专利名称：加强复合面板的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及由复合材料制成的结构件。更具体而言，本发明涉及用加强复合 材料制成的刚性面板，以及相似类型结构。本发明尤其但不专用于对高速交通工具(例如 飞机)的外表面结构适用的一体式加强复合材料。
背景技术：
复合材料为由两种或两种以上的不同材料构成的结构材料。例如，金属陶瓷为结 合有金属的陶瓷制品制成的复合材料。另一种广泛使用的复合材料由用环氧树脂得以加强 的碳纤维制成。最后一种复合材料(即碳纤维/环氧树脂)则是本发明所涉及的。碳纤维复合材料在被用作结构材料时在很多方面都是独特的。例如，与许多其他 类型的结构材料不同，可将碳纤维复合材料精确地预成型为复杂形状。另外，在对其进行固 化之后，其表现出很好的拉力和压力强度。但是，通常将碳纤维复合材料制成为较薄层，且 它们因此而有些松软。这在诸多应用中是不理想的。对此类应用的解决方案是稍后以使得 材料变硬的方式对复合材料层进行加强以使其坚硬而用作支承结构。通过结构分析，表明只要将力偶施加给结构件，就会产生弯曲力矩。但在结构件的 部分相互间隔开并位于相同的弯曲平面上时，可利用弯曲的同一中心抵消此弯曲力矩。实 际上，各个部分的材料越多，这些部分之间的距离越大，则结构件抑制弯曲的能力就越强。 众所周知的I型桁樑就是此类结构件很好的例子。就所涉及的复合材料而言，且如上所述，虽然这些复合材料被形成为薄层，但它们 却因此而容易松软，从而通常具有优良的拉力和压力强度特性。此外，举例来说，I型桁樑 需要这些强度特性。目前，在需要坚硬的刚性结构件，且理想的是用复合材料以用于其构造 时，通常使用两个不同的复合材料层。然后使得复合材料层相互间隔开，并通过另一结构件 (例如蜂窝状结构件)互相连接。令人遗憾的是，即便复合材料和蜂窝结构件相对其它结构 材料都较轻，但它们还是增加了重量。在上述双层示例中，附加的复合材料层和蜂窝结构件 可能会增加相当大的重量。对于某些应用(例如飞机的制造)来说，重量限制是至关重要 的。据此，本发明的目的是提供一种由复合材料制成的加强面板，该加强面板足够坚 硬以抑制操作弯曲力。本发明的另一目的是提供一种由复合材料制成且重量非常轻的加强 面板。本发明的又一目的是提供一种适用于高性能飞机外表面的加强面板。本发明的另一 目的是提供一种制造相对简单、使用很简便且性价比较高的加强面板。
发明内容
根据本发明，加强面板包括复合材料的单一基层，该复合材料的单一基层具有从 基层的表面延伸的延续部分。就是这些延续部分为面板提供加强结构。详细地讲，设计用 于本发明的延续部分被形成为从层表面突出预定距离的突棱。此外，还有多个第一相互平 行的突棱。而且还有穿过多个第一突棱的多个相互平行的第二突棱。可将这些多个突棱一
4同布置为垂直网格或者等距网格。延续部分(突棱)在结构上各自形成有大致U形的横截面。如此形成的延续部分 具有基部以及大致平行并相对的一对支腿，该对支腿从该基部延伸至相应边缘。利用此结 构，本发明的加强面板有三个有效实施例。这些实施例主要在突棱的边缘附接至复合材料 基层的方式彼此不同。另外，在一个实施例中，添加单向层片以提供用来反作用于突棱基部 承受的作用力的附加结构。在本发明的优选实施例中，突棱的支腿为表面的延续部分，且因此而直接附接至 基层的表面。对于此实施例，所添加的单向层片跨过各个突棱的相对支腿间的距离，并因此 而提供用以反作用于突棱(延续部分)的横截面承受的作用力的附加结构。在另一实施例 中，每个突棱的边缘被形成为支脚，且面板包括交叠层，这些交叠层覆盖每个支脚并从支脚 延伸而接触基层的表面和支腿。然后将交叠层结合至基层和支腿，以将突棱附接至基层。在 第三实施例中，基层形成有多个翼片。具体而言，每个翼片从突棱的边缘延伸并延伸到突棱 的支腿之间形成的通道。然后将翼片结合至通道内部的支腿。对于使用交叠层的实施例而 言，翼片结合至与交叠层相对的支腿的侧面。在所有实施例中，突棱一体地结合至基层的表 面而成为基层的延续部分。此外，这些突棱布置在如上所述的网格中，从而形成加强面板。本发明的重要方面在于突棱为基层的延续部分，以及突棱的一部分与基层表面间 隔预定距离“h”。此外，从上述内容可看出，本发明的重要方面在于面板预形成有所有部件， 这些部件被固化在一起之前相互一体地联接。
通过附图结合以下描述能最清楚地理解此发明的新颖特征、发明本身及其结构和 操作，其中，类似的附图标记表示类似部件，附图中图1是根据本发明的加强面板的透视图；图2是与本发明一同使用的加劲构件(突棱)的优选实施例沿图1的线2-2的剖 面图；图3是用于本发明优选实施例的单向层片的透视图，出于清晰目的，剥离部分层 片；图4是与本发明一同使用的加劲构件(突棱)的可替代实施例沿图1的线2-2可 见的剖面图；图5是与本发明一同使用的加劲构件(突棱)的改型可替代实施例沿图1的线 2-2可见的剖面图；以及图6是与本发明一同使用的加劲构件(突棱)的另一优选实施例沿图1的线2-2 可见的剖面图。
具体实施例方式首先参照图1，示出了根据本发明的加强面板，其大致以10标示。如图所示，面板 10包括多个相互平行的突棱12以及多个相互平行的突棱14。此外，突棱14横切突棱12， 并以角度“ a，，与其相交。图1还示出了突棱12和14安装在公共基层18的表面16上。出于公开目的，所示出的突棱12a和12b只是此类附加突棱12的示例。同样，突棱14a和14b也只是示例性的。此外，虽然本文的术语“突棱”常用于描述所示出的结构件 并由附图标记“12”或“14”标示，但应理解的是，突棱12/14在功能上为用于面板10的“加 劲构件”并在结构上为基层18的“延续部分”。从而，此处可交换使用术语“突棱”、“加劲构 件”以及“延续部分”。另外，技术人员应了解，当“ a ”为直角时，突棱12/14将形成垂直网 格。在其它方面，突棱12/14将形成等距网格。现在返回到图2，详细示出了突棱12/14的优选实施例的结构构造。从图2可看 到突棱12具有大致U形的横截面构造(图2以反向示出)。此构造包括基部20。另外，支 腿22a和22b从基部20大致平行延伸并与基部20共同限定通道24。如图所示，支腿22a 和22b相互间隔距离“w”，且基部20与基层18间隔距离“h”。对本发明而言，可根据特定 应用的需要改变各个距离“《”和“h”。仍然参照图2，本发明的优选实施例包括在基层18的平面内延伸并使得支腿22b 与支腿22a互连的单向层片26。更具体而言，每个支腿22a和22b终止于相应边缘28a和 28b，且就是这些边缘28a和28b与单向层片26接合。转向图3，可见单向层片26的特征在 于具有在层片26的制造过程中大致相互平行对齐的多根丝束(tow)30。从而，单向层片26 能抵御的最大拉力将是在对齐的丝束30方向上施加的作用力。由此，在突棱12(如图1的 突棱12a)的构造过程中，将单向层片26定位为与突棱12的基部20相隔距离“h”(参见图 2)，而层片26的丝束30大致平行于通道24的轴线32而对齐。在如图4所示的本发明的面板10的可替代实施例中，突棱12包括支腿22a和22b， 支腿22a和22b各自在其相应边缘28a和28b处形成有支脚34a和34b。此外，交叠层36a 定位在支脚34a上方，并固定至支腿22a和基层18。类似地，交叠层36b定位在支脚34b上 方，并固定至支腿22b和基层18。在图5所示的本发明的面板10的另一可替代实施例中， 通过沿着通道24的中间切割基层18而对图4所示的实施例进行改型。这样形成了一对相 对的翼片38a和38b。然后将翼片38a和38b折叠到通道24中并使得这些翼片与相应支腿 22a和22b的侧面接触。对于本发明的又一优选实施例，参见图6。可见第二单向层片26'被增添到加劲 构件(突棱)12的基部20上。具体地，如图6所示，此附加层片26'附接至基部20并大致 被定位为与基层18上的单向层片26间隔距离“h”。因此，层片26和层片26'将交替抵抗 面板10弯曲期间施加的拉力。除附加单向层片26'以外，图6所示的突棱12在所有其它 重要方面均与图2所示的突棱12相似。虽然以上公开内容主要针对单个突棱12，但应理解的是，此公开同样适用于加强 面板10的所有突棱12/14。此外，对于本发明的所有实施例(即图2、图4、图5和图6所示 的突棱12)，用于底板18和突棱12/14的结构材料为复合材料。此复合材料优选为碳纤维 和环氧树脂的组合。另外，对于本发明的所有实施例，在如上公开地组装好复合材料部件之 后，将整个组合体固化在一起。这样做的结果是形成基本上为整体单一结构件的加强面板 10，其中，基部20和基层18 (与优选实施例中的层片26和26’ 一起的(参见图2和图6)) 相互作用阻力为面板10提供硬度和刚度。尽管此处详细展示和公开的特定加强复合面板完全能实现上述目的并提供此前 所述的优点，但应理解的是，本发明的这些优选实施例仅仅是示例性的，且除所附权利要求 所述以外，不限于本文所展示的构造或设计细节。
权利要求
一种加强面板，包括由复合材料制成的基层，所述基层具有表面；第一细长加劲构件，所述第一细长加劲构件具有大致U形横截面，并具有基部和一对大致平行且相对的支腿，所述支腿从所述基部延伸至相应边缘以限定所述支腿之间的通道，其中所述加劲构件的每个边缘一体地附接至所述基层的所述表面，从而将所述第一加劲构件的所述基部定位为与所述基层相距距离“h”；和第二细长加劲构件，所述第二细长加劲构件具有大致U形横截面，并具有基部和一对大致平行且相对的支腿，所述支腿从所述基部延伸至相应边缘以限定所述支腿之间的通道，其中所述加劲构件的每个边缘一体地附接至所述基层的所述表面，从而将所述第二加劲构件的所述基部定位为与所述基层相距距离“h”，并且其中所述第二加劲构件被定向为横切所述第一加劲构件，从而与所述第一加劲构件一同加强所述基层并形成所述面板。
2.根据权利要求1所述的面板，还包括具有多根丝束的单向层片，其中所述层片被嵌 入所述基层，所述丝束分别沿着所述第一加劲构件和所述第二加劲构件的通道对齐，且所 述距离“h”为所述层片与所述相应加劲构件的基部之间的垂直距离。
3.根据权利要求2所述的面板，还包括具有多根丝束的第二单向层片，其中所述第二 层片附接至所述第一加劲构件和所述第二加劲构件的相应基部。
4.根据权利要求1所述的面板，其中，每个边缘形成为用于相应支腿的支脚，且所述面 板还包括交叠层，所述交叠层覆盖所述支脚并从所述支脚延伸以便与所述基层的所述表面 和与所述加劲构件的所述支腿相接触，从而与所述基层的所述表面和与所述加劲构件的所 述支腿结合，并将所述加劲构件固定至所述基层。
5.根据权利要求4所述的面板，其中所述基层形成有多个翼片，其中，每个翼片从相应 加劲构件的边缘延伸并延伸到所述相应加劲构件的通道中，并且其中所述翼片结合至所述 加劲构件的与所述交叠层相对的支腿。
6.根据权利要求1所述的面板，其中所述第一加劲构件和所述第二加劲构件由复合材 料制成并与所述基层共同固化。
7.根据权利要求1所述的面板，其中所述第一构件的支腿和所述第二构件的支腿分别 彼此相对，并且彼此间隔开距离 ”。
8.根据权利要求1所述的面板，还包括多个第一加劲构件以及多个第二加劲构件，其 中所述第一加劲构件基本相互平行，所述第二加劲构件基本相互平行，并且其中所述第一 加劲构件被定向为与所述第二加劲构件成角度“ α ”。
9.一种加强面板，包括由复合材料制成的基层，所述基层具有表面；多个第一细长突棱，其中所述多个第一突棱中的每个突棱基本上平行于所述多个第一 突棱中的所有其他突棱；以及多个第二细长突棱，其中所述多个第二突棱中的每个突棱基本上平行于所述多个第二 突棱中的所有其他突棱并横切所述多个第一突棱，并且其中所述多个第一突棱和多个第二 突棱中的每个突棱形成为所述基层的延续部分，以将其一部分定位为与所述基层的所述表 面相距距离“h”。
10.根据权利要求9所述的面板，其中所述多个第一突棱和多个第二突棱中的每个突棱具有大致U形的横截面，并具有基部和一对大致平行且相对的支腿，所述支腿从所述基 部延伸至相应的边缘，其中所述突棱的每个边缘都一体地附接至所述基层的所述表面以限 定所述支腿之间的通道。
11.根据权利要求10所述的面板，还包括具有多根大致平行的丝束的第一单向层片，其中所述层片被嵌入所述基层，所述丝束 沿着所述通道对齐，且所述距离“h”为所述层片与所述基层之间的垂直距离；以及具有多根丝束的第二单向层片，其中所述第二层片附接至所述多个第一突棱和所述多 个第二突棱的相应基部。
12.根据权利要求10所述的面板，其中，每个边缘形成为用于相应支腿的支脚，且所述 面板还包括交叠层，所述交叠层覆盖所述支脚并从所述支脚延伸，以便与所述基层的表面 和与所述突棱的支腿相接触，从而与所述基层的表面和与所述突棱的支腿结合，并将所述 突棱固定至所述基层。
13.根据权利要求12所述的面板，其中所述基层形成有多个翼片，其中，每个翼片从相 应突棱的边缘延伸并延伸到其通道中，并且其中所述翼片结合至所述突棱的与所述交叠层 相对的支腿。
14.根据权利要求13所述的面板，其中所述多个第一突棱和所述多个第二突棱由复合 材料制成并与所述基层共同固化。
15.一种加强面板，所述加强面板形成为具有大致平坦表面的复合材料的层，其中所述 层形成有相互平行的多个第一突棱，所述第一突棱作为所述层的延续部分，经过从所述表 面开始的距离“h”而延伸；以及相互平行的多个第二突棱，所述第二突棱作为所述层的延 续部分，经过从所述表面开始的相同的距离“h”而延伸，其中所述多个第一突棱横切所述多 个第二突棱。
16.根据权利要求15所述的面板，其中所述多个第一突棱和所述多个第二突棱中的每 个突棱具有大致U形的横截面，并具有基部和一对基本平行且相对的支腿，所述支腿从所 述基部延伸至相应边缘以限定所述支腿之间的通道，其中所述突棱的每个边缘都一体地附 接至所述基层的所述表面。
17.根据权利要求16所述的面板，还包括具有多根大致平行丝束的第一单向层片，其中所述层片被嵌入所述基层，所述丝束沿 着所述通道对齐，且所述距离“h”为所述层片与所述基层之间的垂直距离；以及具有多根丝束的第二单向层片，其中所述第二层片附接至所述多个第一突棱和所述多 个第二突棱的相应基部。
18.根据权利要求16所述的面板，其中，每个边缘均形成为用于相应支腿的支脚，且所 述面板还包括交叠层，所述交叠层覆盖所述支脚并从所述支脚延伸以便与所述基层的所述 表面和与所述突棱的所述支腿相接触，从而与所述基层的表面和与所述突棱的支腿结合， 并将所述突棱固定至所述基层。
19.根据权利要求18所述的面板，其中所述基层形成有多个翼片，其中，每个翼片从相 应突棱的边缘延伸并延伸到其通道中，并且其中所述翼片结合至所述突棱的与所述交叠层 相对的支腿。
20.根据权利要求16所述的面板，其中所述突棱形成等距网格。
全文摘要
一种由复合材料制成的加强面板，包括单一基层。多个相互平行的第一突棱附接至所述基层的表面。多个相互平行的第二突棱也附接至所述基层的表面，但被定向为横切所述多个第一突棱。所述突棱和所述基层在结构上被固化在一起以形成为所述面板提供硬度和刚度的整体连续结构。
文档编号E04C2/34GK101842539SQ200880113456
公开日2010年9月22日 申请日期2008年9月12日 优先权日2007年9月14日
发明者克雷格·B·辛普森, 拉里·J·阿什顿, 本科·S·塔阿拉, 特洛伊·L·怀特, 迈克尔·G·阿尔曼 申请人:频谱航空有限责任公司