专利名称：非平面复合材料部件的叠铺方法
技术领域：
本发明涉及复合材料部件的制造，且特定言之，涉及使用自动化铺带机制造非平面复合材料部件，诸如飞机翼的抗扭盒外壳。
背景技术：
复合材料部件制造方法包括铺叠阶段和固化阶段，在铺叠阶段中，卷式的复合材料层设置在适当形状的模具上，固化阶段则是航空业以及其他工业中熟知的。在航空业中最经常使用的复合材料由镶嵌在热固或热塑树脂基体中的纤维或纤维束组成，其形式为预浸溃或“预浸处理”材料。它们的主要优势是指
-它们相对于金属材料的高比强度；
-它们在疲劳负载下的极佳性能；
-由材料各向异性而引起的结构优化可能性以及组合纤维与不同定向的可能性，使得可以根据所施加负载的不同需求而调节具有不同机械属性的要素设计。复合材料层不是随机设置的，而是以某一数目以及其纤维(通常为碳纤维)加强定向配置在每个区中，这是依据每个区中部件所承受的应力性质和大小而确定的。因而，每个区具有依据层堆叠或布置而定的特定结构。不同区之间的厚度差会引发层减少，这需要使每个部件具有层模型，所述层模型确立了如何在堆叠处理期间在夹具上布置层。通常使用用于单向铺设(UD)或纤维带的自动化铺带机(下文中称为ATL机)执行铺叠阶段。带根据部件形状直接铺设在模具上，其加强纤维处于设计者确定的定向上。则ATL机应具备铺叠复合材料带(通常为CFRP预浸处理)应遵循的轨迹。在特定轮廓表面中沿0°方向的带轨迹，在理想情况下应遵循“自然路径”，也就是说带在铺设时将遵循特定轮廓表面而不会伸展或折叠的路径。然而，非平面表面的所述“自然路径”的确定是非常困难的。在第一种方案中，提出了确定沿0°方向的带轨迹为测地线(即，相对于表面局部笔直的曲线，因为其测地曲率在每个点都等于零)，但是已发现，这些轨迹涉及在工业中使用的相邻典型尺寸带之间的过大间隙。US 2006/0073309公开了一种用以计算作为由复数个自然路径分段确定的轨迹的沿O。方向的带轨迹的方法，其避免了所述过大间隙，还避免了在带上形成皱折，每个带轨迹都定义了相对于路径相邻分段的非自然角度，以使得每个带的横边都设置在与相邻带预定的偏移距离间隔内。针对复杂几何形状的大复合部分(诸如具有双曲率的飞机翼外壳)实施此方法，涉及计算问题，而且也无法确保不产生皱折。因而需要一种叠铺方法，其中应易计算所述理想轨迹且向ATL机提供所述理想轨迹。
发明内容
本发明的一个目标是使用ATL机在适当模具上铺叠非平面复合部件的沿O °方向的预浸处理复合材料带的方法，其中所述带轨迹确定为使它们可由ATL机铺叠而不会产生皱折。本发明的一个目标是使用ATL机在适当模具上铺叠非平面复合部件的沿O °方向的预浸处理复合材料带的方法，其中可轻易计算所述带轨迹。本发明的还一个目标是提供非平面复合部件，其具有适当铺设的复合材料带，以避免各种缺陷，诸如皱折、连续带之间的过度间隙以及连续带之间的重叠。在一个方面，这些和其他目标通过一种使用ATL机在适当模具上铺叠非平面复合部件的沿0°方向的预浸处理复合材料带的方法而实现，该方法包括如下步骤a)确定所述带轨迹作为测地轨迹的修改轨迹，在其在水平面上的投影中符合如下条件其弯曲分段的曲率半径R2大于预定值Rmin ;两个相邻带之间的间隙G2p包括在O与预定值Gmax之间；b)向所述ATL机提供所述修改轨迹。在本发明的实施例中，所述步骤a)包括如下子步骤a I)在水平面上投影与所述 带对应的测地轨迹；a2)修改水平投影轨迹以符合上述条件；a3)通过所述表面与含有所修改的水平轨迹的垂直平面的交叉，在对应的铺叠表面上获得所述修改的轨迹。因此，替提供了一种可使用硬件和软件实施的方法，所述硬件和软件通常使用ATL机在铺叠过程中获得。在本发明的实施例中，-所述预定值Rmin针对宽度为300mm的带为400mm ;且所述预定值Gmax为3. 5mm。因此，提供了这样一种方法，其中沿0°方向的轨迹符合质量要求。在本发明的实施例中，所述部件是飞机翼外壳。因此，提供了一种在允许自动化铺叠处理的大复杂几何形状部件中沿0°方向铺叠带的方法。在另一个方面中，上述目标由一种非平面复合部件(尤其是飞机翼外壳)实现，该非平面复合部件包括遵循其在水平面中的投影符合以下条件的轨迹而设置的沿0°方向的复合材料带其弯曲分段的曲率半径R2大于预定值Rmin ;两个相邻带之间的间隙G2p包括在O与预定值Gmax之间。在参照附图对说明本发明目标的实施例的详细描述中，将更易了解本发明的其他特性和优点。
图I示出了飞机翼外壳的示意平面图。图2示出了所述外壳一个区的典型横截面图。图3a示意性示出了到所述外壳一个区的水平面上的投影，其中三个相邻带依据已知测地轨迹设置。图3b示意性示出了图3a沿平面A-A和B-B的横截面。图4a示意性示出了到所述外壳一个区的水平面上的投影，其中三个相邻带依据根据本发明确定的轨迹设置。图4b示意性示出了图4a沿平面A-A和B-B的横截面。
具体实施例方式在复合材料部件制造方法中的铺叠阶段的自动化程序在本领域中是熟知的。ATL机具有安装在平行导轨之间的可移动带输送头机构，其可沿多个轴运动从而将预浸处理带安置在多个磨具形状上。预浸处理带(通常为卷式设置)含有固持在背纸上的未固化复合材料，当带安置在模具上时可移除该背纸。当铺叠特定部件时，沿考虑到表面几何形状以及适当的指令组合而确定的轨迹，运动ATL机的带输送头机构而铺设带。可以预定形式向ATL机提供这些轨迹，且可在ATL机中使用可用的处理构件形成这些轨迹。现在将描述根据本发明确定在图I中表示的飞机翼抗扭盒的外壳11的沿0°方向的带轨迹。图2示出了所述外壳11的区15的横截面，在所述横截面中的外壳11的曲线17的长度与所述曲线17在水平面上的投影距离D之间存在明显差异。外壳11每个区的D/L比都会变化。
起始点是当前使用的ATL机的计算构件提供的轨迹(通常是基于测地的轨迹)。图3a示出了投影至地平面(水平面)上的外壳铺叠表面的所述区15上铺设的三个带21、23、24的所述其实轨迹。图3b示出了所述区15沿平面A-A (具有高D/L比)和沿平面B-B (具有较低的D/L比)的横截面。地平面上的投影起始轨迹(图3a)是带21、23、25之间存在恒定间隙Glp的平行轨迹，且在具有较低D/L比的外壳的那些区上具有一定曲率半径(R1)。在铺叠表面(图3b)上，横截面A-A中的带21、23、25与横截面B-B中的带21、23、25之间的间隙Gls，可在预定极限下变化。如果这些极限导致所述半径&小，那么带21、23、25以一个张力铺设在铺叠表面上，这会导致在具有所述曲率半径R1的区域中产生皱折。R1越低，张力越高，且越早出现皱折。因此，R1应具有不能超越的最小值，这在许多情况下发生，但在诸如大翼外壳的复杂曲率大部件下不会发生，
图4a示出了根据本发明投影至地平面上的铺设在外壳铺叠表面的所述区15上的三个带21、23、25的轨迹，且图4b示出了所述区15沿平面A-A (具有大D/L比)以及沿平面B-B(具有较低D/L比)的横截面。在地平面上行的投影轨迹(图4a)是带21、23、25之间具有可变间隙G2p的不平行轨迹，且在具有较低D/L比的那些外壳区上具有曲率半径R2M1，这样，带21、23、25铺设在具有较低张力的铺叠表面上，而避免了皱折产生。在铺叠表面(图4b)上，横截面A-A中的带21、23、25之间的间隙G2s与之前的情况类似，但是在横截面B-B中间隙G2s更大。因此可接受，带之间的间隙G2s比具有较低D/L比的那些区域中更大，在任何情况下都不会超过预定值Gmax。确定轨迹的运作程序包括以下步骤
a)修改地平面上的起始轨迹投影，这样，它们的弯曲分段具有比预定最小半径Rmin更大的曲率半径R2,且间隙包括在O与最大预定值Gmax之间；
b)通过所述表面与含有所述修改轨迹的垂直平面的交叉，在对应的铺叠表面上获得轨迹。根据发明人获得的实验数据，通过上述参数的以下值可以获得良好结果 Rmin=400mm (针对300_的带宽度)；
Gmax=3. 5mm。已注意到，如果在沿0°方向的带轨迹中，特定区中的带的两个边界之间的长度差超过2. 5_，那么会出现皱折。在根据本发明的轨迹中，所述长度差不会超过2. 5_。虽然已结合优选实施例完全描述了本发明，但是很明显，在本发明的范围内 可引入众多修改，本发明的范围不由这些实施例限制，而是由以下权利要求的内容限制。
权利要求
1.一种使用ATL机在适当模具上铺叠非平面复合部件的沿0°方向的预浸处理复合材料带的方法，其特征在于，包括以下步骤 a)确定所述带轨迹作为测地轨迹的修改轨迹，在其在水平面上的投影中符合如下条件 -其弯曲分段的曲率半径R2大于预定值Rmin ； -两个相邻带之间的间隙G2p包括在O与预定值Gmax之间； b)向所述ATL机提供所述修改轨迹。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，其中所述步骤a)包括如下子步骤 al)在水平面上投影与所述带对应的测地轨迹； a2)修改所述水平投影轨迹以符合上述条件； a3)通过所述表面与含有所修改的水平轨迹的垂直平面的交叉，在对应的铺叠表面上获得所述修改的轨迹。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，其中 -所述预定值Rmin针对宽度为300mm的带为400mm ； -所述预定值Gmax为3. 5mm。
4.根据权利要求I至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述部件是飞机翼外壳。
5.一种非平面复合部件，包括遵循其在水平面中的投影符合以下条件的轨迹而设置的沿O。方向的复合材料带 -其弯曲分段的曲率半径R2大于预定值Rmin ； -两个相邻带之间的间隙G2p包括在O与预定值Gmax之间。
6.如权利要求5所述的非平面复合部件，其特征在于 -所述预定值Rmin针对宽度为300mm的带为400mm ； -所述预定值Gmax为3. 5mm。
7.根据权利要求5至6中任一权利要求所述的非平面复合部件，其特征在于，所述部件是飞机翼外壳。
全文摘要
本发明涉及一种非平面复合材料部件的叠铺方法，具体涉及使用ATL机在适当模具上铺叠非平面复合部件的沿0°方向的预浸处理复合材料带的方法，该方法包括如下步骤a)确定所述带轨迹作为测地轨迹的修改轨迹，在其在水平面中的投影中符合如下条件其弯曲分段的曲率半径R2大于预定值Rmin；两个相邻带之间的间隙G2p包括在0与预定值Gmax之间；b)向所述ATL机提供所述修改轨迹。本发明也涉及非平面复合部件，诸如具有遵循符合这些条件的轨迹的沿0°方向之带的飞机翼外壳。
文档编号B64C3/26GK102837433SQ20121016924
公开日2012年12月26日 申请日期2012年5月26日 优先权日2011年5月27日
发明者阿尔韦托·洛扎诺塞维利亚, 约瑟·奥伦西奥·格拉纳多马卡里利亚, 文森特·马丁内斯巴尔德格拉马, 劳尔·布尔戈斯加列戈 申请人:空中客车西班牙运营有限责任公司