专利名称：孔增强结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种孔增强结构，具体而言，本发明公开的主题涉及用于增强材料中的孔(或孔洞)的结构，以及形成所述增强结构的相关方法。
背景技术：
诸如具有孔洞的平板或壳的结构可能会应力过度，如果在所述结构的孔洞与接合栓或螺栓之间的负载转移超过了所述结构的材料的剪切强度。例如，在孔洞位置处的剪切撕裂可能在整体结构(例如板)中以及在由复合材料制成的结构中发生。由复合材料组成的板或更复杂的结构可具有正交各向异性性质，其中在平行于复合材料的纤维的方向上的这种复合材料的强度和刚度大于在横切纤维的方向上的这种复合材料的强度和刚度。施加到接近这种正交各向异性材料中的孔洞的应力可超过在平行方向、横向方向，和/或平行和横向之间的方向上的所述结构的材料特性的剪切强度或拉伸强度。
发明内容
本发明的多个方面提供一种孔增强结构。在一个实施例中，公开了一种复合层压材料，其包括在其中具有第一孔的第一片状材料；在其中具有与所述第一孔对应的第二孔的第二片状材料；以及增强结构，所述增强结构具有粘附至第一片状材料或第二片状材料中的至少一个上的包含多个卷绕的连续纤维，所述多个卷绕围绕所述第一孔或第二孔中的至少一个；和将所述多个卷绕彼此结合的树脂。本发明的第一方面包括一种复合层压材料，其具有在其中具有第一孔的第一片状材料；在其中具有与所述第一孔对应的第二孔的第二片状材料；以及增强结构，所述增强结构具有粘附至第一片状材料或第二片状材料中的至少一个上的包含多个卷绕的连续纤维，所述多个卷绕围绕所述第一孔或第二孔中的至少一个；和将所述多个卷绕彼此结合的树脂。所述纤维具有大于40度短麻屑弯曲角的刚度。所述树脂具有在所述多个卷绕之间大约0. 018至0. 024厘米的厚度。所述增强结构具有大约等于所述连续纤维的宽度的厚度。所述第一片状材料或所述第二片状材料中的至少一个为正交各向异性的。所述第一孔和所述第二孔为基本上圆形的。所述多个卷绕基本上同心地围绕所述第一孔或所述第二孔中的至少一个。本发明的第二方面包括一种复合层压材料，其具有多个堆积的片状材料，每个片状材料在其中包含基本上圆形的孔，所述基本上圆形的孔的每一个基本上被对齐；以及散布在所述多个堆积的片状材料之间的多个增强结构，所述多个增强结构的每一个具有粘附至所述多个堆积的片状材料的至少一个上的包含多个卷绕的连续纤维，所述多个卷绕围绕所述基本上圆形的孔；和将所述多个卷绕彼此结合的树脂。所述纤维具有大于40度短麻屑弯曲角的刚度。所述树脂具有在所述多个卷绕之间大约0.018至0. OM厘米的厚度。所述多个卷绕基本上同心地围绕所述基本上圆形的孔。 所述增强结构中的每一个具有大约等于所述连续纤维的宽度的厚度。所述第一片状材料或所述第二片状材料中的至少一个为正交各向异性的。本发明的第三方面包括一种增强的整体材料，其包括在其中具有基本上圆形的孔的单个片状材料；以及粘附至所述单个片状材料的增强结构，所述增强结构包括粘附至所述单个片状材料的具有多个卷绕的连续纤维，所述多个卷绕围绕所述基本上圆形的孔；和将所述多个卷绕彼此结合的树脂。所述纤维具有大于40度短麻屑弯曲角的刚度。所述树脂具有在所述多个卷绕之间大约0. 018至0. 024厘米的厚度。所述增强结构具有大约等于所述连续纤维的宽度的厚度。所述单个片状材料为正交各向异性的。所述孔为基本上圆形的。所述多个卷绕基本上同心地围绕所述基本上圆形的孔。
通过本发明的各个方面的如下详细说明结合描述本发明的多个实施例的附图，本发明的这些和其他特征将更易于理解，在附图中
图1-3显示了传统材料增强系统的剖开俯视图。 图4显示了根据本发明的实施例的增强结构的孤立俯视图。 图5显示了用于产生根据本发明的实施例的增强结构的系统的三维透视图。 图6显示了用于产生根据本发明的实施例的增强结构的系统的部分剖开侧视图。 图7显示了包括根据本发明的实施例的增强结构的复合层压材料的剖开俯视图。 应注意本发明的附图不是按比例绘制的。附图仅旨在描述本发明的典型方面，因此不应被认为是限制本发明的范围。在附图中，同样的数字在附图之间表示同样的元件。附图标记列表
10增强系统
12材料
14孔
16交叉帘布层增强结构
18交叉帘布层增强结构
20边缘裂化
22基于剪切的破坏裂化
40增强结构
42连续纤维
44卷绕
46材料
48孔
50树脂
60系统
62心轴
64引导盘
66浆料托盘70复合层压材料
具体实施例方式如本说明书所述，解决复合结构的材料性质局限性的传统方法是包括具有交替的 90度取向的交叉帘布层层压材料(cross-ply laminate)的交替图案。进行该传统方法以在超过一个方向上排列所述复合层压材料的纤维，这用于消除复合材料的正交各向异性性质的强度局限性。然而，交叉帘布层层压材料方法仍然仅解决了在两个方向上(例如平行于材料纤维和横切于材料纤维)的材料强度局限性。所述方法仍然未能防止在除了平行于材料纤维和横切于材料纤维之外的方向上的边缘裂化、基于剪切的破坏裂化等。与传统方法相比，本发明的多个方面包括螺旋缠绕纤维，该纤维提供对结构中的孔洞的周向增强。本发明的这些方面可提供对结构中的孔洞的增强，而不论所述结构在最终部件中的取向如何。本发明的多个方面可提供与传统孔洞增强机理相比降低的边缘裂化和基于剪切的破坏裂化。例如，在一个实施例中，公开了一种复合层压材料，该复合层压材料包括a)在其中具有第一孔的第一片状材料；b)在其中具有与所述第一孔对应的第二孔的第二片状材料；以及c)增强结构，所述增强结构包括粘附至第一片状材料或第二片状材料中的至少一个上的具有多个卷绕的连续纤维，所述多个卷绕围绕所述第一孔或第二孔中的至少一个；和将所述多个卷绕彼此结合的树脂。在另一实施例中，本发明的多个方面提供了一种形成配置用于增强材料中(例如在复合材料或整体材料中)的孔的增强结构的方法。在一些实施例中，所述方法可包括将纤维围绕在一对引导盘(guide discs)之间的中心轴缠绕，并使用树脂基浆料将所述纤维结合至其自身以形成增强结构。转向图1，显示了一种传统材料增强系统10的剖开俯视图。在该传统系统中，显示了一片设有孔14的材料(例如片状整体材料或复合材料)12。在一个实施例中，孔14在ζ 方向(进入页面，沿ζ轴)基本上贯穿材料12延伸。应了解可将孔14配置为容纳连接元件，如栓、螺栓、铆钉、螺钉等(未显示)。在增强系统10中也显示了交叉帘布层增强结构 16、18，所述交叉帘布层(cross-ply)增强结构可作为层压材料粘附至材料12，或可在初始材料12内形成(例如作为插入物)。如所示，交叉帘布层增强结构包括以大约90度角(分别沿χ轴和y轴)交叉的增强元件16、18。在任何情况中，如关于具有孔的增强材料的传统方法所述，交叉帘布层增强结构16、18可能不能在除了 χ轴和y轴之外的方向上防止诸如边缘裂化和/或基于剪切的破坏裂化的材料破坏。图2显示了图1的传统材料增强系统10，并进一步说明了接近孔14的边缘裂化 20。如本说明书所述，边缘裂化20可能例如由于“撕裂”或沿ζ轴(进入页面或离开页面)， 垂直于片状材料12的平面表面施加的其他力而发生。在该情况中，例如，栓或螺栓通过孔 14的移动可造成边缘裂化20，并随后造成材料破坏。图3显示了图1的传统材料增强系统10，并进一步说明了接近孔14的基于剪切的破坏裂化22。如本说明书所述，基于剪切的破坏裂化22可能由于在孔14内沿y轴(或，例如在其他情况中沿χ轴)施加比交叉帘布层增强结构18(或16，沿χ轴)所能承受更大的力而发生。这导致初始孔14的伸长，并接近初始孔14的沿y轴裂化。沿y轴(在其他情况中，或χ轴，或x-y轴等)施加的所述力可通过螺栓、螺钉、栓或在孔14内接纳的其他元件而进行施加。例如，栓可经受在y轴方向上的剪切力，并将该剪切力传递至孔14的内表面，由此拉伸所述孔。转向图4，其显示了根据本发明的实施例的增强结构40的孤立俯视图。如所示， 增强结构40可包括一种具有多个卷绕44的连续纤维42，其可粘附至至少一个片状材料 46(以虚线显示)以用于增强其中的孔48。应了解材料46和孔48以虚线显示用以说明增强结构40可与材料46分开形成，并随后经由例如层压至一个或多个片状材料46来进行粘合。纤维42的卷绕44可围绕孔48(在该实施例中为圆孔)形成基本上同心的旋转。然而，应了解其他卷绕，例如椭圆形卷绕，也可用于增强例如椭圆形孔。在一个实施例中，纤维 42可为大约0.015至0.020厘米宽，刚度大于40度短麻屑弯曲角(tow bend angle)。如本领域已知，术语“短麻屑”(tow)可指纤维42的结构，其中所述纤维42可由多个围绕公共轴线缠绕的纤维单元组成，如在线中一样。传统的“下垂角”测试可用于测定纤维42的刚度，其中，在一个实施例中，纤维42具有每10厘米纤维42的未受支撑长度大约2厘米的下垂。如所示，设在卷绕44之间也显示了树脂50，其用于将每个相邻的卷绕44彼此结合。如本说明书进一步所述，树脂50可由例如聚乙烯醇缩丁醛聚合物粘合剂形成，所述聚乙烯醇缩丁醛聚合物粘合剂在室温下可为半刚性的，从而允许在组装过程中进行处理。树脂50可在厚度为大约0. 015至0. 020厘米的相邻卷绕44之间形成。在一个实施例中，可在将纤维 42缠绕成卷绕44之前将树脂50施加至纤维42，如本说明书进一步所述。应了解在一些实施例中，可在将纤维42粘附至材料46之前在卷绕44的形成过程中将树脂施加至纤维42。转向图5和6，分别显示了用于产生增强结构(例如图4的增强结构40)的系统 60的三维透视图和部分剖开侧视图。在一个实施例中，系统60可包括心轴62、一对引导盘 64，以及浆料托盘66 (在图5-6中所示意)。如虚线箭头所指示，纤维42可经由心轴62的旋转(例如在图6中顺时针)而围绕心轴62缠绕。S卩，可将纤维42的第一端粘附至心轴 62的表面(例如经由化学或机械固定装置，如粘合剂或栓)，且心轴62可由操作者(例如人工操作者或机器)进行旋转。心轴62可拉引纤维42，而引导盘64控制纤维42沿心轴62 的旋转轴的运动，使得纤维42的每个卷绕44(图6)在相邻卷绕44上缠绕，从而产生基本上同心的结构。在一个实施例中，引导盘64分开大约0.018至0.0 厘米设置(距离D)， 所述距离可为大于纤维42的厚度，但小于纤维42的两个接触部分的厚度。在一个实施例中，可将纤维42进料通过浆料托盘66，以在围绕心轴62缠绕之前用树脂50基本上涂布纤维42的外表面(图6)。树脂50可包含能够在纤维42的卷绕44围绕心轴62缠绕时将纤维42的相邻卷绕44结合在一起的粘合剂。此外，在一些实施例中，可将树脂50配置为对热发生反应。例如，在一些情况中，当树脂50和纤维42的混合不是所想要的，则树脂50例如在烧尽阶段过程中(例如在大约400摄氏度下)可为可消耗的。在其他情况中，当(纤维 42和树脂50的)复合材料被加工至固结(例如经由在设计加工环境中加热并随后冷却) 时，树脂50可变得与纤维42结合为一体。在任何情况中，不论树脂50是被保留或是被消耗，本说明书所述的一个或多个方法可具有形成能够被粘合至片状材料(或与片状材料结合为一体)的增强结构(例如增强结构40)的技术效果。尽管本说明书主要显示和描述了纤维42的连续缠绕的卷绕44，但应了解纤维42的一个或多个卷绕44可分开形成(例如作为周向增强元件，如环)并彼此粘合。即，每个卷绕可经由图5和6的系统60形成，但在一些情况中，相邻卷绕可例如经由树脂而结合在一起，而无需围绕心轴62连续缠绕。转向图7，其显示了根据本发明的实施例的复合层压材料70的剖开俯视图。在一个实施例中，复合层压材料70包括一个在其中具有孔14的第一片状材料12 (例如片状金属，如钢、铝等)。在一些实施例中，所述第一片状材料12 (或复合层压材料中的其他片状材料)可为基本上正交各向异性的。即，这些正交各向异性的材料在平行于材料纤维的方向上的强度和刚度大于在横切于材料纤维的方向上的强度和刚度。应了解复合层压材料70 可包括多个彼此堆积(例如沿ζ轴)的片状材料12，其中那些片状材料12的至少两个在其中包括孔14。还应了解在所述多个片状材料12中的孔14可基本上被对齐，使得孔洞贯穿所述多个片状材料12延伸。为了说明清楚起见，从该剖视图中省略这些另外的片状材料 12。图7也显示了复合层压材料70可包括根据本说明书所述的实施例的增强结构40。 增强结构40可基本上类似于参照图4-6描述的增强结构40，并可根据特别参照图5-6所述的方法形成。如所示，可将增强结构40配置为基本上围绕孔14，并经由多个卷绕(例如基本上圆形的卷绕)提供对孔14的增强。也显示复合层压材料70包括参照传统片状材料描述的交叉帘布层增加结构16、18。然而，在一个实施例中，增强结构40可代替交叉帘布层增强结构16、18中的一个或多个部分，使得片状材料(例如材料12)可包括一个或多个由增强结构40而不是交叉帘布层增强结构16、18增强的孔(例如孔14)。如本说明书所述，增强结构40可具有大约等于纤维42的宽度的厚度(沿ζ轴)。 即，增强结构40可在ζ方向上占据不大于大约纤维42的宽度。这可允许将增强结构40设置于复合层压材料里的材料层(例如材料12)之间，在材料的整体层内；或将增强结构40 粘附至一层材料而不显著增加材料-增强结构组合的厚度。如本说明书所述，本发明的方面提供了相比于传统方法对材料(例如整体材料或复合材料)中的孔的更有效的增强。与传统增强系统相比，本发明的实施例的增强结构可能能够在平面中360度范围内增强孔。即，除了沿材料的χ和χ轴(例如，沿正χ-y轴，负 x-y轴等)的应力，沿其它角度施加的应力可通过本说明书所述的增强结构而被降低。本说明书所用的术语仅为了描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。本说明书所用的单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚作出相反表示。还应了解当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括着”指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、 元件、组件和/或其组合的存在或添加。本说明书使用包括最佳方式的实例来公开本发明，并使得任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何引入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果其他实例具有与权利要求书的文字语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言具有非实质性差别的等同结构元件，则这种其他实例旨在落入权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种复合层压材料(70)，所述复合层压材料包括 在其中具有第一孔(14)的第一片状材料(12)；在其中具有与所述第一孔(14)对应的第二孔G8)的第二片状材料G6)；以及增强结构(40)，所述增强结构00)具有粘附至所述第一片状材料(1 或第二片状材料G6)中的至少一个上的包含多个卷绕 (44)的连续纤维(42)，所述多个卷绕04)围绕所述第一孔(14)或所述第二孔08)中的至少一个；和将所述多个卷绕G4)彼此结合的树脂(50)。
2.根据权利要求1所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述纤维0 具有大于40 度短麻屑弯曲角的刚度。
3.根据权利要求1所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述树脂(50)具有在所述多个卷绕G4)之间大约0. 018至0. 024厘米的厚度。
4.根据权利要求1所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述增强结构GO)具有大约等于所述连续纤维G2)的宽度的厚度。
5.根据权利要求1所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述第一片状材料(12)或所述第二片状材料G6)中的至少一个为正交各向异性的。
6.根据权利要求1所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述第一孔(1 和所述第二孔G6)为基本上圆形的。
7.根据权利要求6所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述多个卷绕G4)基本上同心地围绕所述第一孔(1 或所述第二孔G6)中的至少一个。
8.一种复合层压材料(70)，其包括多个堆积的片状材料(12，46)，每个片状材料在其中具有基本上圆形的孔(14，48)，所述基本上圆形的孔(14，48)中的每一个基本上对准；以及散布在所述多个堆积的片状材料(12，46)之间的多个增强结构(40)，所述多个增强结构GO)中的每一个具有粘附至所述多个堆积的片状材料(12，46)中的至少一个上的包含多个卷绕G4)的连续纤维(42)，所述多个卷绕04)围绕所述基本上圆形的孔(14，48)；和将所述多个卷绕G4)彼此结合的树脂(50)。
9.根据权利要求8所述的复合层压材料(70)，其特征在于所述纤维0 具有大于40 度短麻屑弯曲角的刚度。
10.一种经增强的整体材料，其包括在其中具有孔G8)的单个片状材料G6)；以及粘附至所述单个片状材料G6)的增强结构(40)，所述增强结构00)包括 粘附至所述单个片状材料G6)的包含多个卷绕G4)的连续纤维(42)，所述多个卷绕 (44)围绕所述孔(48)；和将所述多个卷绕G4)彼此结合的树脂(50)。
全文摘要
本发明提供一种孔增强结构。在一个实施例中，公开了一种复合层压材料，其包括在其中具有第一孔的第一片状材料；在其中具有与所述第一孔对应的第二孔的第二片状材料；以及增强结构，所述增强结构具有粘附至第一片状材料或所述第二片状材料中的至少一个上的包含多个卷绕的连续纤维，所述多个卷绕围绕所述第一孔或所述第二孔中的至少一个；和将所述多个卷绕彼此结合的树脂。
文档编号B29C70/10GK102555228SQ20111038585
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者H·C·罗伯茨三世, R·L·K·马特苏莫托 申请人:通用电气公司