[发明专利]由复合材料制造的复杂几何体和所述几何体的成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及由复合材料制造的、用于飞行器的叠层复杂几何体和用于 成型所述几何体的成型方法。

背景技术

在主结构中大量地引入新型复合材料已经成为结构优化(基于重量的 减轻和机械性能的改善)的基本方法，是在新一代飞行器的设计和制造中 的主要目标之一。大量引入的可能性得益于用于铺设和自动切割叠层的技 术及设备的改进以及半自动成型技术的引进，其中叠层由包含预浸渍有聚 合树脂的连续增强纤维带形成，这允许以越来越短的时间获得越来越大且 更复杂的结构元件。

然而，通过预浸渍叠层的层压技术来制造、并随后切割和成型叠层具 有重大的局限性：在层压和切割操作之后得到的叠层的成型能力是有限的。 由非常长的嵌在树脂基体中的增强纤维成型的叠层仅在下述情形中才可成 型：其允许在直接受到成型作用的区域和位于成型的影响区域内的毗邻增 强纤维滑移，其中成型的影响区域延伸到含有在长度方向上任一位置受成 型影响的增强纤维的叠层的整个表面。然而，滑移受到树脂粘度和黏性与 纤维非常长的长度(几乎是部件的长度)两者结合所导致的摩擦的限制， 这意味着小的成型具有非常大的影响区域——几乎是待成型叠层的尺度。

已知有两种基于对影响可成型性的变量——树脂的粘度和增强纤维的 长度——进行改进来利于叠层的成型的方法。

一种已知的成型技术基于热量和压力的结合，其中热量用于降低树脂 的粘度，压力一方面用来在所希望的区域中成型叠层、并另外一方面在间 接受到成型影响的叠层区域上加压以引导增强纤维的滑移和避免形成褶皱 及扭曲。对于大部件来说这项技术是复杂和昂贵的，因为其必须在整个受 影响的表面上加压并施加热量。

第二种已知的技术包括：降低增强纤维或原料的长度、或在自动铺带 过程中于预浸带中形成具有合适宽度的切口。该项技术利用足够长的定向 纤维来得到所需的叠层，因此成型的影响区域大，同时受到成型影响的增 强纤维的长度也非常的大。

本发明致力于解决这些问题。

发明内容

考虑到前述问题，本发明提出了一种用于成型由复合材料形成的叠层 复杂几何体的方法，其可以获得非常复杂的弯折几何体，减少成型区域的 影响范围，并使得增强纤维的滑移相对于所述成型来说是局部的。本发明 还涉及根据所述方法获得的由复合材料制造的叠层复杂几何体。

本发明描述了一种成型处理方法，其用弯折几何体(即，通过形成弯 折、过渡区域和半径变化来获得可展表面的或几乎可展的表面的几何体) 代替成型几何体，因此迫使成型的影响区域是局部的，由此使得受所述成 型影响的增强纤维的长度最小。

本发明因此描述了一种处理叠层几何体的方法，其中叠层由连续或非 常长的不连续的、预浸渍有热固性或热塑性树脂的增强纤维构成，用于制 造由复合材料形成的结构部件，用可展的或几乎可展的弯折几何体代替成 型几何体，因此迫使成型的影响区域是局部的，由此使得受所述成型影响 的增强纤维的长度最小。

根据本发明，叠层通过层叠包括增强纤维的带获得，所述增强纤维具 有限定的取向并预浸渍有聚合树脂，所述成型由复合材料制造的叠层的成 型方法通过施加压力和温度进行。其中，由复合材料制造的叠层的成型如 此地进行：弯折叠层而不使所述叠层扭曲，形成折痕、过渡区域和半径变 化，所述折痕、过渡区域和半径变化使得能够沿整个变形长度保持变形截 面的周长，由此使得所有的预浸渍叠层在垂直于弯折方向的任何截面内具 有大致一致并相同的相对位移。

本发明还涉及一种由复合材料制造的用于飞行器的结构部件的几何 体，所述结构部件包括叠层，所述叠层具有层叠的带，所述带又包括预浸 渍有聚合树脂的限定取向的增强纤维。其中，所述几何体通过弯折获得， 并与一大致可展的形状相适配，包括折痕、过渡区域和半径变化，所述折 痕、过渡区域和半径变化使得能够沿整个变形长度保持变形截面的周长， 由此使得所有的预浸渍叠层在垂直于弯折方向的任何截面内具有大致一致 并相同的相对位移。

因此，尽管在结构的常规设计和制造方法中，部件的成型直到部件的 最终几何形状要求其最终功能时才进行；但是，在根据本发明的设计和制 造方法中，部件的几何形状便于该方法的进行，以便通过弯折操作进行最 终成型，该弯折操作形成最终的可展或几乎可展的部件，并且其中增强纤 维的滑移仅会对部件造成局部的影响。