結(jié)構(gòu)件鉆削出孔6，每個孔6均穿過上包覆層片40至42、加強(qiáng)插入件4中的相應(yīng)一個加強(qiáng)插入件以及下包覆層片10至12。如圖中9所示，孔6是圓形的，并且孔6與嵌入的加強(qiáng)插入件的在圖9中以虛線示出的柱狀側(cè)部46同軸。

圖10示出了穿過替代性結(jié)構(gòu)件的截面圖，該替代性結(jié)構(gòu)件與圖1的結(jié)構(gòu)件類似，除了為每個插入件都設(shè)置有柱狀定位銷50之外。定位銷插入到在鋪層工具2的上表面中適當(dāng)定位的筒狀凹部中。如圖10中所示，下包覆層片(該包覆層片預(yù)成形有用于容納定位銷的適當(dāng)定位的孔)鋪設(shè)到定位銷上，并且每個加強(qiáng)插入件4均類似地具有面向下的凹部，該凹部接納柱狀定位銷中的相應(yīng)一個柱狀定位銷的的上端部。定位銷在固化過程期間留在原位并且隨后在鉆削孔6時被鉆出。

圖11示出了包括圖1的結(jié)構(gòu)件的接合件的一部分。結(jié)構(gòu)件1通過具有桿部60的螺栓接合至金屬工件63，該桿部60穿過孔6并穿過工件63，如圖11中所示。該緊固件具有埋入工件內(nèi)的頭部61以及與螺母62配合的尾部，如圖11中所示。作為示例，結(jié)構(gòu)件1可以是飛行器機(jī)翼蒙皮，并且工件63可以是主起落架結(jié)構(gòu)件或發(fā)動機(jī)吊架結(jié)構(gòu)件。

圖11是接合件的放大視圖，僅示出了單個緊固件60至62，而圖12是示出了通過多個緊固件接合至工件63的結(jié)構(gòu)件1的展開圖，每個緊固件均具有穿過插入件中的相應(yīng)一個插入件的桿部60。

圖13示出了替代性結(jié)構(gòu)件1a，該替代性結(jié)構(gòu)件1a與圖1的結(jié)構(gòu)件1類似，除了沒有包覆層片之外。圖12的結(jié)構(gòu)件的特征在其他方面相同并且用相同的附圖標(biāo)記加上字母“a”來標(biāo)記。因此，將不對圖12的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

參照圖2至圖8的上述方法利用預(yù)浸漬的復(fù)合層片來形成結(jié)構(gòu)件1，但是在制造圖1的結(jié)構(gòu)件的替代性方法中，可以利用樹脂灌注法。代替將預(yù)浸漬件鋪設(shè)到鋪層工具上，將干纖維層片的堆疊件以與嵌入的加強(qiáng)插入件4類似的方式鋪設(shè)。在堆疊件已組裝好之后，用環(huán)氧樹脂基體材料對堆疊件進(jìn)行灌注，該環(huán)氧樹脂基體材料流動以與加強(qiáng)插入件接觸并且浸漬支承格柵5。多孔的支承格柵5有助于基體材料在灌注過程期間在堆疊件的整個厚度上流動。因此，當(dāng)利用樹脂灌注法時，格柵5提供了兩個明顯優(yōu)勢：第一，格柵5提供了準(zhǔn)確地且在單個步驟中安裝加強(qiáng)插入件的便利方式；第二，格柵5對樹脂灌注過程提供幫助。

在以上給出的示例中，孔6是鉆削出的空隙，但是在替代性實(shí)施方式中，孔6可以形成有螺紋以接納帶外螺紋的緊固件桿部。

盡管圖11和圖12的接合件將復(fù)合結(jié)構(gòu)件1接合至金屬工件，但是該接合件可以形成有任何其他工件，包括具有加強(qiáng)金屬插入件的類似復(fù)合結(jié)構(gòu)件。

盡管上文已經(jīng)參照一個或更多個優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但將理解的是，在不背離本發(fā)明的如所附權(quán)利要求中限定的范圍的情況下可以做出各種變型或改型。