专利名称：斜坡形加强件以及用于形成该斜坡形加强件的设备和方法
斜坡形加强件以及用于形成该斜坡形加强件的设备和方法
背景技术：
在制造例如航空航天工业中的复合结构中，结构构件通常被附接于复合蒙皮以加 强蒙皮。这种结构构件可以包括通常被称为桁条或加强件的大体上细长的加强构件。在航 空航天工业中使用加强件的典型实例是在机翼的形成中，在机翼中复合桁条被附接至翼罩 或蒙皮的内表面。桁条或加强件可以形成为呈现各种截面的几何形状但是典型地形成为T 形截面。典型的T形截面加强件由平的、未硬化的、预浸渍的复合层压件制成，该复合层压 件被形成L形截面，然后被背对背压缩产生期望的T形截面。这产生了容易附接至平的复 合蒙皮的T形截面加强件。然而，日益普遍的做法是改变复合蒙皮的厚度以便根据需要局 部地改变蒙皮的强度。厚度的变化产生横过待附接桁条的复合蒙皮的斜坡形或非平面的 截面。为使细长加强件适应斜坡形蒙皮表面，加强件必须在形成单独的L形截面或完成的 T形截面之后变形成所需的轮廓。因为这涉及使加强件跨过原来的平面层压件的三维截面 而不是二维截面变形，所以起皱常常出现在复合层压件的一部分被压缩的T形截面加强件 中。这种褶皱提供局部应力点，从而降低加强件的总强度，因此需要加强件制成比否则所需 的更大，并且也会妨碍L形截面被背对背压缩以形成所需的T形截面加强件。因此有利的是能形成这种加强件而不出现起皱的问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种具有细长腹板元件和至少一个细长脚元件的加 强件，所述腹板元件和所述脚元件通过弯曲肘部连接，其中所述弯曲肘部的半径在所述加 强件的第一部分上比在该加强件的第二部分上大。另外，在所述加强件的所述第一部分上的所述脚元件可以相对于在该加强件的所 述第二部分上的所述脚元件被竖直地移位。另外地或可替代地，在所述加强件的在所述第一部分与所述第二部分之间的中间 部分上，所述弯曲肘部的半径在相应的最大值和最小值之间变化。另外地或可替代地，所述腹板元件的高度在所述加强件的长度上基本恒定。优选地，所述腹板元件和所述脚元件相对于彼此基本上成90°。另外，所述加强件 可以具有两个细长脚元件，使得所述加强件的横截面基本上是T形的。根据本发明的第二方面，提供一种包括第一辊子和第二辊子的滚压成型模具，所 述第一辊子具有成形部分，该成形部分被布置成定位在所述第二辊子的圆周表面中的相应 成形的凹部内，所述第一辊子和所述第二辊子之间限定有一间隙，所述间隙对应于待赋予 在所述辊子之间通过的细长构件的期望的形状，所述期望的形状包括在腹板与脚部之间的 弯曲肘部，其中所述第二辊子中的所述凹部的形状和所述第一辊子的相应部分的形状围绕 这些辊子的圆周的一部分变化，使得所述辊子之间的所述间隙的与所述弯曲肘部对应的曲 率半径在最小值与最大值之间变化。另外，所述第一辊子的所述成形部分和所述第二辊子中的相应成形的所述凹部可 以被形成为，使得所述辊子之间形成的所述间隙的与期望的所述腹板相对应的部分和与期望的所述脚部相对应的部分基本上相互成90°。另外，所述第一辊子和所述第二辊子被形 成为使得在该第一辊子和该第二辊子之间形成的所述间隙基本上是U形的。另外地或可替代地，所述第一辊子和所述第二辊子可以是可旋转的。优选地，所述 辊子被形成为使得在所述第一辊子和第二辊子之间形成的所述间隙的与所述弯曲肘部对 应的曲率半径在这些辊子的半圈上在最小值和最大值之间变化。根据本发明的第三方面，提供一种形成根据本发明的第一方面的加强件的方法， 该方法包括将细长构件供给通过根据本发明的第二方面的滚压成型模具；以及当所述细 长构件的一部分被供给到所述模具辊子之间时，使所述模具辊子在第一位置与第二位置之 间旋转，由此在所述加强件中形成的所述弯曲肘部的半径发生变化。优选地，所述细长构件可以被随后供给通过另一组模具辊子，所述另一组模具辊 子被布置成使得所述细长构件沿该细长构件的纵轴被折叠。优选地，所述加强件可以包括非金属复合材料。
下面参照附图，仅通过非限制示例性实施例来描述本发明的实施方式，其中图1示出了带有附接的T形截面加强件的平面复合蒙皮的一部分；图2示出了由两个背对背的L形截面元件形成的T形截面加强件的一部分；图3示意性地示出了由平面层压件形成L形截面元件；图4示意性地示出了将根据现有技术的T形截面加强件放置在复合蒙皮的非平面 部分之上；图5示意性地示出了褶皱形成在根据现有技术的相邻的L形截面加强件元件之 上；图6A和图6B示意性地示出了根据本发明的实施方式具有不同的曲率半径的L形 截面元件；图7示意性地示出了根据本发明形成的C形截面元件；图8示意性地示出了图7中所示的C形截面元件的侧视图；图9示意性地示出了由图7的C形截面元件形成的T形截面加强件；图10示意性地示出了图9中所示的加强件的侧视图；图11示意性地示出了图9中所示的加强件的平面图；图12示意性地示出了处于第一取向的根据本发明的实施方式的辊模的正视图、 侧视图以及平面图；以及图13示意性地示出了处于第二取向的图12的辊模的相应的视图。
具体实施例方式图1示意性地示出了诸如飞行器翼罩的复合蒙皮2的一部分，如从现有技术已知 的那样，T形截面加强件4已经附接到该复合蒙皮2上。翼罩2的附接有加强件4的表面 是平坦的，意味着加强件4仅需要在其附接面上是相应平坦的。图2更详细地示出了加强件4的端部，以说明制造这种T形截面加强件的典型方 法。完成的加强件4实际上包括背对背结合在一起的两个单独的L形截面的细长元件6。L形截面元件6由复合层压件8 (见图幻形成的细长平面部分形成，该复合层压件8经过一 系列辊子和模具9，该一系列辊子和模具9被布置成逐渐弯曲细长层压件的一部分直到与 层压件的其余部分大约成90°，由此形成图2所示的L形截面元件6。平面复合层压件可 以在经过辊子和模具9之前或期间被立即加热，以有利于层压件的弯曲。由于该弯曲动作， 图2所示的L形截面元件6具有圆角肘部10。图4以截面图形式示意性地示出了复合蒙皮2'和加强件4的更典型的布置。在 该更典型的布置中，复合蒙皮2'不是平面的而是具有不同厚度部分h-2d，不同厚度部分 被设置在需要更高或更低强度的复合蒙皮的那些区域中。如图4所示，因而应当理解，现有 技术中平面的加强件4在没有经历一些变形的情况下不能适应蒙皮2'的斜坡形轮廓。虽 然可以使T形截面加强件变形以适应复合蒙皮2'的斜坡形轮廓，但是因为变形涉及压缩 或拉伸T形截面的竖直部的在复合蒙皮的不同厚度之间的交叉处的那些部分，所以有可能 使T形截面加强件变形以适应复合蒙皮2 ‘的斜坡形轮廓，易于发生单个L形截面元件6的 起皱。这在图5中示出，其中L形截面元件6中的每一个均具有形成在待抵接在一起以形 成最终的T形截面加强件的表面上的细长褶皱12。这些褶皱12的存在妨碍了单独的L形 截面元件的表面完全相互抵接，从而降低了两个L形截面元件之间的结合强度，并且由于 这种称为应力集中的过程而在加强件4中引入固有的弱点。根据本发明，通过改变L形截面元件的曲率半径而避免L形截面元件或最终的T 形截面加强件的这种变形，该曲率半径的改变进而具有相对于加强件的中央腹板的高度改 变加强件脚(加强件的附接于复合蒙皮的部分)的高度的效果。这在图6A和图6B中被示 意性地示出。图6A示意性地示出了具有腹板高度h、脚宽度w并且具有在加强件腹板与脚 之间的曲率半径r = 0的L形截面元件的横截面。(应当理解零半径将是在实践中难以实 现的和不期望的，但是在本示例中用于说明的目的)。图6B示出了具有腹板高度h' =h 但是具有在腹板和脚之间的曲率半径r = 3h/8的相应的L形截面元件。容易看到图6B中 加强件脚的水平面相对于腹板的顶部低了等于r的距离。也将观察到，图6B所示的加强件 脚的宽度一比图6A所示的加强件脚的宽度w短得多。因此，在本发明的实施方式中，L形截面元件6形成有在沿细长元件的长度在最小 值和最大值之间变化的加强件腹板和脚之间的曲率半径，该半径在期望增大加强件腹板的 高度，即期望相对于加强件腹板的顶部有效地降低加强件脚时更大。图7示意性地示出了 C 形截面细长元件20，根据本发明的原理该C形截面细长元件20被形成为具有变化的曲率半 径。该C形截面元件20有效地是由单个初始的复合材料平面腹板形成的两个相同的L形 截面元件，并且该C形截面元件20通过沿其由图7中的虚线22表示的中心轴线进一步而 随后形成期望的T形截面加强件。图7所示的C形截面元件包括具有最小曲率半径的标记 为A和E的两个部分，具有不变的最大曲率半径的标记为C的中央部分，以及曲率半径在最 小值和最大值之间连续地变化的两个过渡部分B、D。图7所示的C形截面元件的侧视图在 具有带相同标记的相应部分的图8中示出。从图8中可见，与图6B所示的最后形成的加强 件脚的宽度W'对应的部分C中的平面部分的高度小于部分A和E中的平面部分的高度。图9示出了最后形成的T形截面加强件，该T形截面加强件通过沿先前指出的虚 线22进一步折叠图7的C形截面元件而形成。加强件M的具有过渡区中的加强件脚与腹 板30之间的最大曲率半径的中间部分C具有脚部沈，该脚部沈关于具有过渡区的最小曲率半径的端部分A和E的加强件脚部观，相对于加强件腹板的顶部被竖直地移位。这在图 10中被更清楚地示出，图10是图9中所示的完全形成的加强件M的示意性侧视图。如上 所述，在具有过渡部分的最大曲率半径的那些部分中的加强件脚部26的宽度W'小于其它 部分中的加强件脚部的宽度。这从图11所示的完全形成的T形截面加强件M的平面图中 可清楚地看出。为制造图9所示的斜坡形加强件24，并且特别是为制造图7所示的成形的C形截 面元件20，首先利用如关于图3在前讨论的已知的辊轧成形技术用复合材料形成的细长平 面部分制成等截面的C形截面元件。然而，然后使等截面的C形截面通过根据本发明的另 一方面形成的另一组模具，从而使C形截面元件20的曲率半径r能够依照需要而变化，以 形成如图9所示的根据本发明的第一方面的斜坡形T形截面加强件24。用来改变曲率半径 r的根据本发明的第二方面的实施方式的一组模具在图12和图13中示出。参看图12，在正视图、侧视图以及平面图的组合视图中示出的模具32包括互补的 第一辊子34和第二辊子36。在图12所示的模具32的取向中作为底辊的第二辊子36，具 有形成在辊子的外周面中的U形沟槽38。U形沟槽38的深度、宽度以及在水平部分与竖直 部分之间的曲率半径围绕第二辊子36的180°扇形在第一组值和第二组值之间变化，其中 第一组值对应于在曲率半径r处于期望的最小值的情况下C形截面部分20的期望的外部 尺寸，第二组值对应于当曲率半径r处于期望的最大值时C形截面20的期望的外部尺寸。 用于宽度、深度以及曲率半径的第一组值和第二组值之间在第二辊子36的180°范围内的 过渡是连续的，即在U形沟槽38的尺寸中没有阶跃变化，并且优选地在整个180°范围内具 有恒定变化率。第一辊子34在图12所示的取向中代表上辊，作为外表面在使用中布置成 延伸到第二辊子36的U形沟槽38内并且尺寸被设计成，使得在第一辊子34和第二辊子36 之间存在与待形成的C形截面元件20的期望的厚度对应的U形的或C形截面的间隙40。 为了在第二辊子36中的U形沟槽38的尺寸的全变化范围内使间隙40维持恒定值，第一辊 子34的外表面的尺寸在180°范围内在第一组尺寸和第二组尺寸之间相应地变化，在第一 组尺寸中辊子34的水平外表面和竖直外表面之间的曲率半径处于最小值，在第二组尺寸 中曲率半径处于最大值，过渡同样是连续的并且处于与第二辊子36的尺寸中的过渡相应 的变化率。图12所示的模具的第一辊子和第二辊子的正视图示出了处于第一位置的辊子， 其中辊子之间的间隙40对应于当随后形成的腹板30与脚部之间的曲率半径处于最小值时 C形截面20的期望的形状。在使用中，优选地已由在前的辊子和模具预先形成为接近期望 的C形截面的形成的复合材料制成的细长部分通过辊子之间的间隙40被供给到模具32的 第一辊子34和第二辊子36之间。细长元件的进给方向由图12中的每个正视图上示出的 阴影箭头表示。应当理解，此时辊子34、36实际上是静止的从而维持两个辊子之间的间隙 40的尺寸不变。当期望增大C形截面元件的脚部和中央腹板之间的曲率半径以便相对于腹 板的顶部降低所得到的脚部时，模具的上辊34和下辊36等量且等速地一起旋转。在图12 所示的具体实施方式
中，旋转方向对于第一上辊34是逆时针方向而对于第二下辊36是顺 时针方向。然而，第一辊子和第二辊子可以容易地布置成使得旋转方向与此相反。模具32 的辊子旋转的动作连同第一辊子34的外表面和第二辊子36的U形沟槽38的尺寸变化，致 使细长复合元件所通过的辊子之间的间隙40平稳地变化。
图13示出了图12所示的模具32的相应的正视图、侧视图以及平面图，但是第一 辊子34和第二辊子36已经相对于图12所示的取向旋转了满180°。因此，第一辊子34和 第二辊子36之间的间隙40具有与中央腹板部和脚部之间的曲率半径r处于最大期望值时 C形截面元件的期望形状相对应的形状和尺寸。如将理解的是，一旦第一辊子和第二辊子 已经旋转到间隙40具有期望的形状和尺寸的点处，辊子的旋转就停止，使得当细长复合部 分连续通过狭窄的静止辊子之间时，具有与间隙40的形状对应的恒定的横截面。为了过渡 回到其中曲率半径r被减小的C形截面元件的横截面，使模具32的第一辊子和第二辊子沿 相反方向一起旋转所需的量。模具32的辊子34、36的安装和引起并控制它们的各自旋转 的装置落入本发明的范围，因为认为本领域技术人员将能从他们的现有知识提供适当的机 构。例如，辊子可以在适当的电子系统的控制下通过单独的例如电动的或液压的致动器旋 转，或者例如通过一个或更多个齿轮或齿形带以机械方式相互连接，使得辊子可以利用单 个致动器一起旋转。本文描述的本发明的方面提供了适合附接于相应的斜坡形(即非平面的)蒙皮或 罩的改进的斜坡形加强件或桁条，以及用于制造该加强件的方法和设备。
权利要求
1.一种具有细长腹板元件和至少一个细长脚元件的加强件，所述腹板元件和所述脚元 件通过弯曲肘部连接，其中，所述弯曲肘部的半径在所述加强件的第一部分上比在该加强 件的第二部分上大。
2.根据权利要求1所述的加强件，其中，在所述加强件的所述第一部分上的所述脚元 件相对于在该加强件的所述第二部分上的所述脚元件被竖直地移位。
3.根据权利要求1或2所述的加强件，其中，在所述加强件的在所述第一部分和所述第 二部分之间的中间部分上，所述弯曲肘部的半径在相应的最大值和最小值之间变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加强件，其中，所述腹板元件的高度在所述加强 件的长度上基本恒定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加强件，其中，所述腹板元件和所述脚元件相对 于彼此基本上成90°。
6.根据权利要求5所述的加强件，其中，所述加强件具有两个细长脚元件，使得所述加 强件的横截面基本上是T形的。
7.一种包括第一辊子和第二辊子的滚压成型模具，所述第一辊子具有成形部分，该成 形部分被布置成定位在所述第二辊子的圆周表面中的相应成形的凹部内，所述第一辊子和 所述第二辊子之间限定有一间隙，该间隙对应于待赋予在所述辊子之间通过的细长构件的 期望的形状，所述期望的形状包括在腹板和脚部之间的弯曲肘部，其中，所述第二辊子中的 所述凹部的形状和所述第一辊子的相应部分的形状围绕这些辊子的圆周的一部分变化，使 得所述辊子之间的所述间隙的与所述弯曲肘部对应的曲率半径在最小值和最大值之间变 化。
8.根据权利要求7所述的滚压成型模具，其中，所述第一辊子的所述成形部分和所述 第二辊子中的相应成形的所述凹部被形成为，使得在所述第一辊子和所述第二辊子之间形 成的所述间隙的与期望的所述腹板对应的部分和与期望的所述脚部对应的部分彼此基本 上成90°。
9.根据权利要求7所述的滚压成型模具，其中，所述第一辊子和所述第二辊子被形成 为使得在该第一辊子和该第二辊子之间形成的所述间隙基本上是U形的。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的滚压成型模具，其中，所述第一辊子和所述第 二辊子是可旋转的。
11.根据权利要求10所述的滚压成型模具，其中，所述辊子被成形为使得在这些辊子 之间形成的所述间隙的与所述弯曲肘部对应的曲率半径在这些辊子的半圈上在最小值和 最大值之间变化。
12.—种形成根据权利要求1所述的加强件的方法，该方法包括将细长构件供给通过 权利要求7所述的滚压成型模具；以及当所述细长构件的一部分被供给到所述模具辊子之 间时，使所述模具辊子在第一位置和第二位置之间旋转，由此使在所述加强件中形成的所 述弯曲肘部的半径发生变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述细长构件随后被供给通过另一组模具辊 子，该另一组模具辊子被布置成使得所述细长构件沿该细长构件的纵轴被折叠。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述加强件包括非金属复合材料。
全文摘要
一种加强件(24)，其具有细长腹板元件(30)和至少一个细长脚元件(28)，腹板元件和脚元件通过弯曲肘部连接，其中弯曲肘部的半径在加强件的第一部分(C)上比在该加强件的第二部分(E)上大。一种滚压成型模具(32)，其包括第一辊子(34)和第二辊子(36)，第一辊子具有成形部分，其布置成定位在第二辊子的圆周表面中的相应成形的凹部内，第一辊子和第二辊子之间限定一间隙(40)，该间隙对应于待赋予在辊子之间通过的细长构件(20)的期望的形状，该期望的形状包括腹板和脚部之间的弯曲肘部，其中第二辊子中的凹部的形状和第一辊子的相应部分的形状围绕辊子圆周的一部分变化，使得辊子之间的间隙的与弯曲肘部对应的曲率半径在最小值和最大值之间变化。加强件通过将细长构件供给通过滚压成型模具并且当细长构件的一部分被供给到模具辊子之间时使该模具辊子在第一位置和第二位置之间旋转而形成，由此使在加强件中形成的弯曲肘部的半径发生变化。
文档编号B64C3/18GK102099246SQ200980128092
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月14日 优先权日2008年7月18日
发明者达雷恩·约翰·温特 申请人:空中客车操作有限公司