複合構件和為此的工藝的製作方法

2023-05-10 11:17:06 1

專利名稱：複合構件和為此的工藝的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及複合構件及其生產工藝。更具體而言，本發明針對由多片預浸漬體製成且其形狀包括平面內彎曲的複合構件，其示例為用於翼型件的翼梁緣條(spar cap) ο
背景技術：
複合技術的成熟已經增加了在各種各樣的應用(包括但不限於翼型構件，諸如在風力渦輪機和飛行器發動機中使用的葉片)中使用複合材料的機會。歷史上，用複合材料製造構件已經由減輕重量的願望所驅動，而金屬成本的提高也變為一些應用的驅動因素。複合材料一般包括嵌入基質材料中的纖維增強材料，如聚合物或陶瓷材料。增強材料用作複合材料的承載組分，同時基質材料保護增強材料、保持其纖維的定向並且用於使載荷消散到增強材料中。聚合物基質複合(PMC)材料典型地通過以樹脂浸漬織物、而後通過固化來製成。在浸漬之前，織物可稱為「幹」織物，且典型地包括兩個或更多個纖維層 (片或板)的堆疊。取決於所意圖的應用和所使用的基質材料，纖維層可由各種各樣的材料形成，其非限制性示例包括碳(例如，石墨)纖維、玻璃(例如，玻璃絲)纖維、聚合物(例如，Kevlar )纖維和陶瓷(例如，Nextel )纖維。圖1示意性地示出作為在其中PMC材料得到使用的應用的非限制性示例的風力渦輪機10。渦輪10 —般包括轉子葉片組件12，轉子葉片組件12包括從輪轂16沿徑向延伸的多個葉片14。輪轂16典型地連接到傳動系(未示出)上，傳動系又連接到容納在安裝於塔架20上的機艙18內的發電機上。圖1中所表示的類型的渦輪的裝置通常將包括控制系統，以監測和控制渦輪10的運行和性能，包括葉片14的槳距和速度。例如，葉片槳距可通過使葉片14繞著其變槳軸線旋轉來控制。圖1中所表示的類型的風力渦輪機的轉子葉片組件通常非常大，直徑在大約三十米或更大的數量級上。因此，葉片14和渦輪10的總體運行會受益於將葉片14製造成重量輕但堅硬的，且因此通常由PMC材料製成。圖1中所表示的葉片14可具有各種各樣的形狀和/或構造。作為一個示例，圖2 表示了具有「直的」構造的葉片14，使得整個葉片14及其翼展方向的軸線22大致處於渦輪轉子葉片組件12的徑向上。葉片14的翼展方向的軸線22與葉片變槳軸線M大致重合， 如本文所使用，葉片變槳軸線M為葉片14的扭轉軸線，葉片14繞著該扭轉軸線扭轉。圖3示意性地表示了具有掃掠(swept)或稱斜掠構造的葉片14，如本文所使用，掃掠構造是指存在平面內彎曲，換言之，在平行於葉片14的寬度(翼弦)的平面內存在彎曲。 如圖3中明顯的那樣，掃掠構造導致葉片14的翼展方向的軸線22的至少一部分離開葉片 14的變槳軸線M。圖3中所表示的葉片14通常包括在其中跨附近的前掠和在其葉片末梢沈處的後掠，很類似於迴旋標的形狀。美國專利No. 7，344，360公開了這種葉片14。然而， 也存在在其中葉片14可僅具有後掠或僅具有前掠的掃掠構造。圖3中所表示的類型的掃掠葉片構造提供了關於結構效率的顯著益處。根據葉片14的特定構造及其掃掠，通過促使在風載荷下繞著其變槳軸線M扭轉，葉片14能夠減輕載荷，且從而最大限度地減小材料質量和成本。具體而言，在受到過大的載荷時，圖3中的葉片14的掃掠構造能夠通過結合葉片14的扭轉和彎曲來使葉片14 「鼻部下降(nose down)」來減輕載荷。圖4示意性地表示了圖3的葉片14的截面。如所所表示的那樣，葉片14包括成對的承載翼梁緣條觀和30，其各自從其根部到其末梢沈幾乎延伸葉片14的整個縱向長度(翼展)。葉片14的構造還包括介於翼梁緣條觀和30之間且連接到翼梁緣條觀和30 上的抗剪腹板32，以及限定葉片14的外部空氣動力翼型形狀的殼體34。圖4中將殼體34 表示為包括兩個部件，該兩個部件各自包括內表皮36、外表皮38，以及它們之間的重量輕的芯體40 (或其它加強特徵)。如圖4中所表示的那樣，翼梁緣條觀和30還可夾在內表皮 36與外表皮38之間。翼梁緣條觀和30以及抗剪腹板32用作用於提高葉片14的強度的結構部件，類似於工字梁。因此，由翼梁緣條觀和30以及抗剪腹板32限定的工字梁典型地在葉片14中製造和安裝成與葉片14的翼展方向的軸線22重合，使得翼梁緣條觀和30 以及抗剪腹板32 —般具有與其安裝在其中的葉片14大致相同的構造(例如，直的構造或掃掠構造)。此外，為了最大限度地減輕葉片14的重量，翼梁緣條觀和30、抗剪腹板32以及表皮36和38典型地由PMC材料製成。例如，翼梁緣條28和30典型地由玻璃纖維增強的PMC材料構成，但趨勢為由碳纖維增強的PMC材料製造出較大的葉片14，以節省重量和減小下遊載荷。如果由PMC材料製成，則各個緣條觀和30內的纖維增強材料優選包括在緣條觀/30內定向成與緣條觀/30的縱向長度平行的連續的纖維，這有助於有優化結構能力。因為風力渦輪葉片的大小、形狀和重量是風力渦輪機的能量效率中的要素，故趨勢為增加葉片的長度且優化其形狀，同時最大限度地減輕重量。因為除非採用適合的措施， 增加的長度會增加重量，故風力渦輪葉片設計中的進步涉及減小用於製造葉片的複合材料的密度。然而，減輕的重量會帶來葉片的結構完整性方面的挑戰。在用於掃掠葉片設計(例如，圖3的葉片14)中的風力葉片翼梁緣條(例如，圖4的翼梁緣條觀和30)的情況下，在製造具有寬度大於厚度(例如比率為大約10比1)的長方形截面的長的梁(例如，大約三十米至大約九十米)並且在其中限定在由其寬度限定的翼梁平面中的曲率(恆定或可變的) 時遇到關於重量和成本的顯著挑戰。PMC材料是否適於給定應用取決於該應用的結構要求以及製造具有所需幾何形狀的PMC製品的可行性。製造PMC翼梁緣條的習慣做法為樹脂浸漬的玻璃纖維粗紗的溼法疊置或主要零度織造或針織的織物的樹脂灌注。當葉片長度變得更長時，碳纖維增強的複合材料由於其優異的機械特性而變為優於玻璃纖維增強的複合材料。然而，如果由傳統的玻璃纖維PMC工藝製造，則碳纖維PMC不產生最佳的組合特性。用於用碳纖維PMC材料製造風力渦輪機翼梁緣條的值得注意的替代工藝涉及使用多層「預浸漬體」，其典型地為在部分固化的聚合物基質材料(例如，熱固性樹脂，如環氧樹脂)中包括增強材料(例如，連續的纖維)的帶狀的預成形件。用於PMC結構的預浸漬體可通過以樹脂浸漬單獨的層的單向連續非捲曲碳纖維來形成，以便產生大體二維的複合疊層結構。在浸漬之後，各個複合層壓件典型地會經歷聚合物基質材料的壓緊、密化和局部固化(「B階處理」)，以提供穩定性和合乎需要的粘結水平。所產生的預浸漬體可臨時地儲存到需要為止，在那時，多片預浸漬體堆疊在模具中，且壓實以形成層壓預成形件，該工藝稱為「疊置」。在疊置之後，層壓預成形件在模具內經歷附加的壓緊、密化和最終固化，以便形成期望的PMC構件，使得模具確定構件的最終幾何形狀。單獨的層壓件和產生的PMC構件的適合厚度取決於產生的複合結構的特定應用。上述用於製造碳纖維PMC構件的預浸漬工藝典型地需要使用諸如自動帶疊置 (ATL)或自動纖維鋪放(AFP)方法的生產方法。然而，現有的自動疊置機器不適應具有風力渦輪葉片所需的長度的PMC構件，且這種設備的資金成本可為極高的。因此，更常使用人工疊置方法來產生風力葉片翼梁緣條。即便如此，在用包含連續的纖維複合物製造PMC 翼梁緣條和其它長的PMC梁時，由於預浸漬體對平面內彎曲的阻力的原因會遇到較大的困難。儘管由疊置工藝最初形成為具有平直構造的一些PMC梁可容易地通過傳統方法形成或成形為具有平面外彎曲(在垂直於梁寬度的平面內)，但硬的預浸漬體層壓件會阻止順應複合彎曲且具體而言順應平面內彎曲，結果，在嘗試製造具有如圖3中所表示的類型的掃掠構造的葉片翼梁緣條時，複合結構內的單獨的片往往會翹曲、起皺、彎折或以別的方式變得扭曲。因此，已經提出了各種解決方案來製造由PMC材料形成的掃掠式風力渦輪葉片， 通常意圖在於避免或至少最大限度地減小翹曲和扭曲，但通常結果並不足夠。

發明內容
本發明提供了複合構件，其可由多片預浸漬體製造成具有帶平面內彎曲且可選地帶平面外彎曲的形狀，複合構件的非限制性示例為用於具有掃掠構造的翼型件的翼梁緣
^^ ο根據本發明的第一方面，一種用於製造複合構件的工藝包括形成多個預浸漬體， 各個預浸漬體均具有在部分固化的聚合物材料的基質中包含纖維增強材料的疊層結構。該多個預浸漬體被堆疊且然後被壓緊來將該多個預浸漬體連結在一起來形成直的長形預成形件，該預成形件具有預成形件的縱向上的長度、預成形件的橫向上的寬度，以及垂直於縱向和橫向的方向上的厚度。長形形狀的長度大於其寬度，而其寬度大於其厚度。然後，在包含預成形件的縱向和橫向的平面內在預成形件中引起彎曲，以便產生掃掠構造。通過施加平行於預成形件的橫向的力同時使預成形件經受低於聚合物材料的融化溫度的溫度，以便導致聚合物材料以蠕變率速度發生冷流來引起該彎曲，而不導致預成形件和其中的多個預浸漬體的翹曲或扭曲。然後，使聚合物材料完全固化，以產生複合構件以及保持其掃掠構造。本發明的另一方面為由上述工藝產生的複合構件。作為特定的示例，這種構件具有長形形狀，該長形形狀具有在複合構件的縱向上的長度、在複合構件的橫向上的寬帶和在垂直於縱向和橫向的方向上的厚度。長形形狀的長度大於其寬度，而其寬度大於其厚度。 該構件還包括在完全固化的聚合物材料的基質中包括多層連續的纖維材料的疊層結構。連續的纖維材料包括平行於長形形狀的縱向定向的多條纖維。該構件的長形形狀具有在包含長形形狀的縱向和橫向的平面內限定於其中的彎曲，以便限定複合構件的掃掠構造。在預成型階段且因此在完全固化之前通過以蠕變率速度的冷流來引起該彎曲，而不導致長形形狀及其中的連續的纖維材料的翹曲或扭曲。本發明的顯著優點在於，能夠產生具有足夠的平面內彎曲且可選地還具有平面外彎曲的連續的纖維增強的複合構件，平面外彎曲通常將導致複合構件的翹曲和扭曲。根據本發明的優選的方面，該製造工藝利用通過疊置和壓緊成堆的纖維增強的預浸漬體片而形成的預成形件且更具體而言在預成形件內的經B階處理的(部分地固化的)熱固性樹脂的能力來以受控的方式以蠕變率速度冷流，以使得初始直的預成形件能夠被成形以獲得期望的平面內彎曲。根據以下詳細描述，將更好理解本發明的其它方面和優點。


圖1示意性地表示了根據現有技術且代表本發明的應用的風力渦輪機。圖2和圖3示意性地表示了具有如本領域中已知的類型的直的和掃掠的構造的風力渦輪葉片的平面圖。圖4示意性地表示了圖3的風力渦輪葉片的截面圖。圖5示意性地表示了根據本發明的實施例的被對準以堆疊來產生適於用於製造掃掠葉片的預成形件的多個預浸漬體。圖6示意性地表示了用圖5的預浸漬體產生的預成形件。圖7至圖9表示了在根據本發明的實施例的用於在圖6的預成形件內產生平面內彎曲的工藝中執行的步驟。圖10和圖11表示了根據本發明的附加實施例的用於在圖6的預成形件內產生平面內彎曲的替代工藝。圖12表示了根據本發明的實施例的用於在預成形件內產生平面內彎曲的又一替代工藝。
部件列表10渦輪12組件14葉片16輪轂18機艙20塔架22軸線24軸線26末梢28翼梁緣條30翼梁緣條32腹板34殼體36表皮38表皮40芯體50預浸漬體52預成形件54表面56表面58側部60側部62模型(i^rm)64模型66形狀68基部70衝頭72模型74模型76節段78預成形件80拼接部82邊緣84邊緣
具體實施例方式將參照圖1的風力渦輪機10且具體而言參照圖3和圖4中所表示的類型的風力渦輪葉片14來描述本發明。更具體而言，將參照用於產生風力渦輪葉片的翼梁緣條(如圖 4中所繪的翼梁緣條觀和30)的PMC工藝來描述本發明。然而，本發明還非常適於製造基本上任何PMC構件且具體而言適於製造由單向(或主要為單向的)複合預成形件製成且具有高縱橫比(長度遠大於其最大截面尺寸)的PMC構件。其它值得注意的示例包括在飛機翼和直升機轉子中發現的類型的任何工字梁的複合緣條，以及在範圍較廣的其它應用中使用的工字梁的複合緣條。參看圖1和圖3，可理解葉片14可具有高縱橫比。葉片14的特定但非限制性示例為具有大於30米(例如為大約30米至90米)的長度、大約20cm至大約160cm的寬度，以及大約Icm至大約IOcm的厚度。此外且如圖3的以上論述中所闡述，葉片14具有掃掠構造，從而導致葉片14的翼展方向的軸線22的至少一部分與葉片的變槳軸線M不重合。葉片14的掃掠被表示為包括在葉片14的中跨的附近的前掠和在其葉片末梢沈處的逐漸增大的後掠，但其它掃掠構造也處於本發明的範圍內，包括僅存在後掠或僅存在前掠。除對應於圖3中明顯的掃掠構造的平面內彎曲之外，葉片14還可具有平面外彎曲(垂直於圖3中可見的彎曲)。最後，葉片14可構造成類似於圖4中所示的葉片，且因此包括一對承載翼梁緣條28和30、在翼梁緣條28與30之間且連接翼梁緣條28和30的抗剪腹板32，以及限定葉片14的外部空氣動力翼型形狀的殼體34。葉片14的其它方面(包括其構造)、在風力渦輪機10中的安裝和渦輪10的運行參照圖1至圖4來進行了論述，或在本領域中是以別的方式已知的，且因此將不在這裡在任何細節方面進行論述。如前面參照圖4所述，翼梁緣條觀和30在葉片14的翼展方向的軸線22的附近、 沿著葉片14的翼展方向的軸線22或優選地與葉片14的翼展方向的軸線22重合地定位， 且大體沿著葉片14的幾乎整個縱向長度(翼展)從其根部延伸至其末梢沈。因此，各個翼梁緣條觀和30必須沿著其長度具有彎曲。此外，這種彎曲優選地對應於葉片14的彎曲， 這導致葉片14有期望的掃掠構造。因為翼梁緣條觀和30用作結構部件以提高葉片14的強度和剛度，同時最低程度地增加葉片14的重量，所以翼梁緣條觀和30優選由在聚合物基質材料內包括纖維增強材料的PMC材料製成。如本文所使用，術語「纖維」可為單獨的細絲或一束細絲(絲束)。纖維增強材料優選為連續的纖維，且至少一些(如果不是基本上所有)纖維優選地在各個翼梁緣條觀和30內定向成與緣條觀或30的縱向軸線平行，且因此也大致平行於葉片14的翼展方向的軸線22。包括設置成橫向於其它纖維的纖維的附加纖維可置於翼梁緣條觀和 30內的戰略性位置處以增強和/或穩定纖維構造並且/或者提高翼梁緣條觀和30的剛度。在所有情況中，可在翼梁緣條觀和30內的選定位置處提供附加的纖維，以便總體上滿足緣條觀和30以及葉片14的厚度、剛度和強度要求。用作翼梁緣條觀和30的增強材料的優選的連續的纖維包括碳(例如，石墨)纖維。然而，使用其它或附加的纖維材料也處於本發明的範圍內，例如，玻璃(例如，玻璃絲)和芳族聚醯胺(例如，Kevlar )纖維。鑑於纖維增強材料用作PMC材料和由PMC材料形成的翼梁緣條28和30的承載組分，故聚合物基質材料保護增強材料、保持其纖維的定向且用於使載荷消散至增強材料上。 基質材料還會增加翼梁緣條觀和30的結構強度和其它物理特性，且因此用於形成基質的樹脂將具有適於所意圖的應用的機械特性和物理特性。此外，樹脂應當在組成方面與纖維增強材料一致且能夠在將不使纖維增強材料熱退化或以另外的方式不利於纖維增強材料的溫度條件下固化。在此基礎上，熱固性樹脂(最值得注意地環氧樹脂)是特別適於用作翼梁緣條觀和30的基質材料的樹脂材料。然而，使用其它聚合物材料也處於本發明的範圍內，例如，聚酯和乙烯基酯熱固性樹脂以及許多熱塑性樹脂，包括尼龍、聚乙烯、聚丙烯等。如圖5和圖6中所繪，用於製造翼梁緣條觀和30的優選實施例涉及使用多個預浸漬體50，其各自以包括增強材料和處於部分固化狀態的聚合物基質材料的類似板、片或帶的預成形件的形式。預浸漬體50可通過用樹脂浸漬單獨的纖維(如單向連續非捲曲纖維)層來形成，以產生大體二維的複合疊層結構。在浸漬之後，各個複合層壓件典型地經歷聚合物基質材料的壓緊、密化和局部固化(「B階處理」)來為預浸漬體50提供穩定性和合乎需要的粘結水平。獲得翼梁緣條觀或30 (或其它複合構件)的期望厚度所需的單獨的預浸漬體50的適合厚度和預浸漬體50的數目將取決於將產生的複合構件的具體應用。然後，通過在模具(未示出)中疊置和壓實多片或多層預浸漬體50來形成層壓預成形件52 (圖6)。包括人工疊置、自動帶疊置(ATL)和自動纖維鋪放(AFP)方法的典型疊置工藝、包括真空裝袋的典型壓緊和密化工藝，以及使樹脂部分地固化的典型B階處理工藝都是本領域中公知的，且因此將不在這裡在任何細節方面進行論述。在疊置和壓實工藝完成時，預成形件52內的且纖維嵌入於其中的聚合物基質材料並未完全固化，而替代地僅部分地固化。這時，預成形件52可具有平直的長形形狀，如圖6中大體表示的那樣。在本發明的優選實施例中，預成形件52具有類似於圖6中所表示的形狀的平直的長形形狀。預成形件52具有大致等於或大於翼梁觀或30的期望長度的長度(L)，以及大致等於翼梁觀或30的期望的寬度和厚度的寬度(W)和厚度(t)。如前文所提到，在疊置工藝之後，預成形件52的聚合物基質材料並未完全固化，而替代地僅部分地固化。在疊置之後，層壓預成形件52可經歷附加的壓緊和/或密化，如通過真空裝袋，但是與現有技術的工藝相反，並未經歷最終固化。替代地，預成形件52被傳遞至適於在預成形件52中引起平面內彎曲的設備中，以便大致獲得翼梁緣條觀或30的期望的最終形狀。圖7至圖9中將一個這種方法表示為使用成對的剛性模型62和64，對預成形件52的任一縱向側部58和60 使用一個。剛性模型62和64中的每個均具有與預成形件52的對應的側部58或60所期望的彎曲重合的縱向形狀，使得模型62和64協作以確定緣條觀和30的最終幾何形狀。如從圖7至圖9中明顯的那樣，模型62和64定位成施加對於預成形件52為平面內的力，換言之，平行於預成形件52的相對的縱向側部58和60之間的預成形件52的寬度方向的平面內的表面討和56，且因此橫向於預成形件52的縱長方向。儘管原來結合到預浸漬體50中且隨後平行於預成形件52的縱長方向定向的連續的纖維增強材料對於使預成形件52形成或成形為具有平面外彎曲(在垂直於預成形件52的平面內表面M和56的平面內)造成相對較小的阻力，但由於其對平面內變形的阻力的原因，在試圖在長的預成形件52中引起平面內彎曲時硬的預浸漬體50及其增強材料會產生困難，在試圖製造用於中所表示的類型的掃掠葉片14的翼梁緣條觀和30時有可能發生翹曲、起皺、彎折和其它形式的扭曲。然而，針對本發明的研究已經確定，如果在預成形件52仍處於部分固化狀態時施加平面內變形力，以及如果以蠕變率速度施加變形力使得部分固化的聚合物基質材料在預成形件52內冷流，則可克服對平面內變形的這種阻力。在此方面，預成形件52優選地未加熱至聚合物基質材料熔化且變為液體的程度，因為這樣做將導致片(預浸漬體)水平處和整個預成形件52的纖維組織、直度和圓柱度的嚴重扭曲和失控。替代地，本發明依靠由部分固化的(經B階處理的)聚合物基質材料提供的穩定性以在預成形件52中在引起彎曲期間維持次序。因此，優選地執行預成形件52的任何加熱以在預成形件52內維持足夠低於聚合物基質材料的熔點的溫度，以避免聚合物基質液化。鑑於上文，預成形件52優選地利用模型62和64以適當水平的熱和真空(如果需要或期望的話)來壓緊，且由模型62和64施加變形力來非常緩慢地改變預成形件52的形狀，從而產生圖9中所示的長形形狀66。該工藝優選地為足夠緩慢的，以便允許成形的應力通過部分固化的聚合物基質材料的冷流而減輕為永久性的但無害的剪切應變。剪切應力保持低於這樣的閾值在該閾值處將會發生翹曲或彎折或任何平面外扭曲。可被調節以在預成形件52內維持可接受的應力水平的適合的蠕變率速度可根據經驗來確定或通過來自預成形件52上或預成形件52中的傳感器(未示出)的反饋來控制。取決於預成形件52的材料和構造，各種各樣的蠕變率速度被認為是可行和有效的。用於將變形力經由模型62和 64施加到預成形件52上的機構可為氣壓操作的、液壓操作的、彈簧操作的和/或氣囊操作的，以及採用能夠以適合的速率、在適合的溫度下和以適合的順序施加適合的力的任何其它促動器來引起期望的平面內彎曲而不在預成形件52中造成任何不合需要的扭曲。然後， 產生的長形形狀66(圖9)可經歷完成所意圖的翼梁緣條觀或30 (或任何其它期望的PMC 構件)的製造可能需要或期望的任何進一步處理。預成形件52在不翹曲的情況下對應力的容忍可通過增大預成形件的厚度(t)來顯著地增大。因此，圖7至圖9中所繪的變形工藝優選地在其厚度大致為翼梁緣條觀或30 的期望厚度的預成形件52上執行，這與在單個預浸漬體50上執行是相對的。儘管該工藝優選地在處於完整厚度(t)的預成形件52上執行，但可預見的是，該工藝可在由其組合厚度小於翼梁緣條28或30的期望厚度的成堆的預浸漬體50 (模塊)形成的部分預成形件上執行。然後，所產生的部分預成形件可與由相同方式產生的其它部分預成形件組裝在一起以及連結或以別的方式附連到其它部分預成形件上來形成最終形狀66，且最後形成所意圖的翼梁緣條28或30或任何其它期望的PMC構件。圖10為圖7至圖9的預成形件52以及模型62和64的截面圖，其示出了這樣的附加構件可採用這些附加構件來促進力的分布，以及最大限度地減小預成形件52經受局部變平、變窄、擠壓和/或其它形式的扭曲的趨勢。在圖10中，預成形件52抵靠在柔性的基部68上，且可選地經受由衝頭70施加的相反壓力。在一些實施例中，衝頭70可定形並且施加力以在最終形狀66中產生平面外彎曲，且因此在所意圖的翼梁緣條觀或30或任何其它所期望的PMC構件中產生平面外彎曲。圖11中所表示的替代方法使用一對非剛性柔性模型72和74，對預成形件52的任一縱向側部58和60使用一個。各個柔性模型72和74足夠柔韌，以便使其面對預成形件 52的內緣能夠獲得與預成形件52的對應的側部58或60所期望的彎曲重合的縱向形狀，使得模型72和74協作以確定長形形狀66的最終幾何形狀。柔性模型72和74的益處在於， 能夠擴散使預成形件52變形所需的力，同時還允許產生具有不同曲率的最終預成形件66。 可通過促動機構(未示出)來使柔性模型72和74彈性地變形，例如，一系列模板、凸輪或計算機控制的裝置，以便獲得所期望的縱向形狀。正如圖7至圖10的前述實施例，在預成形件52的聚合物基質材料仍處於部分固化狀態時執行圖11中所表示的變形工藝，且以蠕變率速度施加變形力，使得部分固化的聚合物基質材料在預成形件52內冷流。在上文參照圖5至圖11所論述的實施例中，預成形件52已經被描述為以其整體來限定翼梁緣條觀或30，使得預成形件52中引起的平面內彎曲以其整體來限定長形形狀 66的平面內彎曲。圖12表示了替代實施例，其中產生了多個平直預成形件節段76，並且它們被用以產生翼梁緣條觀或30或另一個期望的PMC構件。節段76端對端地布置，且利用對接接頭拼接部80彼此固定以形成分段式預成形件78，分段式預成形件78的縱向邊緣82 和84接近於PMC構件所期望的平面內彎曲。因此，分段式預成形件76以其整體來限定PMC 構件，同時多個預成形件節段76以其整體來限定構件的掃掠構造。可預見的是，分段式預成形件76可經歷進一步成形，以便限定根據圖7至圖11中所示的任一實施例的更均勻的平面內彎曲。在上述實施例中的每個中，可希望預成形件52被疊置以包含一些預浸漬體50，這些預浸漬體50的增強材料相對於用於形成預成形件52的其它預浸漬體50的增強材料是偏離軸線的(高達90度)。替代地，具有偏離軸線的增強材料的幹織物或帶可結合到預成形件52中。在任一情況下，可採用偏離軸線的增強材料來促進預成形件52的橫向剛度，以及防止預成形件52在變形工藝期間變窄。這些附加的層或片的增強材料可為類似於針對預浸漬體50所描述的連續纖維的連續纖維，或可為任意的墊子或織造或針織織物中的斬斷的或連續的纖維，這些織物設計成在提高橫向剛度的同時不顯著地提高預成形件52的平面內抗剪剛度，以免阻止在預成形件52中引起彎曲。儘管已經在特定的實施例方面描述了本發明，但顯而易見的是，本領域的技術人員可採用其它形式。因此，本發明的範圍僅由所附權利要求限制。
權利要求
1.一種製造複合構件08，30)以具有掃掠構造的工藝，所述工藝包括形成多個預浸漬體(50)，每個預浸漬體(50)均具有在部分固化的聚合物材料的基質中包含纖維增強材料的疊層結構；堆疊所述多個預浸漬體(50)；壓緊所述多個預浸漬體(50)以將所述多個預浸漬體(50)連結在一起以形成直的長形預成形件(52)，所述預成形件(5 具有在所述預成形件(5 的縱向上的長度、在所述預成形件(5 的橫向上的寬度和在垂直於所述縱向和所述橫向的方向上的厚度，其中，所述長度大於所述寬度，而所述寬度大於所述厚度；在包含所述預成形件(5 的縱向和橫向的平面內在所述預成形件(5 中引起平面內彎曲，以便形成掃掠構造，所述引起步驟包括施加平行於所述預成形件(5 的橫向的力同時使所述預成形件(5 經受低於所述聚合物材料的熔化溫度的溫度，以便促使所述聚合物材料以蠕變率速度冷流，而不促使所述預成形件(5 和其中的所述多個預浸漬體 (50)翹曲或扭曲；並且然後使所述聚合物材料完全固化，以產生所述複合構件( ，30)並且保持其掃掠構造。
2.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於，在所述引起步驟期間施加的所述力由第一和第二剛性模型(62，64)施加，所述第一和第二剛性模型(62，64)具有與在所述預成形件(5 中引起的所述平面內彎曲相重合的剛性輪廓並且被帶到與所述預成形件(5 的相對的縱向邊緣(58，60)相接觸。
3.根據權利要求2所述的工藝，其特徵在於，所述工藝還包括至少用第一柔性模型 (68)來接觸和約束設置在所述預成形件(5 的所述相對的縱向邊緣(58，60)之間的所述預成形件(5 的至少一個表面(54，56)，以便在所述引起步驟期間抑制所述預成形件(52) 中的平面外扭曲。
4.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於，在所述引起步驟期間施加的所述力由第一和第二柔性軌道(72，74)施加，所述第一和第二柔性軌道(72，74)被帶到與所述預成形件(5 的縱向邊緣(58，60)相接觸並且然後在所述橫向上被彈性地扭曲以在所述預成形件(52)中引起所述平面內彎曲。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的工藝，其特徵在於，所述預成形件(5 以其整體來限定所述複合構件08，30)，而在所述預成形件(5 中引起的所述平面內彎曲以其整體來限定所述掃掠構造。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的工藝，其特徵在於，所述複合構件( ，30)為翼型件(14)的翼梁緣條(28,30).
7.根據權利要求6所述的工藝，其特徵在於，所述工藝還包括將所述翼梁緣條( ，30) 和第二翼梁緣條( ，30)連結到抗剪腹板(32)以形成工字梁結構，和然後將所述工字梁結構安裝在所述翼型件(14)中。
8.根據權利要求7所述的工藝，其特徵在於，所述翼型件(14)為風力渦輪葉片(14)， 所述複合構件08，30)的長度為其寬度的至少十倍，而所述複合構件08，30)的寬度為其厚度的至少十倍。
9.一種由根據權利要求1至8中的任一項所述的工藝製造的複合構件( ，30)。
10.一種具有掃掠構造的複合構件08，30)，所述複合構件( ，30)包括長形形狀(66)，其具有在所述複合構件( ，30)的縱向上的長度、在所述複合構件( ，30)的橫向上的寬度和在垂直於所述縱向和所述橫向的方向上的厚度，其中，所述長度大於所述寬度，而所述寬度大於所述厚度；和在完全固化的聚合物材料的基質中包括多層連續的纖維材料的疊層結構，其中，所述連續的纖維材料包括平行於所述長形形狀(66)的縱向定向的多條纖維，其特徵在於平面內彎曲在包含所述長形形狀(66)的縱向和橫向的平面內限定在所述長形形狀 (66)中，以便限定所述複合構件O8，30)的掃掠構造，所述平面內彎曲由以蠕變率速度的冷流引起，而不導致所述長形形狀(66)的和其中的所述連續的纖維材料的翹曲或扭曲。
全文摘要
本發明涉及複合構件和為此的工藝。複合構件製造成具有帶平面內彎曲的形狀，例如，用於具有掃掠構造的翼型件的翼梁緣條。用於製造該構件的工藝包括形成預浸漬體以具有在部分固化的聚合物材料的基質中包含纖維增強材料的疊層結構。預浸漬體被堆疊和連結在一起以形成直的長形預成形件。然後，在包含預成形件的縱向和橫向的平面內在預成形件中引起平面內彎曲，以便形成掃掠構造。通過在預成形件處於低於聚合物材料的熔化溫度的溫度時施加平行於預成形件的橫向的力使得聚合物材料冷流來引起平面內彎曲。然後，聚合物材料完全固化以產生複合構件。
文檔編號B29C70/54GK102442002SQ20111032107
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月12日 優先權日2010年10月12日
發明者H·D·德裡弗, J·T·利文斯頓 申請人:通用電氣公司