专利名称：复合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有由一系列纤维增强复合材料层形成的部件的结构，以及制造这种结构的方法。
背景技术：
图1示出了用于接合两个纤维增强复合部件的传统的单搭接接头。每个部件均由一系列纤维增强复合材料层形成。穿过部件钻出孔，然后利用销2(其可以是螺栓或铆钉) 将部件紧固在一起。孔形成结构中的弱点，这需要每个部件的厚度在孔的附近局部增大。不可以突然增大厚度，因为这将倾向于引起每个部件内材料层之间的脱层。因此通过在每个部件中以大约3度的角度形成斜面3、4来逐渐增大厚度。在复合部件中形成斜面3、4是复杂且费时的操作，特别是对于必须形成大量这种接头的诸如机翼盖或翼梁之类的大部件。而且斜面3、4给接头增加了不需要的重量。图2示出了具有钻孔6的复合飞机翼梁5。支架7被附接到翼梁的一侧，并且翼梁的另一侧形成有一对斜面8、9，该对斜面8、9增大了孔6周围的翼梁厚度。支架7支撑穿过孔6并且进入燃料箱的诸如液压管、电缆束或者燃料进口管的系统部件(未示出)。图2的结构遭受与图1的接头类似的问题也就是说，在复合翼梁中形成斜面8、9 是复杂且费时的操作，特别是对于大飞机。而且斜面8、9给翼梁增加了不需要的重量。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种结构，该结构包括固化的复合部件，该复合部件由一系列纤维增强复合材料层形成；复板，该复板通过部分穿透所述复合部件的尖头叉尖阵列附接至所述复合部件；以及孔，该孔穿过所述复板和所述复合部件。本发明的第二方面提供一种制造结构的方法，该方法包括用一系列纤维增强复合材料层形成复合部件；通过利用部分穿透所述复合部件的尖头叉尖阵列刺穿所述复合部件来将复板附接至所述复合部件；在所述复合部件已经由所述叉尖阵列刺穿之后使所述复合部件固化；以及形成穿过所述复板和所述复合部件的孔。通过使对在所述复合部件中形成斜面的需要最小，本发明能提供重量的减轻并且提高制造速度。这对必需形成大量孔的诸如机翼盖或翼梁的大部件特别重要。所述尖头叉尖阵列确保了所述复板和所述复合部件之间的结合对剥落故障有高抵抗性。可以通过在所述复板和所述复合部件被附接之前在它们之中预钻孔来形成所述孔，但是更优选地是，在所述复板和所述复合部件被附接之后形成所述孔。所述叉尖可以是销的末端，所述销的末端以穿过木块的钉的方式穿过所述复板。 然而该装置具有的问题在于，通过所述销形成的所述孔可以使所述复板变弱。因此更优选
3地是，刺穿所述复合部件的所述叉尖不会还穿过所述复板，例如它们可以与所述复板一体地形成，或者接头可以具有界面板，该界面板在第一侧承载所述叉尖阵列并且在第二侧被附接至所述复板。所述界面板可以通过粘合剂层被粘结至所述复板，共固化至所述复板或者焊接至所述复板。另选地，所述界面板可以在其第二侧承载第二叉尖阵列，该第二叉尖阵列部分或完全穿透所述复板。通常所述复合部件包括用基质浸渍的一系列纤维层；并且所述叉尖和所述基质由不同材料形成。所述复板可以仅由金属构成，或者可以由一系列纤维增强复合材料层形成。在该情况下，所述复板可以由用热塑性基质材料浸渍的一系列纤维层形成；并且所述叉尖由热塑性材料形成。所述复合部件可以由一系列“预浸料坯”复合材料层形成，每层预浸料坯均包括用诸如热固性环氧树脂的基质材料浸渍的一层碳纤维。在该情况下，未固化的基质材料由所述叉尖刺穿。另选地，所述复合部件可以被铺设为干纤维垫；所述干纤维由所述叉尖刺穿； 并且基质材料随后被注入所述复合部件以浸渍所述干纤维垫。在两种情况下，当所述叉尖刺穿所述复合部件时，通过切割和/或推开材料(即纤维和/或基质)，所述叉尖通常将形成孔。所述复合部件中的所述纤维可以是单向的、机织的、编织的、编结的、缝合的、或者任何其它适当的结构。所述复合部件优选地由足够软以在其被固化之前由所述叉尖刺穿的材料形成。因此所述复合部件可以由热固性复合材料形成。另选地，所述复合部件可以由热塑性复合材料形成，在该情况下，所述复合部件可能需要被加热以使其足够软以刺穿所述热塑性材料， 然后被冷却以固化所述复合材料。所述叉尖阵列可以通过或W02004028731中所述的所谓的“共合并 (Comeld) ”工艺形成。另选地所述叉尖阵列可以以一系列层生长，如W02008110835中所述每层均通过将能量和/或材料从头部引导到建立表面的所选部分而生长。通过以下步骤可以将所述复板附接至所述复合部件，S卩，将承载所述叉尖的所述复板放置在模具的凹槽中；将一系列纤维增强复合材料层逐层地铺设在模具表面上；并且将初始层推到所述叉尖阵列上使得所述叉尖刺穿所述初始层。另选地，所述复合部件可以被铺设，然后通过将所述叉尖推进所述完全组装的复合部件而将所述完全组装的复合部件接合到所述复板。通过移动所述叉尖、移动所述复合部件或者它们的复合运动，可以实现该刺穿动作。所述叉尖可以具有简单的三角形轮廓，或者所述叉尖中的至少一个可以具有这样的横截面积，该横截面积从所述叉尖的末端增大而形成尖头，然后减小而形成底切面。当所述叉尖刺穿所述复合部件时，所述叉尖可以推开所述复合材料中的纤维，然后纤维弹性回复到所述底切面之后。所述底切面因而能增大所述接头的拉脱强度。另选地当所述叉尖刺穿所述复合部件时，所述叉尖可以切割所述纤维。所述复板和所述复合部件中的所述孔可以是敞开孔，或者所述结构可以具有穿过所述复板和所述复合部件中的所述孔的构件。所述构件例如可以是液压管、电缆束、或者燃料进口管。另选地所述结构还可以包括第二部件，并且所述构件包括紧固件，该紧固件穿过所述复板和所述复合部件中的所述孔，并且还穿过所述第二部件。所述紧固件可以是螺栓、 铆钉或者任何其它适当的紧固件。本发明的另一方面提供一种制造接头的方法，该接头具有由一系列纤维增强复合材料层形成的复合部件，所述方法包括通过用部分穿透所述复合部件的尖头叉尖阵列刺穿所述复合部件并且在所述复合部件已经由所述叉尖阵列刺穿之后固化所述复合部件，来将复板附接至所述复合部件的外面；使第二部件的内面与所述复合部件的内面重叠；以及使紧固件穿过所述复板、所述复合部件以及所述第二部件。通常所述第二部件也由一系列纤维增强复合材料层形成，并且所述接头还包括第二复板，该第二复板通过部分穿透所述第二部件的叉尖阵列被附接至所述第二部件的外面，并且所述紧固件穿过所述第二复板。
现在将参照附图描述本发明的实施方式，其中图1是传统的单搭接接头的剖视图；图2是飞机机翼的翼梁的一部分的剖视图；图3是根据本发明的第一实施方式的两个复合部件之间的搭接头的立体图；图4示出了制造图3的接头中的界面板的加成法；图fe至5c示出了将由图4的方法制成的界面板附接至未固化的复板的方法；图6和图7示出了固化的复板，该复板承载用于附接至复合部件的界面板，并被插入模具中；图8是根据本发明的第二实施方式的两个复合部件之间的搭接头的剖视图；图9是根据本发明的第三实施方式的两个复合部件之间的搭接头的立体图；图10是根据本发明的第四实施方式的两个复合部件之间的搭接头的立体图；图11是图3、9和10所示的其中一个叉尖的局部放大剖视图；图12和图13是沿图11中的线A-A和B-B剖取的剖视图；以及图14是根据本发明的第三实施方式的结构的剖视图。
具体实施例方式图3所示的接头包括均具有内面IOaUla及外面10b、llb的第一部件10和第二部件11。每个部件均由一系列纤维增强复合材料层形成。内面IOaUla部分重叠以形成单搭接接头。复板12、13通过相应的界面板14、15附接至每个部件的外面。每个界面板均在其内侧承载尖头叉尖16、17的阵列，该尖头叉尖阵列部分穿透部件10、11中相应的一个。 每个界面板还在其外侧承载尖头叉尖18、19的阵列，该尖头叉尖阵列部分穿透复板12、13 中相应的一个。穿过接头钻出孔20，并且将紧固件(未示出)穿过孔20以固定接头。现在将参照图4至8描述制造类似于图3的接头的接头的方法。首先通过图4所示的粉末层系统(powder-bed system)制造界面板21。 W02008110835中描述了图4所示的粉末层工艺，并且其内容以引用方式并入本文。通过使激光头34横向扫过粉末层并且将激光引向粉末层的所选部分来形成界面板21。更具体地， 系统包括一对容纳诸如粉末状钛的粉末状金属材料的进料容器30、31。辊子32从其中一个进料容器拾取粉末(在图4的实施例中，辊子32正从右侧进料容器拾取粉末)并且在支撑件33上方碾压连续的粉末层。然后激光头34扫过粉末层，并且来自激光头的激光束被开启和关闭以便以期望的模式熔化粉末。然后支撑件33往下移动一小段距离(通常大约 0. Imm)以准备下一层的生长。在用于使熔化的粉末凝固的暂停之后，辊子32继续在支撑件 33上碾压另一层粉末而为烧结做准备。因而当过程继续进行时，构成烧结部件21，该烧结部件由未固结的粉末部件36支撑。在已经完成该部件之后，从支撑件33除去该部件，并且在将未固结的粉末36返回到进料容器30、31之前，反复利用该未固结的粉末36。图4的粉末层系统可以用来将整个界面板(包括叉尖)构造为单件。激光头34 的移动和激光束的调节由部件的期望轮廓和布局的计算机辅助设计(CAD)模型确定。接下来，参看图fe，未固化“预浸料坯”复合材料叠层22被铺设。每层预浸料坯均包括一层用热固性环氧树脂基质浸渍的单向碳纤维。然后如图fe所示通过将界面板21下面的尖头叉尖阵列推进未固化的叠层22，而将界面板21附接至未固化的叠层22的内面。未固化的环氧树脂是软的，因此相对容易用叉尖刺穿。注意，叉尖的长度小于预浸料坯叠层的厚度，因此复板仅被叉尖部分穿透。然后通过加热至大约180°C来固化叠层以形成图6所示的固化的复板23。图5c是平行于叠层22的平面穿过图恥中的其中一个叉尖37剖取的横向剖视图。 如图5c所示，当叉尖37刺穿叠层时，叉尖37将复合材料中的纤维38推开。接下来，如图6所示，将承载界面板21的固化的复板23放置在模具的凹槽M中。 然后将一系列预浸料坯层逐层地铺设在模具的模具表面25上。将预浸料坯的底层沈推到指向上的叉尖阵列上，使得叉尖刺穿预浸料坯。然后将预浸料坯充分向下推直到它接合前面的层。注意，叉尖的长度小于预浸料坯叠层的厚度，因此上部预浸料坯层27不被刺穿。也就是说，叉尖仅部分穿透预浸料坯叠层使得叉尖的末端被嵌入叠层内。然后通过加热到大约180°C来固化叠层以形成图8所示的固化部件观。注意，如果需要通过图7的过程可以将复板23附接至界面板21。最后，如图8所示，使组件21、23、观与相似的组件重叠；穿过接头钻孔；并且将紧固件销四穿过孔以固定接头。使用相对薄的金属界面板21使由界面板21和复合部件23J8之间的不均勻热膨胀引起的变形最小。图9所示的接头包括均具有内面40a、41a及外面40b、41b的第一部件40和第二部件41。内面40a、41a部分重叠以形成单搭接接头。复板42、43通过相应的界面板44、45 被附接至每个部件的外面。每个界面板均在其内侧承载尖头叉尖46、47的阵列，该尖头叉尖阵列部分穿透部件40、41中相应的一个。穿过接头钻出孔50，并且将紧固件(未示出) 穿过孔50以固定接头。每个复板42、43均由复合材料叠层形成。每层均包括用诸如聚醚醚酮(PEEK)的热塑性基质材料浸渍的一层碳纤维。将复板42、43放置在图4的粉末层系统的支撑件33 上，通过上述粉末层工艺在复板的顶部上建造界面板44、45，但是利用料斗30、31中的粉末状的PEEK代替钛。注意，连同第一层PEEK粉末一起用激光束熔化复板的热塑性表面，从而形成复板和界面板之间的牢固结合。和热塑性复板42、43形成对比，类似于部件10、11，部件40、41由热固性预浸料坯形成。可以利用图7所示的工艺将部件40、41铺设在模具凹槽中的复板42、43上。图10所示的接头包括均具有内面60a、6Ia和外面60b、6Ib的第一复合部件60和第二复合部件61。内面60a、61a部分重叠以形成单搭接接头。复板62、63附接至每个部件的外面。每个复板均在其内侧承载一体形成的尖头叉尖66、67的阵列，该尖头叉尖阵列部分穿透部件60、61中相应的一个。穿过接头钻出孔64，并且将紧固件(未示出)穿过孔64 以固定接头。利用图4所示的粉末层工艺使复板62、63以及叉尖66、67—起形成为单件。复板以及叉尖能够由钛或者任何其它适当的材料形成。类似于部件10、11，部件60、61由热固性预浸料坯形成。利用图7所示的工艺可以将部件60、61铺设在模具凹槽中的复板62、63上。在图11中以纵剖面示出了图3、9和10所示的其中一个叉尖。该叉尖具有尖头， 该尖头从末端70到基部71向外逐渐向外变细；以及轴72，该轴72将尖头接合至面73。平行于面73测量的叉尖的横截面积从末端70增大到头的基部71处的最大值。然后横截面积减小以形成底切面74。如图12和13所示，当叉尖被推进复合材料时，纤维被锥形头推开，然后弹性回复到锥形头的基部71后而接合轴72。已经弹性回复的纤维75、76接合底切面74，从而增大结合的拉脱强度和抗剥离力。注意，使图12和13所示的纤维行为被理想化，因此通过尖头的刺穿动作还可能切割或折断一定数量的纤维。注意，每层中的纤维通常将沿不同方向延伸，因此举例来说，图12中的纤维被示出与图13中的纤维成直角。图14是根据本发明的第三实施方式的结构的剖视图。图14示出了用于飞机机翼的复合前翼梁80。支架81由螺栓82附接至翼梁的前侧。复合复板83由具有尖头叉尖85 的阵列的界面板84附接至翼梁，该尖头叉尖阵列部分穿透翼梁80。穿过翼梁80和复板钻孔，并且液压管86通过该孔进入位于翼梁后侧的燃料箱87。管86由支架81支撑。类似的装置可以用来使电缆或其它系统穿过前翼梁而进入燃料箱。尽管以上已经参照一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应当理解，在没有脱离如所附的权利要求中所限定的本发明的范围的情况下可以进行各种改变或修改。
权利要求
1.一种结构，该结构包括固化的复合部件，该复合部件由一系列纤维增强复合材料层形成；复板，该复板通过部分穿透所述复合部件的尖头叉尖阵列附接至所述复合部件； 以及孔，所述孔穿过所述复板和所述复合部件。
2.根据权利要求1所述的结构，该结构还包括界面板，该界面板在第一侧承载所述叉尖阵列并且在第二侧被附接至所述复板。
3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述界面板在其第二侧承载第二尖头叉尖阵列， 该第二尖头叉尖阵列部分或完全穿透所述复板。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的结构，其中，所述复板由一系列纤维增强复合材料层形成。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的结构，其中，所述叉尖中的至少一个具有这样的横截面积，该横截面积从所述叉尖的末端增大而形成尖头，然后减小而形成底切面。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的结构，其中，所述复合部件由热固性复合材料形成。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的结构，该结构还包括穿过所述复板和所述复合部件中的所述孔的构件。
8.根据权利要求7所述的结构，该结构还包括第二部件，其中，所述构件包括紧固件， 该紧固件穿过所述复板和所述复合部件中的所述孔，并且还穿过所述第二部件。
9.根据权利要求8所述的结构，其中，所述第二部件由一系列纤维增强复合材料层形成，所述结构还包括第二复板，该第二复板通过部分穿透所述第二部件的叉尖阵列附接至所述第二部件，并且所述紧固件穿过所述第二复板。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的结构，其中，刺穿所述复合部件的所述叉尖不会穿过所述复板。
11.一种制造结构的方法，该方法包括用一系列纤维增强复合材料层形成复合部件；通过利用部分穿透所述复合部件的尖头叉尖阵列刺穿所述复合部件来将复板附接至所述复合部件；在所述复合部件已经由所述叉尖阵列刺穿之后使所述复合部件固化；以及穿过所述复板和所述复合部件形成孔。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括使所述叉尖阵列以一系列层生长，通过将能量和/或材料从头部引导到建造表面的所选部分而使每层生长。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，当所述叉尖刺穿所述复合部件时，所述叉尖在所述复合部件中形成孔。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，所述叉尖将所述复板附接至所述复合部件而不刺穿所述复板。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的方法，其中，通过以下步骤将所述复板附接至所述复合部件，即，将承载所述叉尖的所述复板放置在模具的凹槽中；将一系列纤维增强复合材料层逐层地铺设在模具表面上；以及将初始层推到所述叉尖阵列上使得所述叉尖刺穿所述初始层。
全文摘要
一种结构，该结构包括固化的复合部件，该复合部件由一系列纤维增强复合材料层形成；复板，该复板通过部分穿透所述复合部件的尖头叉尖阵列附接至所述复合部件；以及孔，所述孔穿过所述复板和所述复合部件。界面板在第一侧承载所述叉尖阵列并且在第二侧被附接至所述复板。
文档编号B32B7/08GK102405134SQ201080017539
公开日2012年4月4日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年4月23日
发明者T·桑德森 申请人:空中客车操作有限公司