[发明专利]用于复合层压材料的改进的铺层递减

说明书

技术领域

本主题大体而言涉及复合层压材料(composite laminate material)，且更特定而言涉及用于减轻复合层压材料内应力集中的改进的铺层递减(ply drops)。

背景技术

复合层压材料(“层压件”)大体上包括组装在一起的多个复合材料的层或铺层，以提供具有改进的工程性质的层压件。每个铺层通常包括由基质材料包围且在基质材料内支承的加强材料。关于纤维加强的层压件，加强材料通常包括高强度纤维(诸如玻璃或碳纤维)，且合适基质材料包括各种聚合物或树脂材料，诸如环氧树脂、聚酯或乙烯酯树脂。通常，已知的加强材料被设计成具有静态强度和疲劳强度，且因此可向由层压材料形成的构件提供优良的刚度和强度。因此，层压件通常用于较宽范围的应用以生成结构和/或承载构件。举例而言，层压件通常用于风力涡轮机工业中以生成高强度转子叶片和其它转子叶片构件。同样，层压件用于制造航空航天构件、船、自行车架、直升飞机桨叶和需要增加的强度和刚度的各种其它构件。

层压构件通常通过在合适工具或模具内一个在另一个的顶部组装多个铺层直到实现了所需厚度而制成。但是，取决于被制造的构件的所需配置，常常需要使得层压件的厚度逐渐减小。举例而言，可需要厚度逐渐减小来生成具有所需表面轮廓或形状的构件。为了提供这种厚度逐渐减小，一个或多个缩短或终止的铺层通常在层压件内的各个位置引入以形成铺层递减。每个铺层递减大体上代表层压件厚度的逐步减小，从而允许层压材料从厚的截面逐渐减小为更薄截面。

在图1中示出层压材料10的构件的代表性实例，其包括对铺层递减12的逐渐减小效应的描绘。层压材料10通常包括一个在另一个顶部组装的多个相邻设置的内铺层14。每个铺层14包括由基质材料18包围且在基质材料18内支承的多个纤维16(出于清楚目的，仅示出一个纤维)。如图所示，纤维16是单向的且在每个铺层14内在纵向17定向。层压件10也可包括覆盖铺层19，诸如双轴纤维玻璃铺层，其通常用作层压件10的外涂层。

为了能使层压件10的厚度逐步减小或者递增变化，通常通过包括终止铺层20将铺层递减12限定于层压件10内。因此，如图1所示，终止铺层20可设置于覆盖层19与内铺层14之一之间，以便限定在层压件10内的外铺层递减12。应了解可同样地通过将终止铺层20放置于相邻的内铺层14之间而生成内铺层递减。如图所示，铺层递减12大体上限定于终止铺层20的端部且因此提供层压件10厚度的“缩减(drop-off)”。图1还示出通常形成于终止铺层20与任何相邻铺层(诸如覆盖铺层19与内铺层14)之间的间隙22，这是由于由铺层递减12所致的厚度的突然递减造成。

现参看图2，示出了常规铺层递减12的配置。如图所示，常规铺层递减12大体上特征为直边缘或直平面表面。通常，通过在横向25直穿终止铺层20切割或切削而生成铺层递减12的直边缘。因此，在终止铺层20与相邻铺层14的外表面23之间生成直边缘的垂直递减。这种直边缘递减通常提供很有效的几何形状来减小或逐渐地减小层压材料10的厚度。

然而，虽然这种直边缘提供层压件10的高效厚度逐渐减小，但是这种几何形状对于层压件10的结构完整性具有不利的影响。特别是，常规直边缘铺层递减12形成层压件内的结构不连续性，这会在铺层递减12处产生显著应力集中。当在层压件10随后的加工期间在铺层递减12处生成的间隙22(图1)不充分地填充基质材料时尤为如此，这导致层压件内的低强度空隙或区域。此外，直边缘铺层递减12产生终止铺层20内纤维16的突然终止。举例而言，如图1和图2所示，当终止铺层20包括在铺层20纵向17延伸的单向纤维16时，所有纤维16沿着铺层递减12的直平面边缘终止于点24处。这种配置显著地增加了在铺层递减12处的应力集中。特别是，引入大的层间剪切应力分量，因为纤维16中每一个的拉伸荷载能力在直边缘处减小至零。由于纤维16的拉伸荷载能力减小至零，在铺层递减12处的剪切荷载转移至更弱的基质材料18。因此，常规直边缘铺层递减12导致铺层递减12处层压件10强度的显著减小，这可最终导致层压件10由于基质材料18分层和/或开裂而失效。

因此，在本技术中将需要减轻层压件内应力集中的改进的铺层递减。

发明内容

本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地陈述，或者可通过该描述变得明显，或者可通过实践本发明而学习。