非平面複合材料部件的疊鋪方法

2023-05-03 19:06:21 2

專利名稱：非平面複合材料部件的疊鋪方法
技術領域：
本發明涉及複合材料部件的製造，且特定言之，涉及使用自動化鋪帶機製造非平面複合材料部件，諸如飛機翼的抗扭盒外殼。
背景技術：
複合材料部件製造方法包括鋪疊階段和固化階段，在鋪疊階段中，卷式的複合材料層設置在適當形狀的模具上，固化階段則是航空業以及其他工業中熟知的。在航空業中最經常使用的複合材料由鑲嵌在熱固或熱塑樹脂基體中的纖維或纖維束組成，其形式為預浸潰或「預浸處理」材料。它們的主要優勢是指
-它們相對於金屬材料的高比強度；
-它們在疲勞負載下的極佳性能；
-由材料各向異性而引起的結構優化可能性以及組合纖維與不同定向的可能性，使得可以根據所施加負載的不同需求而調節具有不同機械屬性的要素設計。複合材料層不是隨機設置的，而是以某一數目以及其纖維(通常為碳纖維)加強定向配置在每個區中，這是依據每個區中部件所承受的應力性質和大小而確定的。因而，每個區具有依據層堆疊或布置而定的特定結構。不同區之間的厚度差會引發層減少，這需要使每個部件具有層模型，所述層模型確立了如何在堆疊處理期間在夾具上布置層。通常使用用於單向鋪設(UD)或纖維帶的自動化鋪帶機(下文中稱為ATL機)執行鋪疊階段。帶根據部件形狀直接鋪設在模具上，其加強纖維處於設計者確定的定向上。則ATL機應具備鋪疊複合材料帶(通常為CFRP預浸處理)應遵循的軌跡。在特定輪廓表面中沿0°方向的帶軌跡，在理想情況下應遵循「自然路徑」，也就是說帶在鋪設時將遵循特定輪廓表面而不會伸展或摺疊的路徑。然而，非平面表面的所述「自然路徑」的確定是非常困難的。在第一種方案中，提出了確定沿0°方向的帶軌跡為測地線(即，相對於表面局部筆直的曲線，因為其測地曲率在每個點都等於零)，但是已發現，這些軌跡涉及在工業中使用的相鄰典型尺寸帶之間的過大間隙。US 2006/0073309公開了一種用以計算作為由複數個自然路徑分段確定的軌跡的沿O。方向的帶軌跡的方法，其避免了所述過大間隙，還避免了在帶上形成皺摺，每個帶軌跡都定義了相對於路徑相鄰分段的非自然角度，以使得每個帶的橫邊都設置在與相鄰帶預定的偏移距離間隔內。針對複雜幾何形狀的大複合部分(諸如具有雙曲率的飛機翼外殼)實施此方法，涉及計算問題，而且也無法確保不產生皺摺。因而需要一種疊鋪方法，其中應易計算所述理想軌跡且向ATL機提供所述理想軌跡。

發明內容
本發明的一個目標是使用ATL機在適當模具上鋪疊非平面複合部件的沿O °方向的預浸處理複合材料帶的方法，其中所述帶軌跡確定為使它們可由ATL機鋪疊而不會產生皺摺。本發明的一個目標是使用ATL機在適當模具上鋪疊非平面複合部件的沿O °方向的預浸處理複合材料帶的方法，其中可輕易計算所述帶軌跡。本發明的還一個目標是提供非平面複合部件，其具有適當鋪設的複合材料帶，以避免各種缺陷，諸如皺摺、連續帶之間的過度間隙以及連續帶之間的重疊。在一個方面，這些和其他目標通過一種使用ATL機在適當模具上鋪疊非平面複合部件的沿0°方向的預浸處理複合材料帶的方法而實現，該方法包括如下步驟a)確定所述帶軌跡作為測地軌跡的修改軌跡，在其在水平面上的投影中符合如下條件其彎曲分段的曲率半徑R2大於預定值Rmin ;兩個相鄰帶之間的間隙G2p包括在O與預定值Gmax之間；b)向所述ATL機提供所述修改軌跡。在本發明的實施例中，所述步驟a)包括如下子步驟a I)在水平面上投影與所述 帶對應的測地軌跡；a2)修改水平投影軌跡以符合上述條件；a3)通過所述表面與含有所修改的水平軌跡的垂直平面的交叉，在對應的鋪疊表面上獲得所述修改的軌跡。因此，替提供了一種可使用硬體和軟體實施的方法，所述硬體和軟體通常使用ATL機在鋪疊過程中獲得。在本發明的實施例中，-所述預定值Rmin針對寬度為300mm的帶為400mm ;且所述預定值Gmax為3. 5mm。因此，提供了這樣一種方法，其中沿0°方向的軌跡符合質量要求。在本發明的實施例中，所述部件是飛機翼外殼。因此，提供了一種在允許自動化鋪疊處理的大複雜幾何形狀部件中沿0°方向鋪疊帶的方法。在另一個方面中，上述目標由一種非平面複合部件(尤其是飛機翼外殼)實現，該非平面複合部件包括遵循其在水平面中的投影符合以下條件的軌跡而設置的沿0°方向的複合材料帶其彎曲分段的曲率半徑R2大於預定值Rmin ;兩個相鄰帶之間的間隙G2p包括在O與預定值Gmax之間。在參照附圖對說明本發明目標的實施例的詳細描述中，將更易了解本發明的其他特性和優點。


圖I示出了飛機翼外殼的示意平面圖。圖2示出了所述外殼一個區的典型橫截面圖。圖3a示意性示出了到所述外殼一個區的水平面上的投影，其中三個相鄰帶依據已知測地軌跡設置。圖3b示意性示出了圖3a沿平面A-A和B-B的橫截面。圖4a示意性示出了到所述外殼一個區的水平面上的投影，其中三個相鄰帶依據根據本發明確定的軌跡設置。圖4b示意性示出了圖4a沿平面A-A和B-B的橫截面。
具體實施例方式在複合材料部件製造方法中的鋪疊階段的自動化程序在本領域中是熟知的。ATL機具有安裝在平行導軌之間的可移動帶輸送頭機構，其可沿多個軸運動從而將預浸處理帶安置在多個磨具形狀上。預浸處理帶(通常為卷式設置)含有固持在背紙上的未固化複合材料，當帶安置在模具上時可移除該背紙。當鋪疊特定部件時，沿考慮到表面幾何形狀以及適當的指令組合而確定的軌跡，運動ATL機的帶輸送頭機構而鋪設帶。可以預定形式向ATL機提供這些軌跡，且可在ATL機中使用可用的處理構件形成這些軌跡。現在將描述根據本發明確定在圖I中表示的飛機翼抗扭盒的外殼11的沿0°方向的帶軌跡。圖2示出了所述外殼11的區15的橫截面，在所述橫截面中的外殼11的曲線17的長度與所述曲線17在水平面上的投影距離D之間存在明顯差異。外殼11每個區的D/L比都會變化。
起始點是當前使用的ATL機的計算構件提供的軌跡(通常是基於測地的軌跡)。圖3a示出了投影至地平面(水平面)上的外殼鋪疊表面的所述區15上鋪設的三個帶21、23、24的所述其實軌跡。圖3b示出了所述區15沿平面A-A (具有高D/L比)和沿平面B-B (具有較低的D/L比)的橫截面。地平面上的投影起始軌跡(圖3a)是帶21、23、25之間存在恆定間隙Glp的平行軌跡，且在具有較低D/L比的外殼的那些區上具有一定曲率半徑(R1)。在鋪疊表面(圖3b)上，橫截面A-A中的帶21、23、25與橫截面B-B中的帶21、23、25之間的間隙Gls，可在預定極限下變化。如果這些極限導致所述半徑&小，那麼帶21、23、25以一個張力鋪設在鋪疊表面上，這會導致在具有所述曲率半徑R1的區域中產生皺摺。R1越低，張力越高，且越早出現皺摺。因此，R1應具有不能超越的最小值，這在許多情況下發生，但在諸如大翼外殼的複雜曲率大部件下不會發生，
圖4a示出了根據本發明投影至地平面上的鋪設在外殼鋪疊表面的所述區15上的三個帶21、23、25的軌跡，且圖4b示出了所述區15沿平面A-A (具有大D/L比)以及沿平面B-B(具有較低D/L比)的橫截面。在地平面上行的投影軌跡(圖4a)是帶21、23、25之間具有可變間隙G2p的不平行軌跡，且在具有較低D/L比的那些外殼區上具有曲率半徑R2M1，這樣，帶21、23、25鋪設在具有較低張力的鋪疊表面上，而避免了皺摺產生。在鋪疊表面(圖4b)上，橫截面A-A中的帶21、23、25之間的間隙G2s與之前的情況類似，但是在橫截面B-B中間隙G2s更大。因此可接受，帶之間的間隙G2s比具有較低D/L比的那些區域中更大，在任何情況下都不會超過預定值Gmax。確定軌跡的運作程序包括以下步驟
a)修改地平面上的起始軌跡投影，這樣，它們的彎曲分段具有比預定最小半徑Rmin更大的曲率半徑R2,且間隙包括在O與最大預定值Gmax之間；
b)通過所述表面與含有所述修改軌跡的垂直平面的交叉，在對應的鋪疊表面上獲得軌跡。根據發明人獲得的實驗數據，通過上述參數的以下值可以獲得良好結果 Rmin=400mm (針對300_的帶寬度)；
Gmax=3. 5mm。已注意到，如果在沿0°方向的帶軌跡中，特定區中的帶的兩個邊界之間的長度差超過2. 5_，那麼會出現皺摺。在根據本發明的軌跡中，所述長度差不會超過2. 5_。雖然已結合優選實施例完全描述了本發明，但是很明顯，在本發明的範圍內 可引入眾多修改，本發明的範圍不由這些實施例限制，而是由以下權利要求的內容限制。
權利要求
1.一種使用ATL機在適當模具上鋪疊非平面複合部件的沿0°方向的預浸處理複合材料帶的方法，其特徵在於，包括以下步驟 a)確定所述帶軌跡作為測地軌跡的修改軌跡，在其在水平面上的投影中符合如下條件 -其彎曲分段的曲率半徑R2大於預定值Rmin ； -兩個相鄰帶之間的間隙G2p包括在O與預定值Gmax之間； b)向所述ATL機提供所述修改軌跡。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，其中所述步驟a)包括如下子步驟 al)在水平面上投影與所述帶對應的測地軌跡； a2)修改所述水平投影軌跡以符合上述條件； a3)通過所述表面與含有所修改的水平軌跡的垂直平面的交叉，在對應的鋪疊表面上獲得所述修改的軌跡。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，其中 -所述預定值Rmin針對寬度為300mm的帶為400mm ； -所述預定值Gmax為3. 5mm。
4.根據權利要求I至3中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述部件是飛機翼外殼。
5.一種非平面複合部件，包括遵循其在水平面中的投影符合以下條件的軌跡而設置的沿O。方向的複合材料帶 -其彎曲分段的曲率半徑R2大於預定值Rmin ； -兩個相鄰帶之間的間隙G2p包括在O與預定值Gmax之間。
6.如權利要求5所述的非平面複合部件，其特徵在於 -所述預定值Rmin針對寬度為300mm的帶為400mm ； -所述預定值Gmax為3. 5mm。
7.根據權利要求5至6中任一權利要求所述的非平面複合部件，其特徵在於，所述部件是飛機翼外殼。
全文摘要
本發明涉及一種非平面複合材料部件的疊鋪方法，具體涉及使用ATL機在適當模具上鋪疊非平面複合部件的沿0°方向的預浸處理複合材料帶的方法，該方法包括如下步驟a)確定所述帶軌跡作為測地軌跡的修改軌跡，在其在水平面中的投影中符合如下條件其彎曲分段的曲率半徑R2大於預定值Rmin；兩個相鄰帶之間的間隙G2p包括在0與預定值Gmax之間；b)向所述ATL機提供所述修改軌跡。本發明也涉及非平面複合部件，諸如具有遵循符合這些條件的軌跡的沿0°方向之帶的飛機翼外殼。
文檔編號B64C3/26GK102837433SQ20121016924
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月26日 優先權日2011年5月27日
發明者阿爾韋託·洛扎諾塞維亞, 約瑟·奧倫西奧·格拉納多馬卡裡利亞, 文森特·馬丁內斯巴爾德格拉馬, 勞爾·布爾戈斯加列戈 申請人:空中巴士西班牙運營有限責任公司