实现优化的固化结构的高级多栅热源及其制造方法与流程

本公开的实施方式总体上涉及固化复合结构的领域，并且更具体地涉及采用加热器阵列的方法和系统，该加热器阵列响应于安装在结构上的选定位置处的温度传感器而被控制，以便在固化过程中在结构上建立期望的温度分布。

背景技术：

随着结构变得更加复杂，在制造诸如机翼、机身、控制面蒙皮面板的复合结构时保持部件质量和程序关键比率要求成为持续的挑战。通常采用的高压釜固化不能在不均匀的复合结构上提供均匀的温度分布，并且在某些情况下不能根据工厂或现场维修的需要改变温度分布。因此，不同的复合截面轮廓在经受基本相同的加温分布时会以不同的比率积聚热量。因此其制造过程在流程时间内不是有效的并且会导致诸如产生烧坏部分或低于预期的部件固化的问题。固化过程效率也会受到影响，并且由于变化的温度分布导致的固化面板的不同位置的过热会致使面板的一些部分达到过高温度太长时间，从而很可能使得那个区域达到低于预期的固化。

类似飞机、航天飞船、海军舰艇和汽车的产品包含数百个单独的面板或其他结构元件。形成这些部件是一个具有许多步骤的很长的过程，这些步骤包括板层的铺设(lay up)和真空袋成型(vacuum bagging)，将真空装袋的部件插入在高压釜中并且固化，其中温度升高至固化温度(～300华氏度)并且保持恒定3个小时，然后逐渐降低。在示例性过程中，总的固化周期可以是大约5小时。由于热量进入复合结构面板的拐角和边缘比进入面板的中央更快并且由于从面板的一端至另一端的结构上的变化，使得温度分布在高压釜内部的面板的不同位置处可以改变。固化的面板的变化不限于变化的板层数量和/或厚度、芯部构造以及支撑结构的构造。此外，在大部分过程中，在高压釜的内部保持约95psi的恒定压力。另外，垫板(caul plate)的安装和去除被用于面板(诸如但不限于具有桁条的蒙皮面板)，以确保保持稳定结构所必需的刚度。对于其他结构，其他类型的加强件被用于在固化过程中稳定结构。这些步骤中的每个步骤均可能出现失误，从而导致低于预期的结果。

固化的部件的加热通过利用空气从烘箱的前(门)端至后端的流动而在高压釜中重新循环的热空气来实现。复合部件的加热经由穿过垫片和穿过工具面片的传导而发生。垫板和工具面片的加热主要是经由对流。因此，期望气流在对部件的热传递上具有显著的影响。高压釜处理的气流模型表明空气主要流过中央并且在下游向上转移。考虑到气流的差异和部件周围的蒙皮计量(gages)，温度和加热/冷却比率趋向于在筒状物上从上到下和从前到后是不同的。此外，一些位置是领先的(leading)(非常接近空气温度)，并且其他位置是落后的(lagging)(低于(lag)空气温度)。通常，暴露于直接的气流的更薄的部件和工具趋向于是领先的，并且远离气流的更厚的部件和工具趋向于是落后的。

在大部分的现有技术处理中，许多这些步骤是通过技术人员进行的。这些劳动力密集的处理成本很高。

因此，期望提供这样的方法和系统，该方法和系统通过识别领先的区域和落后的区域以及它们的温度和它们的加热和冷却比率的能力确保均匀固化复合结构。还期望通过自动化来减少成本。

技术实现要素：

本文中公开的实施方式提供一种复合结构固化系统，该复合结构固化系统采用多个加热器，该多个加热器以间隔的方式安装成接近待固化的复合结构的至少一个阵列。多个温度传感器安装成感测在复合结构上的选定位置处的温度。控制系统接收来自多个温度传感器中的每个温度传感器的输入并且适于响应于每个输入控制多个加热器中的每个加热器，以在固化过程中在复合结构上建立预定温度分布。

该实施方式允许执行用于控制复合结构的固化温度的方法，其中从多个加热器施加热量。感测在不均匀的复合结构上的多个位置处施加的热量，并且响应于多个温度传感器控制对多个加热器中的每个加热器供应的动力。

已讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各个实施方式中单独实现，或者可以结合在其他实施方式中，可以参考以下描述和附图来了解本公开的更多细节。

附图说明

图1A是实施方式中使用的示例性加热器阵列的顶部绘图；

图1B是表明阵列的三维特征的示例性加热器阵列的侧面绘图；

图2是表明阵列的三维特征的压力室内的示例性加热器阵列的侧面绘图；

图3A是具有嵌入的纤维的复合面板以及纤维和阵列中的加热器元件之间的关系的示意图，其中控制系统监控温度传感器以控制阵列中的各个加热器元件；

图3B是复合面板中使用的示例性形状记忆合金(SMA)纤维的截面，其中可以采用纤维内的导体(conductors)来传输来自温度传感器的信号；

图3C是具有穿插有结构纤维的SMA纤维的复合结构的顶部绘图；

图4A是具有压力控制阀的压力室的第一示例性构造的绘图；

图4B是具有多个控制阀的压力室的第二示例性构造的绘图；

图4C是用于维修的压力室的示例性构造的绘图；

图5A-图5E是用于控制加热器阵列的实施方式的操作方法的流程图；

图6是描述可以采用所公开的实施方式的飞机制造和保养方法的流程图；并且

图7是描述可以采用所公开的实施方式的飞机的流程图。

具体实施方式

本文中公开的实施方式提供以下系统，该系统结合布置成一个或多个阵列的多个热源，以控制可在结构的不同位置处变化的复合结构的温度。复合结构可以是例如，纤维增强复合蒙皮面板或类似的结构。可能由于结构的不均匀的构造或均匀结构中的环境考虑因素而需要温度控制。控制系统监测分散在复合结构上或复合结构中的温度传感器。

控制系统可以采用反馈回路以增加或减少由每个热源提供的热量，以控制在固化过程中需要不同的温度的不同位置处的复合结构的固化温度。这个系统具有多个应用：可以采用该系统制造特定的复合面板；可以使用该系统实现结构的维修，其中维修区域需要不同的固化温度并且周围结构将处于不同的温度下；并且可以将该系统用于包含SMA或“智能纤维(smart fibers)”的混合结构，其中智能纤维的变形可以利用成阵列的热源来控制。(多个热源的好处是智能纤维可以根据在不同的位置的结构需要利用不同温度进行固化。)

参照附图，图1A和图1B示出热板10的实例，在图1A中从上或者从下示出并且在图1B中从侧面示出，其在基板14上具有布置成阵列的多个热源12。基板14可以是刚性的，以自支撑待固化的相邻的结构，或者可以是柔性的(如在加热毯(heat blanket)中)，以应用在结构的表面上。作为实例，热源可以是电阻加热器、红外辐射加热器或微波加热器(可以采用基座(susceptors，衬托器))。热源可以是串联或并并联连接的，以用于对热输出进行单独控制或多重控制。对于所示的实例，阵列具有不均匀的间隔，其可以基于待固化的特定结构或部件的需要产生。一般情况下可以采用具有均匀间隔的阵列。

图2示出布置在压力室40内的热板10的侧视图。基板14的轮廓(如先前示出的和根据图1B描述的)可以是平坦的或三维的并且适于将热板10放置成紧邻具有相适应的形状的不均匀的复合结构16。保持热板10与结构16的恒定的间隔可以增强对固化结构的热量传递的控制。压力室40的使用允许压力在固化周期过程中施加至被固化的结构，随后将对其进行更详细地描述。

图3A示意性地示出具有多个纤维18的示例性复合结构16。在实际的实施方式中，复合结构16可具有多个板层的碳纤维增强塑料(CFRP)并且可以采用热固树脂和热塑树脂或者其他复合材料，并且除结构纤维之外还可以将金属纤维或SMA纤维结合在板层内，如随后将更详细地描述的。具有相关联的热源12的阵列的两个加热器板10与复合结构16相邻布置。多个温度传感器20与复合结构16相关联。传感器可以放置在结构上或者集成在结构内。每个温度传感器20利用合适的信号输入24连接至控制系统22。控制系统22通过合适的控制输出26连接至加热器板10上的热源12。每个温度传感器20提供复合结构的一个纤维18或区域的温度。控制系统将输出提供至加热器板10中的各个热源12，以控制施加至每个单独的纤维18或区域的热量(如由箭头28表示)。热源12和纤维18以及温度传感器20的位置和数量以及它们的定位在图3A中的特定表示仅仅是概念上的描绘，以表明系统中的元件的关联，并且实际数量和关系将根据固化的复合结构16的需要而变化。例如，多个热源可以与单个纤维18相关联(例如沿着纤维的长度)，或者一个热源可以与多个纤维相关联。一个温度传感器20可以与多个纤维18相关联并且提供输入以控制多个热源12。

在完成复合结构16的固化周期之后(或者在固化周期过程中周期性地)，控制系统22将输出提供至用户界面23。用户界面可以与控制系统22形成整体或者在远程位置处。在典型的实施方式中，提供至用户界面23的输出是提供二进制(是/否)输出的数据结构，以指示表面是否满足要求(保持在容差以内的固化周期)。在一些实施方式中，对表面没能满足要求(诸如超出预期范围的温度剧增)的一种方式或几种方式的记录可以作为输出提供。输出可以另外以时序提供用于所有温度传感器20和热源12的信息。输出的细节随着应用而变化并且可以根据用户喜好而调整。

复合结构16可以包括SMA纤维作为纤维18的一部分。可以采用诸如面板的复合结构中的SMA纤维作为“智能纤维”，以基于温度或其他激活作用改变面板的形状。如在图3B中所见，SMA纤维30可以采用SMA材料的外层32、同心绝缘层34以及集成在纤维内的一个或多个导体36。如在图3C中所见，在复合结构16中，多个SMA纤维30中可以穿插有碳纤维19(或其他结构纤维)。在如上所述的复合结构16的固化中，可以通过控制系统22实现对热源12的阵列的控制，以使得对一个或多个SMA纤维30选择性加热，从而使得纤维在固化过程中偏转或改变形状。这些形状的“变形(morphing)”可以通过在固化周期过程中调整面板的形状而额外地有助于复合结构的固化。另外，可以采用集成的导体36(如图3B中所见)通过信号输入24将安装在复合结构16中或复合结构上的温度传感器20电连接至控制系统22(如通过一个SMA纤维示例性地示出的)。

复合结构16的固化也可以采用压力室，以利于或增强固化。如在图4A中所见，压力室40接收复合结构16，其中加热器板10安装在室中。可以采用单个可控压力阀42用于通过引入加压空气或惰性气体而按照固化过程所要求的来控制室中的压力。可控压力阀42可以是结合的入口和出口阀，或者可以采用单独的阀用于入口和出口，并且单独的阀可以在压力室40上定位在相对的位置处或者在有利于在如插入室40中的复合结构16上的特定流动路径的位置处。可控压力阀42可以连接至控制系统22(如在图3A和图4A中通过连接43示出的)，以在固化周期中的热板10的操作过程中协调控制室40中的预定压力分布。

可替换地，多个可控压力阀44可以定位成一个或多个阵列，以用于压力室40的加压气体的入口和出口，以在复合结构16的各个部分上建立预期的压力，该复合结构利用袋46密封，该袋中具有将室内的复合结构16的部分隔离的内部压力密封件48，如图4B所示。在某些实施方式中，袋46足以充当压力室，并且不需要辅助的硬结构的压力室。在袋46外的室40内的压力也可以通过压力控制阀44中的一个来控制。如同根据图4A描述的单个可控压力阀42，可以连接控制系统22以控制可控压力阀44(如在图3A和图4B中通过连接43示出的)。可控压力阀44可以直接连接至袋46或者可以与通道管和端口47相连接。可以采用压力传感器将压力数据提供至控制系统22以控制多个压力控制阀。

对于维修过程，可以采用袋46将复合结构16密封在原处，其中密封件52围绕周边，可具有或者不具有附带的压力罩50，如在图4C中所见。虽然根据本文中的图4A、图4B和图4C描述为正压力，但是在某些实施方式中，施加的压力可以是真空(净负压力)。

公开的实施方式允许执行控制复合材料的固化温度的方法，其中热量在固化周期的一个或多个阶段中从多个加热器施加，如图5A-5D所示。感测在复合结构上多个位置处的施加热量，并且响应于多个温度传感器控制对多个加热器中的每个加热器供应的动力。

如在图5A中所见，步骤502，将多个设置的纤维铺设在复合结构中。需要使用本文中公开的实施方式的复合结构通常是不均匀的。然而，在以下情况下均匀结构也可以采用该实施方式，即环境条件或其他要求建议使用由所公开的系统和方法提供的可控加热。多个设置的纤维可以包括形状记忆合金纤维，并且温度传感器可以通过相关联的形状记忆合金纤维中的导电元件连接至控制器。步骤504，将多个温度传感器安装至复合结构，使每个传感器与设置的纤维中的一个纤维相关联。在采用SMA纤维的结构中，温度传感器可以与SMA纤维相关联，如先前描述的。步骤506，将多个加热器安装成接近不均匀的复合结构的并具有预定间隔的至少一个阵列。在示例性实施方式中，加热器可以是电阻加热器、红外辐射加热器或采用速调管供电的微波加热器(还可以采用基座)。步骤508，将不均匀的复合结构放入压力室中，以及步骤510，响应于不均匀的复合结构16的固化周期的预定要求来控制室40中的压力。压力室40可以结合至少一个可控压力阀42或多个可控压力阀44，并且在步骤510内控制压力可以通过响应于预定分布控制多个可控压力阀44中的每个可控压力阀来实现。如先前参照图4B描述的，袋46可以结合在压力室40内的复合结构16周围，或者可以在不需要硬结构的压力室的情况下充当压力室。

总体标记为512的固化周期随后在步骤514中通过使温度开始升高以进行固化来实现。步骤516，从多个温度传感器中的每个温度传感器确定温度读数。步骤518，如果可适用的话，则可以通过在控制系统中的计算将表面温度读数转变成内部板层温度，以提供内部板层温度分布。步骤520，确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否已经达到温度阈值。

步骤522，如果没有，则保持对与还没有达到温度阈值的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的每个加热器供应动力，并且进行计算以确定对加热器供应的动力是否使得温度升高小于每分钟1°F。步骤524，如果是这样的话，则增加对加热器供应的动力。步骤526，如果不是，则进行计算以确定对加热器供应的动力是否使得温度升高大于每分钟5°F。步骤528，如果是这样的话，则减少对加热器供应的动力。步骤530，在已经达到阈值温度时，则进入暂停(dwell)周期。步骤532，在暂停周期过程中，确定来自多个温度传感器20中的每个温度传感器的温度读数。步骤534，如果可适用的话，则可以通过控制系统中的计算将表面温度读数转变成内部板层温度。步骤536，确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否保持温度阈值，以及步骤538，增加对于与还没有保持温度阈值的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。在步骤540中暂停时间终止时，则在步骤542中进入冷却阶段。

步骤544，温度开始下降并且确定来自多个温度传感器中的每个温度传感器的温度读数。步骤546，如果可适用的话，则可以通过控制系统中的计算将表面温度读数转变成内部板层温度。步骤548，确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否已经达到温度下降速率，以及步骤550，减少对与还没有达到温度下降速率的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。步骤552，确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否已经达到温度截止点(cutoff)，并且在步骤554中，如果是这样的话，则关闭对与已经达到温度截止点的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。然后在步骤560中，可以将复合结构从袋中取出并且检查。

由描述的方法提供的操作步骤也可以具体地应用于维修过程，如图5E所示。对于复合面板(例如机翼蒙皮)的维修来说，在步骤562中，可以将损坏的面板部分从维修区域移去，并且在步骤564中，将替换的具有结构纤维的复合材料铺设在维修区域中。在可替换的实施方式中，可以通过结合纤维的复合板层实现该铺设。步骤566，将多个温度传感器安装至复合结构，使每个传感器与设置的纤维中的一个纤维相关联。步骤568，将多个加热器安装成接近维修区域中的复合结构的并具有预定间隔的至少一个阵列。在示例性实施方式中，加热器可以是电阻加热器、红外辐射加热器或采用速调管供电的微波加热器(也可以采用基座)。步骤570，维修区域中的复合结构利用周边密封件装袋，并且在特定过程中可以将压力罩安装在维修区域上。步骤572，响应于维修的复合结构16的固化周期的预定要求，控制袋46和/或压力罩50(如根据图4C描述的)中的压力。袋46和/或压力罩50可以结合多个可控压力阀44，并且在步骤572内，控制压力可以通过响应于预定分布控制多个可控压力阀44中的每个可控压力阀来实现。随后如先前描述的实现总体标记为512的固化周期。

本公开的实施方式可以在如图6所示的飞机制造和保养方法600(方法600)以及如图7所示的飞机700的背景下描述。在预生产期间，示例性方法600可以包括飞机700的规范和设计604以及材料采购606。在生产期间，进行飞机700的部件和子组件制造608和系统集成610。此后，飞机700可通过认证和交付612，以便投入使用中614。当客户使用时，对飞机700定期进行日常维修和保养616(这还可以包括修整、重新配置、翻新等)。

方法600的各个过程可以通过系统集成商、第三方和/或操作员(例如，客户)来执行或实施。出于本描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的售货商、分包商和供应商；操作员可以是但不限于航空公司、租赁公司，军事实体、服务组织等。

如在图7中示出的，通过示例性方法600生产的飞机700可以包括具有多个系统720的机身718和内部结构722。高级系统720的实例包括一个或多个推进系统724、电气系统726、液压系统728、环境系统730以及飞行控制系统732。还可包括任意数目的其他系统。虽然示出了航空航天的实例，但是本公开的各实施例可用于其他行业。

体现在本文中的以及先前描述的装置和方法可以在制造和保养方法600的任意一个或多个阶段过程中采用。例如，可以以类似于当使用飞机700时生产部件和子组件的方式制作或制造对应于生产过程608的部件或子组件。另外，一个或多个装置实施方式、方法实施方式或者它们的组合可以在生产阶段608和610过程中使用，例如通过大幅加快飞机700的组装或者降低飞机的成本。相似地，在飞机700处于使用中时，可以使用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或它们的组合，例如并且不限于，以进行维护和保养616。

因此，总之，根据本发明的第一方面，提供了：

A1.一种复合结构固化系统包括：

多个加热器，以间隔的方式安装成接近待固化的复合结构的至少一个阵列；

多个温度传感器，安装为感测在结构上的选定位置处的温度；以及

控制系统，接收来自多个温度传感器中的每个温度传感器的输入，控制系统适于响应于每个输入控制多个加热器中的每个加热器，以在固化过程中在结构上建立预定的温度分布。

A2.还提供了，根据段落A1中所限定的复合结构固化系统，进一步包括：

压力室，接收复合结构并且具有至少一个可控压力阀；

所述控制系统进一步适于控制所述至少一个可控压力阀，以便在固化过程中在结构上建立预定压力分布。

A3.还提供了，根据段落A2中所限定的复合结构固化系统，其中，多个加热器安装在压力室内。

A4.还提供了，根据段落A2中所限定的复合结构固化系统，进一步包括：袋，在压力室中围绕复合结构；以及与袋一起的多个密封件，所述至少一个可控压力阀包括与所述多个密封件相关联的多个可控压力阀。

A5.还提供了，根据段落A1中所限定的复合结构固化系统，其中，多个加热器是电阻加热器、红外辐射加热器或微波速调管。

A6.还提供了，根据段落A1中所限定的复合结构固化系统，其中，多个温度传感器安装成感测复合结构的表面温度，并且控制系统进一步适于将每个温度传感器的表面温度转变成内部板层温度，并且所述预定温度分布被建立为内部板层温度分布。

A7.还提供了，根据段落A1中所限定的复合结构固化系统，其中，复合结构结合有多个设置的纤维(a plurality of placed fibers)，并且所述多个温度传感器中的至少一个温度传感器与多个设置的纤维中的每个纤维相关联以感测每个设置的纤维的温度。

A8.还提供了，根据段落A7中所限定的复合结构固化系统，其中，多个设置的纤维包括形状记忆合金纤维或结构纤维。

A9.还提供了，根据段落A8中所限定的复合结构固化系统，其中，设置的纤维中的每个纤维是导电的并且将所述多个温度传感器连接至所述控制系统。

A10.还提供了，根据段落A1中所限定的复合结构固化系统，其中，多个加热器的阵列分散成三维形式。

A11.还提供了，根据段落A1中所限定的复合结构固化系统，其中，复合结构是不均匀的。

根据本发明的另一方面，提供了：

B1.一种用于控制复合结构的固化温度的方法，包括：

施加来自多个加热器的热量；

感测在具有多个纤维的复合结构上的多个位置处施加的热量；以及

响应于多个温度传感器控制对多个加热器中的每个加热器供应的动力。

B2.还提供了，根据段落B1所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，进一步包括：

将多个加热器安装成接近复合结构的至少一个阵列，该多个加热器具有预定间隔；以及

安装与复合结构中的多个纤维相关联的多个温度传感器。

B3.还提供了，根据段落B1所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，进一步包括：

将复合结构放置在压力室中；以及

响应于复合结构的预定要求控制室中的压力。

B4.还提供了，根据段落B3所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，压力室结合有多个可控压力阀，并且控制压力的步骤包括响应于预定分布控制多个可控压力阀中的每个可控压力阀。

B5.还提供了，根据段落B1所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，进一步包括：

将多个设置的纤维铺设在复合结构中；

并且其中，安装多个温度传感器的步骤包括

将多个温度传感器中的每个温度传感器安装为与设置的纤维中的一个纤维相关联。

B6.还提供了，根据段落B5所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，设置多个的纤维包括形状记忆合金纤维，并且安装多个温度传感器的步骤进一步包括通过相关联的形状记忆合金纤维中的导电元件将每个温度传感器连接至控制器。

B7.还提供了，根据段落B5所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，控制供应的动力的步骤包括：

确定来自多个温度传感器中的每个温度传感器的温度读数；

确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否正在保持温度阈值；以及

增加对与还没有保持温度阈值的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。

B8.还提供了，根据段落B7所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，控制供应的动力的步骤进一步包括：

使温度开始升高(ramp up)以便进行固化；

确定来自多个温度传感器中的每个温度传感器的温度读数；

确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否已经达到温度阈值；以及

保持对与还没有达到温度阈值的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。

B9.还提供了，根据段落B8所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，控制供应的动力的步骤进一步包括：

确定是否已经达到暂停时间，如果是的话，

使温度开始下降(ramp down)；

确定来自多个温度传感器中的每个温度传感器的温度读数；

确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否已经达到温度下降速率；以及

减少对与还没有达到温度下降速率的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。

B10.还提供了，根据段落B9所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，进一步包括：

确定多个温度传感器中的每个温度传感器是否已经达到温度截止点，以及，如果是的话，

关闭对与已经达到温度截止点的多个温度传感器中的每个温度传感器相关联的加热器供应的动力。

B11.还提供了，根据段落B6所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，多个温度传感器感测表面温度，并且该方法进一步包括将通过多个温度传感器中的每个温度传感器感测的温度转变成内部板层温度。

B12.还提供了，根据段落B1所限定的用于控制复合结构的固化温度的方法，其中，复合结构是不均匀的。

如专利法规所要求的现已对本公开内容的各种实施方式进行了详细说明，本领域技术人员将认识到本文中所公开的具体实施方式的改变和替代。这类改变在以上权利要求所限定的本公开内容的范围和意图内。