专利名称：复合构件和为此的工艺的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及复合构件及其生产工艺。更具体而言，本发明针对由多片预浸渍体制成且其形状包括平面内弯曲的复合构件，其示例为用于翼型件的翼梁缘条(spar cap) ο
背景技术：
复合技术的成熟已经增加了在各种各样的应用(包括但不限于翼型构件，诸如在风力涡轮机和飞行器发动机中使用的叶片)中使用复合材料的机会。历史上，用复合材料制造构件已经由减轻重量的愿望所驱动，而金属成本的提高也变为一些应用的驱动因素。复合材料一般包括嵌入基质材料中的纤维增强材料，如聚合物或陶瓷材料。增强材料用作复合材料的承载组分，同时基质材料保护增强材料、保持其纤维的定向并且用于使载荷消散到增强材料中。聚合物基质复合(PMC)材料典型地通过以树脂浸渍织物、而后通过固化来制成。在浸渍之前，织物可称为“干”织物，且典型地包括两个或更多个纤维层 (片或板)的堆叠。取决于所意图的应用和所使用的基质材料，纤维层可由各种各样的材料形成，其非限制性示例包括碳(例如，石墨)纤维、玻璃(例如，玻璃丝)纤维、聚合物(例如，Kevlar )纤维和陶瓷(例如，Nextel )纤维。图1示意性地示出作为在其中PMC材料得到使用的应用的非限制性示例的风力涡轮机10。涡轮10 —般包括转子叶片组件12，转子叶片组件12包括从轮毂16沿径向延伸的多个叶片14。轮毂16典型地连接到传动系(未示出)上，传动系又连接到容纳在安装于塔架20上的机舱18内的发电机上。图1中所表示的类型的涡轮的装置通常将包括控制系统，以监测和控制涡轮10的运行和性能，包括叶片14的桨距和速度。例如，叶片桨距可通过使叶片14绕着其变桨轴线旋转来控制。图1中所表示的类型的风力涡轮机的转子叶片组件通常非常大，直径在大约三十米或更大的数量级上。因此，叶片14和涡轮10的总体运行会受益于将叶片14制造成重量轻但坚硬的，且因此通常由PMC材料制成。图1中所表示的叶片14可具有各种各样的形状和/或构造。作为一个示例，图2 表示了具有“直的”构造的叶片14，使得整个叶片14及其翼展方向的轴线22大致处于涡轮转子叶片组件12的径向上。叶片14的翼展方向的轴线22与叶片变桨轴线M大致重合， 如本文所使用，叶片变桨轴线M为叶片14的扭转轴线，叶片14绕着该扭转轴线扭转。图3示意性地表示了具有扫掠(swept)或称斜掠构造的叶片14，如本文所使用，扫掠构造是指存在平面内弯曲，换言之，在平行于叶片14的宽度(翼弦)的平面内存在弯曲。 如图3中明显的那样，扫掠构造导致叶片14的翼展方向的轴线22的至少一部分离开叶片 14的变桨轴线M。图3中所表示的叶片14通常包括在其中跨附近的前掠和在其叶片末梢沈处的后掠，很类似于回旋标的形状。美国专利No. 7，344，360公开了这种叶片14。然而， 也存在在其中叶片14可仅具有后掠或仅具有前掠的扫掠构造。图3中所表示的类型的扫掠叶片构造提供了关于结构效率的显著益处。根据叶片14的特定构造及其扫掠，通过促使在风载荷下绕着其变桨轴线M扭转，叶片14能够减轻载荷，且从而最大限度地减小材料质量和成本。具体而言，在受到过大的载荷时，图3中的叶片14的扫掠构造能够通过结合叶片14的扭转和弯曲来使叶片14 “鼻部下降(nose down)”来减轻载荷。图4示意性地表示了图3的叶片14的截面。如所所表示的那样，叶片14包括成对的承载翼梁缘条观和30，其各自从其根部到其末梢沈几乎延伸叶片14的整个纵向长度(翼展)。叶片14的构造还包括介于翼梁缘条观和30之间且连接到翼梁缘条观和30 上的抗剪腹板32，以及限定叶片14的外部空气动力翼型形状的壳体34。图4中将壳体34 表示为包括两个部件，该两个部件各自包括内表皮36、外表皮38，以及它们之间的重量轻的芯体40 (或其它加强特征)。如图4中所表示的那样，翼梁缘条观和30还可夹在内表皮 36与外表皮38之间。翼梁缘条观和30以及抗剪腹板32用作用于提高叶片14的强度的结构部件，类似于工字梁。因此，由翼梁缘条观和30以及抗剪腹板32限定的工字梁典型地在叶片14中制造和安装成与叶片14的翼展方向的轴线22重合，使得翼梁缘条观和30 以及抗剪腹板32 —般具有与其安装在其中的叶片14大致相同的构造(例如，直的构造或扫掠构造)。此外，为了最大限度地减轻叶片14的重量，翼梁缘条观和30、抗剪腹板32以及表皮36和38典型地由PMC材料制成。例如，翼梁缘条28和30典型地由玻璃纤维增强的PMC材料构成，但趋势为由碳纤维增强的PMC材料制造出较大的叶片14，以节省重量和减小下游载荷。如果由PMC材料制成，则各个缘条观和30内的纤维增强材料优选包括在缘条观/30内定向成与缘条观/30的纵向长度平行的连续的纤维，这有助于有优化结构能力。因为风力涡轮叶片的大小、形状和重量是风力涡轮机的能量效率中的要素，故趋势为增加叶片的长度且优化其形状，同时最大限度地减轻重量。因为除非采用适合的措施， 增加的长度会增加重量，故风力涡轮叶片设计中的进步涉及减小用于制造叶片的复合材料的密度。然而，减轻的重量会带来叶片的结构完整性方面的挑战。在用于扫掠叶片设计(例如，图3的叶片14)中的风力叶片翼梁缘条(例如，图4的翼梁缘条观和30)的情况下，在制造具有宽度大于厚度(例如比率为大约10比1)的长方形截面的长的梁(例如，大约三十米至大约九十米)并且在其中限定在由其宽度限定的翼梁平面中的曲率(恒定或可变的) 时遇到关于重量和成本的显著挑战。PMC材料是否适于给定应用取决于该应用的结构要求以及制造具有所需几何形状的PMC制品的可行性。制造PMC翼梁缘条的习惯做法为树脂浸渍的玻璃纤维粗纱的湿法叠置或主要零度织造或针织的织物的树脂灌注。当叶片长度变得更长时，碳纤维增强的复合材料由于其优异的机械特性而变为优于玻璃纤维增强的复合材料。然而，如果由传统的玻璃纤维PMC工艺制造，则碳纤维PMC不产生最佳的组合特性。用于用碳纤维PMC材料制造风力涡轮机翼梁缘条的值得注意的替代工艺涉及使用多层“预浸渍体”，其典型地为在部分固化的聚合物基质材料(例如，热固性树脂，如环氧树脂)中包括增强材料(例如，连续的纤维)的带状的预成形件。用于PMC结构的预浸渍体可通过以树脂浸渍单独的层的单向连续非卷曲碳纤维来形成，以便产生大体二维的复合叠层结构。在浸渍之后，各个复合层压件典型地会经历聚合物基质材料的压紧、密化和局部固化(“B阶处理”)，以提供稳定性和合乎需要的粘结水平。所产生的预浸渍体可临时地储存到需要为止，在那时，多片预浸渍体堆叠在模具中，且压实以形成层压预成形件，该工艺称为“叠置”。在叠置之后，层压预成形件在模具内经历附加的压紧、密化和最终固化，以便形成期望的PMC构件，使得模具确定构件的最终几何形状。单独的层压件和产生的PMC构件的适合厚度取决于产生的复合结构的特定应用。上述用于制造碳纤维PMC构件的预浸渍工艺典型地需要使用诸如自动带叠置 (ATL)或自动纤维铺放(AFP)方法的生产方法。然而，现有的自动叠置机器不适应具有风力涡轮叶片所需的长度的PMC构件，且这种设备的资金成本可为极高的。因此，更常使用人工叠置方法来产生风力叶片翼梁缘条。即便如此，在用包含连续的纤维复合物制造PMC 翼梁缘条和其它长的PMC梁时，由于预浸渍体对平面内弯曲的阻力的原因会遇到较大的困难。尽管由叠置工艺最初形成为具有平直构造的一些PMC梁可容易地通过传统方法形成或成形为具有平面外弯曲(在垂直于梁宽度的平面内)，但硬的预浸渍体层压件会阻止顺应复合弯曲且具体而言顺应平面内弯曲，结果，在尝试制造具有如图3中所表示的类型的扫掠构造的叶片翼梁缘条时，复合结构内的单独的片往往会翘曲、起皱、弯折或以别的方式变得扭曲。因此，已经提出了各种解决方案来制造由PMC材料形成的扫掠式风力涡轮叶片， 通常意图在于避免或至少最大限度地减小翘曲和扭曲，但通常结果并不足够。
发明内容
本发明提供了复合构件，其可由多片预浸渍体制造成具有带平面内弯曲且可选地带平面外弯曲的形状，复合构件的非限制性示例为用于具有扫掠构造的翼型件的翼梁缘
^^ ο根据本发明的第一方面，一种用于制造复合构件的工艺包括形成多个预浸渍体， 各个预浸渍体均具有在部分固化的聚合物材料的基质中包含纤维增强材料的叠层结构。该多个预浸渍体被堆叠且然后被压紧来将该多个预浸渍体连结在一起来形成直的长形预成形件，该预成形件具有预成形件的纵向上的长度、预成形件的横向上的宽度，以及垂直于纵向和横向的方向上的厚度。长形形状的长度大于其宽度，而其宽度大于其厚度。然后，在包含预成形件的纵向和横向的平面内在预成形件中引起弯曲，以便产生扫掠构造。通过施加平行于预成形件的横向的力同时使预成形件经受低于聚合物材料的融化温度的温度，以便导致聚合物材料以蠕变率速度发生冷流来引起该弯曲，而不导致预成形件和其中的多个预浸渍体的翘曲或扭曲。然后，使聚合物材料完全固化，以产生复合构件以及保持其扫掠构造。本发明的另一方面为由上述工艺产生的复合构件。作为特定的示例，这种构件具有长形形状，该长形形状具有在复合构件的纵向上的长度、在复合构件的横向上的宽带和在垂直于纵向和横向的方向上的厚度。长形形状的长度大于其宽度，而其宽度大于其厚度。 该构件还包括在完全固化的聚合物材料的基质中包括多层连续的纤维材料的叠层结构。连续的纤维材料包括平行于长形形状的纵向定向的多条纤维。该构件的长形形状具有在包含长形形状的纵向和横向的平面内限定于其中的弯曲，以便限定复合构件的扫掠构造。在预成型阶段且因此在完全固化之前通过以蠕变率速度的冷流来引起该弯曲，而不导致长形形状及其中的连续的纤维材料的翘曲或扭曲。本发明的显著优点在于，能够产生具有足够的平面内弯曲且可选地还具有平面外弯曲的连续的纤维增强的复合构件，平面外弯曲通常将导致复合构件的翘曲和扭曲。根据本发明的优选的方面，该制造工艺利用通过叠置和压紧成堆的纤维增强的预浸渍体片而形成的预成形件且更具体而言在预成形件内的经B阶处理的(部分地固化的)热固性树脂的能力来以受控的方式以蠕变率速度冷流，以使得初始直的预成形件能够被成形以获得期望的平面内弯曲。根据以下详细描述，将更好理解本发明的其它方面和优点。
图1示意性地表示了根据现有技术且代表本发明的应用的风力涡轮机。图2和图3示意性地表示了具有如本领域中已知的类型的直的和扫掠的构造的风力涡轮叶片的平面图。图4示意性地表示了图3的风力涡轮叶片的截面图。图5示意性地表示了根据本发明的实施例的被对准以堆叠来产生适于用于制造扫掠叶片的预成形件的多个预浸渍体。图6示意性地表示了用图5的预浸渍体产生的预成形件。图7至图9表示了在根据本发明的实施例的用于在图6的预成形件内产生平面内弯曲的工艺中执行的步骤。图10和图11表示了根据本发明的附加实施例的用于在图6的预成形件内产生平面内弯曲的替代工艺。图12表示了根据本发明的实施例的用于在预成形件内产生平面内弯曲的又一替代工艺。
部件列表10涡轮12组件14叶片16轮毂18机舱20塔架22轴线24轴线26末梢28翼梁缘条30翼梁缘条32腹板34壳体36表皮38表皮40芯体50预浸渍体52预成形件54表面56表面58侧部60侧部62模型(i^rm)64模型66形状68基部70冲头72模型74模型76节段78预成形件80拼接部82边缘84边缘
具体实施例方式将参照图1的风力涡轮机10且具体而言参照图3和图4中所表示的类型的风力涡轮叶片14来描述本发明。更具体而言，将参照用于产生风力涡轮叶片的翼梁缘条(如图 4中所绘的翼梁缘条观和30)的PMC工艺来描述本发明。然而，本发明还非常适于制造基本上任何PMC构件且具体而言适于制造由单向(或主要为单向的)复合预成形件制成且具有高纵横比(长度远大于其最大截面尺寸)的PMC构件。其它值得注意的示例包括在飞机翼和直升机转子中发现的类型的任何工字梁的复合缘条，以及在范围较广的其它应用中使用的工字梁的复合缘条。参看图1和图3，可理解叶片14可具有高纵横比。叶片14的特定但非限制性示例为具有大于30米(例如为大约30米至90米)的长度、大约20cm至大约160cm的宽度，以及大约Icm至大约IOcm的厚度。此外且如图3的以上论述中所阐述，叶片14具有扫掠构造，从而导致叶片14的翼展方向的轴线22的至少一部分与叶片的变桨轴线M不重合。叶片14的扫掠被表示为包括在叶片14的中跨的附近的前掠和在其叶片末梢沈处的逐渐增大的后掠，但其它扫掠构造也处于本发明的范围内，包括仅存在后掠或仅存在前掠。除对应于图3中明显的扫掠构造的平面内弯曲之外，叶片14还可具有平面外弯曲(垂直于图3中可见的弯曲)。最后，叶片14可构造成类似于图4中所示的叶片，且因此包括一对承载翼梁缘条28和30、在翼梁缘条28与30之间且连接翼梁缘条28和30的抗剪腹板32，以及限定叶片14的外部空气动力翼型形状的壳体34。叶片14的其它方面(包括其构造)、在风力涡轮机10中的安装和涡轮10的运行参照图1至图4来进行了论述，或在本领域中是以别的方式已知的，且因此将不在这里在任何细节方面进行论述。如前面参照图4所述，翼梁缘条观和30在叶片14的翼展方向的轴线22的附近、 沿着叶片14的翼展方向的轴线22或优选地与叶片14的翼展方向的轴线22重合地定位， 且大体沿着叶片14的几乎整个纵向长度(翼展)从其根部延伸至其末梢沈。因此，各个翼梁缘条观和30必须沿着其长度具有弯曲。此外，这种弯曲优选地对应于叶片14的弯曲， 这导致叶片14有期望的扫掠构造。因为翼梁缘条观和30用作结构部件以提高叶片14的强度和刚度，同时最低程度地增加叶片14的重量，所以翼梁缘条观和30优选由在聚合物基质材料内包括纤维增强材料的PMC材料制成。如本文所使用，术语“纤维”可为单独的细丝或一束细丝(丝束)。纤维增强材料优选为连续的纤维，且至少一些(如果不是基本上所有)纤维优选地在各个翼梁缘条观和30内定向成与缘条观或30的纵向轴线平行，且因此也大致平行于叶片14的翼展方向的轴线22。包括设置成横向于其它纤维的纤维的附加纤维可置于翼梁缘条观和 30内的战略性位置处以增强和/或稳定纤维构造并且/或者提高翼梁缘条观和30的刚度。在所有情况中，可在翼梁缘条观和30内的选定位置处提供附加的纤维，以便总体上满足缘条观和30以及叶片14的厚度、刚度和强度要求。用作翼梁缘条观和30的增强材料的优选的连续的纤维包括碳(例如，石墨)纤维。然而，使用其它或附加的纤维材料也处于本发明的范围内，例如，玻璃(例如，玻璃丝)和芳族聚酰胺(例如，Kevlar )纤维。鉴于纤维增强材料用作PMC材料和由PMC材料形成的翼梁缘条28和30的承载组分，故聚合物基质材料保护增强材料、保持其纤维的定向且用于使载荷消散至增强材料上。 基质材料还会增加翼梁缘条观和30的结构强度和其它物理特性，且因此用于形成基质的树脂将具有适于所意图的应用的机械特性和物理特性。此外，树脂应当在组成方面与纤维增强材料一致且能够在将不使纤维增强材料热退化或以另外的方式不利于纤维增强材料的温度条件下固化。在此基础上，热固性树脂(最值得注意地环氧树脂)是特别适于用作翼梁缘条观和30的基质材料的树脂材料。然而，使用其它聚合物材料也处于本发明的范围内，例如，聚酯和乙烯基酯热固性树脂以及许多热塑性树脂，包括尼龙、聚乙烯、聚丙烯等。如图5和图6中所绘，用于制造翼梁缘条观和30的优选实施例涉及使用多个预浸渍体50，其各自以包括增强材料和处于部分固化状态的聚合物基质材料的类似板、片或带的预成形件的形式。预浸渍体50可通过用树脂浸渍单独的纤维(如单向连续非卷曲纤维)层来形成，以产生大体二维的复合叠层结构。在浸渍之后，各个复合层压件典型地经历聚合物基质材料的压紧、密化和局部固化(“B阶处理”)来为预浸渍体50提供稳定性和合乎需要的粘结水平。获得翼梁缘条观或30 (或其它复合构件)的期望厚度所需的单独的预浸渍体50的适合厚度和预浸渍体50的数目将取决于将产生的复合构件的具体应用。然后，通过在模具(未示出)中叠置和压实多片或多层预浸渍体50来形成层压预成形件52 (图6)。包括人工叠置、自动带叠置(ATL)和自动纤维铺放(AFP)方法的典型叠置工艺、包括真空装袋的典型压紧和密化工艺，以及使树脂部分地固化的典型B阶处理工艺都是本领域中公知的，且因此将不在这里在任何细节方面进行论述。在叠置和压实工艺完成时，预成形件52内的且纤维嵌入于其中的聚合物基质材料并未完全固化，而替代地仅部分地固化。这时，预成形件52可具有平直的长形形状，如图6中大体表示的那样。在本发明的优选实施例中，预成形件52具有类似于图6中所表示的形状的平直的长形形状。预成形件52具有大致等于或大于翼梁观或30的期望长度的长度(L)，以及大致等于翼梁观或30的期望的宽度和厚度的宽度(W)和厚度(t)。如前文所提到，在叠置工艺之后，预成形件52的聚合物基质材料并未完全固化，而替代地仅部分地固化。在叠置之后，层压预成形件52可经历附加的压紧和/或密化，如通过真空装袋，但是与现有技术的工艺相反，并未经历最终固化。替代地，预成形件52被传递至适于在预成形件52中引起平面内弯曲的设备中，以便大致获得翼梁缘条观或30的期望的最终形状。图7至图9中将一个这种方法表示为使用成对的刚性模型62和64，对预成形件52的任一纵向侧部58和60 使用一个。刚性模型62和64中的每个均具有与预成形件52的对应的侧部58或60所期望的弯曲重合的纵向形状，使得模型62和64协作以确定缘条观和30的最终几何形状。如从图7至图9中明显的那样，模型62和64定位成施加对于预成形件52为平面内的力，换言之，平行于预成形件52的相对的纵向侧部58和60之间的预成形件52的宽度方向的平面内的表面讨和56，且因此横向于预成形件52的纵长方向。尽管原来结合到预浸渍体50中且随后平行于预成形件52的纵长方向定向的连续的纤维增强材料对于使预成形件52形成或成形为具有平面外弯曲(在垂直于预成形件52的平面内表面M和56的平面内)造成相对较小的阻力，但由于其对平面内变形的阻力的原因，在试图在长的预成形件52中引起平面内弯曲时硬的预浸渍体50及其增强材料会产生困难，在试图制造用于中所表示的类型的扫掠叶片14的翼梁缘条观和30时有可能发生翘曲、起皱、弯折和其它形式的扭曲。然而，针对本发明的研究已经确定，如果在预成形件52仍处于部分固化状态时施加平面内变形力，以及如果以蠕变率速度施加变形力使得部分固化的聚合物基质材料在预成形件52内冷流，则可克服对平面内变形的这种阻力。在此方面，预成形件52优选地未加热至聚合物基质材料熔化且变为液体的程度，因为这样做将导致片(预浸渍体)水平处和整个预成形件52的纤维组织、直度和圆柱度的严重扭曲和失控。替代地，本发明依靠由部分固化的(经B阶处理的)聚合物基质材料提供的稳定性以在预成形件52中在引起弯曲期间维持次序。因此，优选地执行预成形件52的任何加热以在预成形件52内维持足够低于聚合物基质材料的熔点的温度，以避免聚合物基质液化。鉴于上文，预成形件52优选地利用模型62和64以适当水平的热和真空(如果需要或期望的话)来压紧，且由模型62和64施加变形力来非常缓慢地改变预成形件52的形状，从而产生图9中所示的长形形状66。该工艺优选地为足够缓慢的，以便允许成形的应力通过部分固化的聚合物基质材料的冷流而减轻为永久性的但无害的剪切应变。剪切应力保持低于这样的阈值在该阈值处将会发生翘曲或弯折或任何平面外扭曲。可被调节以在预成形件52内维持可接受的应力水平的适合的蠕变率速度可根据经验来确定或通过来自预成形件52上或预成形件52中的传感器(未示出)的反馈来控制。取决于预成形件52的材料和构造，各种各样的蠕变率速度被认为是可行和有效的。用于将变形力经由模型62和 64施加到预成形件52上的机构可为气压操作的、液压操作的、弹簧操作的和/或气囊操作的，以及采用能够以适合的速率、在适合的温度下和以适合的顺序施加适合的力的任何其它促动器来引起期望的平面内弯曲而不在预成形件52中造成任何不合需要的扭曲。然后， 产生的长形形状66(图9)可经历完成所意图的翼梁缘条观或30 (或任何其它期望的PMC 构件)的制造可能需要或期望的任何进一步处理。预成形件52在不翘曲的情况下对应力的容忍可通过增大预成形件的厚度(t)来显著地增大。因此，图7至图9中所绘的变形工艺优选地在其厚度大致为翼梁缘条观或30 的期望厚度的预成形件52上执行，这与在单个预浸渍体50上执行是相对的。尽管该工艺优选地在处于完整厚度(t)的预成形件52上执行，但可预见的是，该工艺可在由其组合厚度小于翼梁缘条28或30的期望厚度的成堆的预浸渍体50 (模块)形成的部分预成形件上执行。然后，所产生的部分预成形件可与由相同方式产生的其它部分预成形件组装在一起以及连结或以别的方式附连到其它部分预成形件上来形成最终形状66，且最后形成所意图的翼梁缘条28或30或任何其它期望的PMC构件。图10为图7至图9的预成形件52以及模型62和64的截面图，其示出了这样的附加构件可采用这些附加构件来促进力的分布，以及最大限度地减小预成形件52经受局部变平、变窄、挤压和/或其它形式的扭曲的趋势。在图10中，预成形件52抵靠在柔性的基部68上，且可选地经受由冲头70施加的相反压力。在一些实施例中，冲头70可定形并且施加力以在最终形状66中产生平面外弯曲，且因此在所意图的翼梁缘条观或30或任何其它所期望的PMC构件中产生平面外弯曲。图11中所表示的替代方法使用一对非刚性柔性模型72和74，对预成形件52的任一纵向侧部58和60使用一个。各个柔性模型72和74足够柔韧，以便使其面对预成形件 52的内缘能够获得与预成形件52的对应的侧部58或60所期望的弯曲重合的纵向形状，使得模型72和74协作以确定长形形状66的最终几何形状。柔性模型72和74的益处在于， 能够扩散使预成形件52变形所需的力，同时还允许产生具有不同曲率的最终预成形件66。 可通过促动机构(未示出)来使柔性模型72和74弹性地变形，例如，一系列模板、凸轮或计算机控制的装置，以便获得所期望的纵向形状。正如图7至图10的前述实施例，在预成形件52的聚合物基质材料仍处于部分固化状态时执行图11中所表示的变形工艺，且以蠕变率速度施加变形力，使得部分固化的聚合物基质材料在预成形件52内冷流。在上文参照图5至图11所论述的实施例中，预成形件52已经被描述为以其整体来限定翼梁缘条观或30，使得预成形件52中引起的平面内弯曲以其整体来限定长形形状 66的平面内弯曲。图12表示了替代实施例，其中产生了多个平直预成形件节段76，并且它们被用以产生翼梁缘条观或30或另一个期望的PMC构件。节段76端对端地布置，且利用对接接头拼接部80彼此固定以形成分段式预成形件78，分段式预成形件78的纵向边缘82 和84接近于PMC构件所期望的平面内弯曲。因此，分段式预成形件76以其整体来限定PMC 构件，同时多个预成形件节段76以其整体来限定构件的扫掠构造。可预见的是，分段式预成形件76可经历进一步成形，以便限定根据图7至图11中所示的任一实施例的更均勻的平面内弯曲。在上述实施例中的每个中，可希望预成形件52被叠置以包含一些预浸渍体50，这些预浸渍体50的增强材料相对于用于形成预成形件52的其它预浸渍体50的增强材料是偏离轴线的(高达90度)。替代地，具有偏离轴线的增强材料的干织物或带可结合到预成形件52中。在任一情况下，可采用偏离轴线的增强材料来促进预成形件52的横向刚度，以及防止预成形件52在变形工艺期间变窄。这些附加的层或片的增强材料可为类似于针对预浸渍体50所描述的连续纤维的连续纤维，或可为任意的垫子或织造或针织织物中的斩断的或连续的纤维，这些织物设计成在提高横向刚度的同时不显著地提高预成形件52的平面内抗剪刚度，以免阻止在预成形件52中引起弯曲。尽管已经在特定的实施例方面描述了本发明，但显而易见的是，本领域的技术人员可采用其它形式。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种制造复合构件08，30)以具有扫掠构造的工艺，所述工艺包括形成多个预浸渍体(50)，每个预浸渍体(50)均具有在部分固化的聚合物材料的基质中包含纤维增强材料的叠层结构；堆叠所述多个预浸渍体(50)；压紧所述多个预浸渍体(50)以将所述多个预浸渍体(50)连结在一起以形成直的长形预成形件(52)，所述预成形件(5 具有在所述预成形件(5 的纵向上的长度、在所述预成形件(5 的横向上的宽度和在垂直于所述纵向和所述横向的方向上的厚度，其中，所述长度大于所述宽度，而所述宽度大于所述厚度；在包含所述预成形件(5 的纵向和横向的平面内在所述预成形件(5 中引起平面内弯曲，以便形成扫掠构造，所述引起步骤包括施加平行于所述预成形件(5 的横向的力同时使所述预成形件(5 经受低于所述聚合物材料的熔化温度的温度，以便促使所述聚合物材料以蠕变率速度冷流，而不促使所述预成形件(5 和其中的所述多个预浸渍体 (50)翘曲或扭曲；并且然后使所述聚合物材料完全固化，以产生所述复合构件( ，30)并且保持其扫掠构造。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在所述引起步骤期间施加的所述力由第一和第二刚性模型(62，64)施加，所述第一和第二刚性模型(62，64)具有与在所述预成形件(5 中引起的所述平面内弯曲相重合的刚性轮廓并且被带到与所述预成形件(5 的相对的纵向边缘(58，60)相接触。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括至少用第一柔性模型 (68)来接触和约束设置在所述预成形件(5 的所述相对的纵向边缘(58，60)之间的所述预成形件(5 的至少一个表面(54，56)，以便在所述引起步骤期间抑制所述预成形件(52) 中的平面外扭曲。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在所述引起步骤期间施加的所述力由第一和第二柔性轨道(72，74)施加，所述第一和第二柔性轨道(72，74)被带到与所述预成形件(5 的纵向边缘(58，60)相接触并且然后在所述横向上被弹性地扭曲以在所述预成形件(52)中引起所述平面内弯曲。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述预成形件(5 以其整体来限定所述复合构件08，30)，而在所述预成形件(5 中引起的所述平面内弯曲以其整体来限定所述扫掠构造。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述复合构件( ，30)为翼型件(14)的翼梁缘条(28,30).
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括将所述翼梁缘条( ，30) 和第二翼梁缘条( ，30)连结到抗剪腹板(32)以形成工字梁结构，和然后将所述工字梁结构安装在所述翼型件(14)中。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述翼型件(14)为风力涡轮叶片(14)， 所述复合构件08，30)的长度为其宽度的至少十倍，而所述复合构件08，30)的宽度为其厚度的至少十倍。
9.一种由根据权利要求1至8中的任一项所述的工艺制造的复合构件( ，30)。
10.一种具有扫掠构造的复合构件08，30)，所述复合构件( ，30)包括长形形状(66)，其具有在所述复合构件( ，30)的纵向上的长度、在所述复合构件( ，30)的横向上的宽度和在垂直于所述纵向和所述横向的方向上的厚度，其中，所述长度大于所述宽度，而所述宽度大于所述厚度；和在完全固化的聚合物材料的基质中包括多层连续的纤维材料的叠层结构，其中，所述连续的纤维材料包括平行于所述长形形状(66)的纵向定向的多条纤维，其特征在于平面内弯曲在包含所述长形形状(66)的纵向和横向的平面内限定在所述长形形状 (66)中，以便限定所述复合构件O8，30)的扫掠构造，所述平面内弯曲由以蠕变率速度的冷流引起，而不导致所述长形形状(66)的和其中的所述连续的纤维材料的翘曲或扭曲。
全文摘要
本发明涉及复合构件和为此的工艺。复合构件制造成具有带平面内弯曲的形状，例如，用于具有扫掠构造的翼型件的翼梁缘条。用于制造该构件的工艺包括形成预浸渍体以具有在部分固化的聚合物材料的基质中包含纤维增强材料的叠层结构。预浸渍体被堆叠和连结在一起以形成直的长形预成形件。然后，在包含预成形件的纵向和横向的平面内在预成形件中引起平面内弯曲，以便形成扫掠构造。通过在预成形件处于低于聚合物材料的熔化温度的温度时施加平行于预成形件的横向的力使得聚合物材料冷流来引起平面内弯曲。然后，聚合物材料完全固化以产生复合构件。
文档编号B29C70/54GK102442002SQ20111032107
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者H·D·德里弗, J·T·利文斯顿 申请人:通用电气公司