专利名称：用于制造复合梁的方法和工具的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及复合结构的制造，更具体地涉及用于制造复合梁的方法和工具， 特别是具有诸如“J”形梁的非对称截面几何形状的复合梁。
背景技术：
由诸如碳纤维等复合材料形成的梁用在各种车辆应用中，以承受并分布载荷。例 如，在飞行器应用中，具有J形截面的复合梁(“J形梁”)可以用来在机身内支撑地板，例 如在货物区或旅客舱中的地板。这些梁也可以用在其他应用中，例如但不限于，列出以下几 种机身、机翼、稳定器以及控制表面蒙皮支撑。用在这些用途中的复合梁必需在各种环境 条件下具有尺寸稳定性，同时满足其他的性能规范，包括载荷承受能力和刚性。复合J形梁可以通过组装C形沟槽和Z形沟槽来制造并且然后将外罩安装在该梁 上。形成C形沟槽和Z形沟槽特征可能需要多个步骤和复杂的工具，同时对于组装、模制和 固化敷层(layup)可能需要另外的工具。这种工具在一些区域可能需要精确的容差，例如 特定的半径，以便确保梁的特征完全形成并且达到规范。因此，需要允许使用最少数目的工具以便成本有效地制造J形梁的方法和工具， 以成形或预成型敷层的部件，并且随后模制该敷层，同时满足设计规范。本发明的实施例旨 在满足这种需要。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于制造复合梁，特别是J形梁的方法和工具，其中该J 形梁的截面是大致J形的。一组用于制造该梁的配套工具包括最少数目的简单部件，这些 部件既用来将复合装料(charge)预成型为诸如C形沟槽和Z形沟槽等期望形状，又用来模 制和固化组装的敷层。作为工具简化的结果，可以经济地制造具有良好的尺寸稳定性和性 能特点的J形梁。根据一个公开的实施例，提供一种用于制造具有J形截面的复合梁的方法，该方 法包括如下步骤通过在第一工具上形成第一复合装料而制造C形沟槽；移动第二复合装 料以与该C形沟槽接触以形成敷层；通过在该C形沟槽的一端上形成该第二复合装料的第 一部分而制造该梁的一端上的第一凸缘；通过在该第二工具上形成该第二复合装料的第二 部分而制造该梁的另一端上的第二凸缘；以及固化该敷层。通过以相对于水平面的25度和 45度之间的角度定向该梁的腹板，该敷层可以在工具中固化，以便改进在梁的半径处的压 实度。根据另一个公开的实施例，提供一种用于制造具有J形截面的复合梁的方法，该 方法包括如下步骤利用第一复合装料形成C形沟槽；利用第二复合装料形成Z形沟槽；在 一组工具中组装C形沟槽和Z形沟槽以形成J形梁敷层，该J形梁敷层具有由腹板连接的 外罩和底部凸缘；以及将该J形梁敷层放置在一组工具中且所述腹板的平面以大约25度和 45度之间的角度从水平面倾斜。
根据又一个方法实施例，复合J形梁可以用如下步骤制造利用第一工具预成型 第一复合装料和第二复合装料的一部分；将预成型后的第一和第二装料放置在第一和第二 工具之间；利用第二工具预成型第二复合装料的另一部分；利用第一和第二工具模制预成 型后的第一和第二复合装料；以及在装料被保持在第一和第二工具之间的情况下固化模制 后的装料。根据再一个实施例，提供一种用于制造复合J形梁的工具，该工具包括用于预成 型和模制具有J形形状截面的复合敷层的配套工具组件。该配套工具组件包括第一工具， 敷层的第一部分可以在该第一工具上预成型为C形沟槽；第二工具，敷层的第二部分可以 在该第二工具上形成为Z形沟槽；以及第三工具，用于压缩限定J形梁上的外罩的敷层的第 三部分。根据另一个公开的实施例，提供一种用于制造复合J形梁的加工设备，该J形梁具 有底部凸缘、由腹板连接于底部凸缘的一对顶部凸缘、以及覆盖该顶部凸缘的外罩。该加工 设备包括第一工具，其具有用于预成型并模制所述底部凸缘的一部分、腹板和所述凸缘中 的一个凸缘的三个相邻表面；第二工具，其具有用于模制该底部凸缘的一部分、腹板和另一 个顶部凸缘的三个相邻工具表面，以及第三工具，其具有用于模制所述外罩的工具表面。用 于模制部分腹板的三个工具表面中的一个工具表面可以相对于水平面以大约25度和45度 之间的角度倾斜。当根据附图和权利要求来考虑时，本发明实施例的其他特征、好处和优点将通过 下面实施例的描述变得很清楚。
图1是示出用于制造复合J形梁的一种方法实施例的流程图。
图2是示出根据本发明实施例制造的复合J形梁的端视图。
图3是示出用于制造图2所示的J形梁的敷层的预成型部件的分解端视图。
图4是用于制造复合J形梁的一种工具的剖面图。
图5是在用于真空袋模制和固化敷层的组装工具中的敷层的剖面图示。
图6是图5所示的工具组件的等角投影图。
图7a-7h是示出用于制造复合J形梁的方法的剖面图。
图8是示出另一个方法实施例的步骤的流程图。
图9是飞行器制造和维修方法的流程图。
图10是飞行器的方块图。
具体实施例方式
首先参考图1-6，本发明的实施例涉及用于制造复合J形梁30(图2)的方法和工 具，该复合J形梁可以用于，例如但不限于，支撑诸如飞行器(未示出)等交通工具中的货 箱底板(未示出)。J形梁30也可以用于其他应用，例如但不限于下面列出的几种机身、 机翼、稳定器和控制表面蒙皮支撑件。如图2清楚地所示，该J形梁30广义地包括由中央 腹板36连接到单个底部凸缘34的顶部双凸缘32。该底部凸缘34通过半径35连接到腹板 36。该J形梁30可以根据应用具有任何长度，并且可以具有沿其长度改变尺寸的截面。例如，J形梁30可以具有变化的厚度或者具有沿其长度的可变标度。如图3所示，J形梁30可以由四种预成型的复合装料30a形成，这四种预成型的复 合装料30a组装成敷层30b，该敷层30b是真空袋模制的并且在工具组件55 (图5和图6) 中固化。复合装料30a中的每个可以包括由保持在树脂中的加强纤维的任意多种组合形成 的预浸料坯(prepreg)，所述树脂例如包括但不限于碳纤维环氧树脂。敷层30b包括U形 沟槽38、Z形沟槽40、外罩42和填充料44，所述填充料有时也被称为“面条(noodle)”。U 形沟槽38包括连接顶部和底部凸缘部分38b、38c的腹板部分38a。同样，Z形沟槽40包括 连接顶部和底部凸缘部分40b、40c的腹板部分40a。当贮存并放置在工具组件55中时，凸 缘部分38b、40b沿着相反的方向延伸并且基本上共面，同时凸缘部分38c、40c重叠，从而形 成J形梁40的底部凸缘34。腹板部分38a、40a并排堆叠以形成J形梁30的腹板36。填 充料44可以放置在可能存在于顶部凸缘部分38b、40b之间的任何间隙(未示出)中。外 罩42放置在上部凸缘部分38b、40b上并且一起形成J形梁30的顶部凸缘32。工具组件55广义地包括第一工具56、第二工具58和具有扁平的垫板形式的第三 工具60。该第一工具56的截面是大致矩形的并且包括三个相邻的扁平的工具表面56a、56b 和56c。工具表面56a和56b由半径拐角63连接，同时工具表面56b和56c由半径拐角67 连接。当组装成工具组件55的一部分时，第一工具56被设置在敷层30b的U形沟槽38部 分内并且因此提供工具表面56a、56b和56c，在模制工艺期间，敷层30b的三个对应的表面 向着工具表面56a、56b和56c压缩。第二工具58包括与Z形沟槽40 (图3)的形状相匹配的工具表面58a、58b、58c， 该工具表面形成Z形图案。工具表面58a和58b由半径拐角62连接，同时工具表面58b和 58c由半径拐角67连接。如果需要，工具表面58c可以终止在唇状物64中，该唇状物64用 作垫板60的支撑。工具58可以包括将工具组件55支撑在任何合适的表面(未示出)上 的扁平基座58d。工具表面58a、58b通过半径拐角62连接，重要的是确保实现敷层30b的 充分压实并且避免在固化期间形成敷层30b的桥接。为了在固化期间增大敷层30b在半径 拐角62的区域中的压实，工具表面58a、58b和58c可以被定向成使得该半径拐角62相对 于水平面置于底部凸缘34和腹板36的下面。这种取向通过相对于水平面以角度q>倾斜该 工具表面58b来实现，角度9可以在约25和45度之间。由于这个倾斜角度，在真空袋模制 工艺期间压实力分布成使得能够避免在半径拐角62处的预浸料坯的桥接，这反过来可以 避免在半径拐角62处的树脂不足。而且，作为倾斜角度的结果，重力可以帮助树脂流动到 半径拐角62的区域中。倾斜角度还导致在组装工艺期间重力对趋向于工具组55中的自行 定位(self-index)所述敷层30b的装料施加力，使得该敷层30b的半径区域35被向下吸 进第二工具58的半径拐角62中。垫板60的截面基本上是矩形的并且可以包括扁平的下部工具表面60a，该工具表 面支承并且压缩扁平的预成型装料42，该装料42支承上部凸缘38b、40b (图3)。半径拐角 65,67在外罩32和腹板36 (见图2和图3)之间产生对应的半径38d、40d。图1示出了利用图5所示的工具组55形成J形梁30的一种方法的步骤。现在具 体参考图1和图7a-7h，在步骤46，通过在第一工具56上预成型第一扁平的未固化的预浸 料坯复合装料38而使C形沟槽38成形。其次，在步骤48，第二扁平的未固化的预浸料坯复 合装料被放置在C形沟槽38上。如步骤50所示，通过在C形沟槽38的一端38c上形成第二扁平装料而制造敷层30b的下部梁凸缘34。在步骤52，通过在第二工具58的工具表面 58c上形成第二复合装料而制造一个上部梁凸缘40b。最后，利用工具组件55和真空袋技 术模制敷层30b，接着敷层30b在步骤55固化。利用常规的热形成技术可以执行装料30a 的形成，例如但不限于实施为在真空袋的条件下通过利用炉子、热灯或电热毯(未示出)对 装料30a加热。用于制造J形梁30的方法的另一个实施例示于图8，下面也将参考图7a_7h来描 述该实施例。在步骤74开始(图7a)，扁平的未固化的预浸料坯复合装料66被放置在第 一工具56的扁平工具表面56b上。之后，在步骤76形成该扁平装料66的端部或者该端部 被向下弯曲在工具表面56a、56c的侧面上，以形成凸缘部分38b、38c。开始的这两个步骤 74,76提供了用于形成C形沟槽38的工艺78。下面一系列步骤88将得到Z形沟槽40的 形成。在步骤80开始，可以包括合适的预浸料坯的第二扁平的未固化预浸料坯复合装料68 被放置在U形沟槽38的腹板部分38a上。第二复合装料68的一端68a悬于沟槽部分38b 之上，同时相对的边缘68b由扁平的工具70支撑，该工具70与第一工具56略微间隔开以 形成用于接收凸缘38c的间隙72。下一步，在步骤82，如图7d所示地形成第二装料68的 外边缘68a或者该外边缘68a向下弯曲在凸缘部分38b上，同时C形沟槽38仍被第一工具 56支撑。在步骤84，完全形成的U形沟槽38和部分形成的Z形沟槽36被放置在工具组件 55中，如图7e所示，其中敷层30b的腹板部分36以角度9 (见图4)保持，正如前面所描述 的，角度可以在大约25度和45度之间。在步骤86 (图7f)，外边缘68b被向下弯曲或形 成在工具表面56c上，从而制造Z形沟槽40的上部凸缘40b。下一步，在步骤90，如图7g所示，安装填充料44和外罩42，接着，如在步骤92 (图 7h)所示，垫板60被放置在外罩42之上。然后，在步骤94，利用例如但不限于常规的真空 制袋技术将压实压力施加于工具组件。然后，如步骤92所示，利用例如但不限于高压灭菌 器(未示出)使压实的敷层30b在工具组件55中固化。本发明的实施例可以用于各种潜在的应用中，特别是用于运输业，包括，例如，航 空航天和汽车应用。因此，现在参考图9和图10，本发明的实施例可以用于如图9所示的飞 行器制造和维修方法96以及图10所示的飞行器98的领域。本发明实施例的飞行器应用可 以包括，例如但不限于，复合加强构件，诸如列出以下几种机身蒙皮、机翼蒙皮、控制表面、 舱口、地板、门板、过道板和尾翼。在制造前的阶段中，示例性的方法96可以包括飞行器116 的规范和设计98以及材料采购100。在制造期间，进行飞行器98的部件和子组件制造102 以及系统集成104。其后，飞行器98可以通过鉴定并交付106以便投入使用108。在用户 使用中，飞行器98安排日常维护和维修110(这同样可以包括调整、重新配置、整修等)。方法96中的每个步骤可以由系统集成商、第三方和/或操作者(例如用户)来 执行或实施。为了这种描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数目的飞行器制造 商和主系统子承包商；第三方可以包括但不限于任何数目的销售商、子承包商以及供应商； 而操作者可以是航空公司、租赁公司、军事机构、维修单位等。如图10所示，由说明性方法96制造的飞行器98可以包括具有多个系统114的机 身112和内部116。高级系统114的示例包括一个或更多个推进系统118、电力系统122、 液压系统120以及环境系统124。可以包括任何数目的其他系统。虽然示出航空航天的示例，但是本发明的原理可以应用于诸如汽车产业等其他行业。本文所述的设备和方法可以在生产和维修方法96的任何一个或更多个阶段中采 用。例如，对应于生产步骤102的部件或子组件可以用类似于在使用中的飞行器116生产 的部件或子组件的方式生产或制造。同样，一个或更多个设备实施例、方法实施例或其组合 可以在生产阶段102和104期间使用，例如，通过明显加快飞行器96的装配或降低飞行器 96的成本而使用。同样，一个或更多个设备实施例、方法实施例或其组合可以在飞行器96 的使用中用于，例如但不限于维护和维修110。虽然已经参考特定的示例性实施例描述了本发明的实施例，但是应当理解具体的 实施例是用于说明目的而不是限制目的，因为对于本领域技术人员而言，可以进行其他变 化。
权利要求
一种制造具有J形截面的复合梁的方法，该方法包括如下步骤(A)通过在第一工具上形成第一复合装料而生产C形沟槽；(B)移动第二复合装料与在步骤(A)中生产的所述C形沟槽接触以形成敷层；(C)通过在所述C形沟槽的一端上形成所述第二复合装料的第一部分而在所述梁的一端上生产第一凸缘；(D)通过在第二工具上形成所述第二复合装料的第二部分而在所述梁的另一端上生产第二凸缘；(E)固化所述敷层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(A)包括在所述第一工具的相对侧上形成所 述第一复合装料的相对端。
3.根据权利要求1所述的方法，其中执行步骤(C)，同时将所述C形沟槽支撑在所述第一工具上。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤(F)组装所述敷层以及所述第一工具和第二工具。
5.根据权利要求4所述的方法，其中执行步骤(E)，同时所述敷层被保持在所述第一工 具和第二工具之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤(E)包括将所述敷层保持在所述第一工具和 第二工具中，使得所述J形梁的腹板相对于水平面以大约25度至45度之间的角度定向。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤 (F)在执行步骤(A)之前加热所述第一装料。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤 (F)在执行步骤(C)和(D)之前加热所述第二装料。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤(F)在执行步骤(D)之后，利用第三复合装料在所述第二凸缘上形成外罩。
10.一种由权利要求1所述方法制造的复合梁。
11.一种包括由权利要求1所述方法制造的复合梁的飞行器子组件。
12.利用权利要求1所述的制造方法制造车辆组件。
13.—种制造具有J形截面的复合梁的方法，该方法包括如下步骤(A)利用第一复合装料形成C形沟槽；(B)利用第二复合装料形成Z形沟槽；(C)在一组工具中组装所述C形沟槽和所述Z形沟槽，以形成J形梁敷层，该J形梁敷 层具有由腹板连接的外罩和底部凸缘；以及(D)将所述J形梁敷层放置在一组工具中，且所述腹板的平面以大约25度至45度之间 的角度从水平面倾斜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过在第一工具的相对侧上形成所述第一复合 装料的相对端而执行步骤(A)。
15.根据权利要求13所述的方法，其中通过如下步骤来执行步骤(B) 将所述第二装料放置在所述C形沟槽上，将所述第二装料的端部弯曲在步骤(A)中形成的所述C形沟槽的一端上，以形成所述底部凸缘，将所述第二装料的相对端弯曲在工具上。
16.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(A)和(B)包括加热所述第一装料和第二 装料。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤(E)在所述J形梁组件保持在该组工具中的同时固化所述J形梁敷层。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤(F)在所述J形梁敷层保持在该组工具中时压实所述J形梁敷层。
19.一种由权利要求13所述方法制造的复合梁。
20.一种包括由权利要求13所述方法制造的复合梁的飞行器子组件。
21.利用权利要求13所述的制造方法制造车辆组件。
22.一种制造复合J形梁的方法，包括如下步骤(A)利用第一工具预成型第一复合装料和一部分第二复合装料，包括将所述第一复合 装料的边缘弯曲在所述第一工具的相对侧上，并且将所述第二复合装料的一个边缘弯曲在 所述第一复合装料的一个弯曲边缘上(B)将在步骤(A)中预成型的所述第一装料和第二装料放置在所述第一工具和第二工 具之间；(C)利用所述第二工具预成型所述第二复合装料的另一部分；(D)在执行步骤(C)之后，将第三复合装料放置在所述第一复合装料和第二复合装料上；(E)在完成步骤(D)之后，使第三工具与所述第三复合装料接触；(F)将所述第一、第二和第三预成型复合装料与所述第一、第二和第三工具的组装后的 组合放置在真空袋中；(G)在所述袋中生成真空，以将所述第一、第二和第三预成型复合装料模制成所述梁；以及(H)在所述装料被保持在所述第一、第二和第三工具之间的同时固化模制后的所述梁。
23.一种用于制造复合J形梁的工具，该工具包括用于预成型和模制具有J形截面的复合敷层的配套的工具组件，该配套的工具组件包括(i)第一工具，所述敷层的第一部分可以在该第一工具上预成型为C形沟槽； ( )第二工具，所述敷层的第二部分可以在该第二工具上形成为Z形沟槽；以及 (iii)第三工具，其用于压缩限定所述J形梁上的外罩的所述敷层的第三部分。
24.根据权利要求23所述的工具，其中所述第一工具包括用于形成所述C形沟槽区段 并用于分别压缩所述C形沟槽的三个相邻表面的第一、第二和第三工具表面。
25.根据权利要求24所述的工具，其中所述第二工具具有三个相邻的工具表面，包括用于形成所述Z形沟槽的一部分的第一 工具表面，以及分别用于模制所述J形梁上的腹板和底部凸缘的第二工具表面和第三工具 表面，该第二工具表面和第三工具表面延伸横过彼此并且由半径部分连接，其中所述第二 工具表面和第三工具表面相对于水平面以大约25度至45度之间的角度设置，所述第二工具进一步包括支撑所述第一工具和第三工具的基座；并且所述第三工具包括用于模制所述外罩的工具表面。
全文摘要
三个简单的工具用于将复合敷层预成型和模制为J形梁。利用第一工具将第一复合装料预成型为C形沟槽，利用第一工具和第二工具将第二复合装料形成为Z形沟槽。将该C形沟槽和Z形沟槽铺设在第一工具和第二工具之间，接着添加预成型的复合外罩和第三工具以完成该敷层和工具组件。所述敷层可以利用真空制袋技术模制，并且随后在保持在工具组件中的同时被固化。
文档编号B29C33/00GK101855052SQ200880115901
公开日2010年10月6日 申请日期2008年10月16日 优先权日2007年11月14日
发明者C·V·格拉比斯, E·P·迪帕塞, G·C·曾克纳 申请人:波音公司