[发明专利]承载复合结构的包覆模制

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用在承载应用场合中的复合结构。更具体地说，本发明的目标是增强承载复合结构的被连接到也参与承载载荷的本体或子结构的那部分。

背景技术

复合材料一般包括作为两个基本组成部分的纤维和树脂基体。复合材料一般具有相当高的强度重量比。结果，复合材料不断地用在苛刻环境中，诸如用在航空航天领域中，在这个领域中，复合部件的高强度和较轻的重量是特别重要的。

在很多承载复合结构或元件中使用的纤维是单向的而且是连续的。当承载结构相对于该结构的宽度和厚度来说较长时，这种单向纤维是特别有用的。翼杆、支柱、连杆、框架、间断件、梁、表皮、面板、喷气发动机叶片和扇叶是各种飞机结构的例子，这些结构可能较长，并被设计用来承载非常大的负载。

主要的设计考虑涉及决定如何将承载结构或元件附接到飞机主体或其他支撑结构上。总的来说，承载结构在沿着其上一个或多个位置处用螺栓连接或者其他方式牢固地附接到飞机本体。结构结合部所需的精密配合经常要求对邻接部件的接触表面进行机械加工。这对于用单向复合材料制造的承载结构来说存在问题，因为这种材料难以在不产生层间(两个单向层)裂纹的情况下进行机械加工，层间裂纹会导致疲劳断裂。另一个问题是，为了在结构上有效，承载结构经常需要与基于由承载结构承载的主要的整体负载沿着一个方向取向的大多数纤维是正交各向异性的。然而，通过多方向的纤维取向(诸如准各向同性层压件)能够更好地处理由螺栓结合所产生的承载应力。用多方向层来局部增强承载结构以处理承载应力是设计挑战，而且耗费时间、费用高，曾在制造中用过。

解决由于机械加工而变弱的承载结构所产生的问题的一种方法是，在连接位置处向整个结构添加更多的单向纤维的多方向层。然而，为了提高局部承载强度而必须添加的单向纤维材料的数量会显著增加承载结构的重量和大小。

诸如金属支架和套筒等其他增强系统业已用来增加承载结构在机械加工过的连接或附接点处的强度。然而，这些类型的增强趋于庞大、沉重而且昂贵。此外，使用金属支架和套筒会在连接部位处生成局部应力点，这些局部应力点会对结合部的长期强度有不利影响。

虽然现在正用于加强单向纤维承载元件和飞机支撑结构之间的连接点的增强系统是够用的，但是，仍不断需要开发改进的连接增强装置，这些连接增强装置尽可能地轻、小，同时仍在连接部位处提供足够的结构强度。

发明内容

根据本发明，发现了增强单向纤维承载结构上的连接部位的一种特别有效的方式，其是用包括不连续纤维和树脂基体的结构模制材料包覆模制连接部位。发现了所得到的由单向纤维元件和包覆模制的连接元件构成的复合结构在承载结构和飞机本体之间提供了强度极大的连接。连接元件通过压缩模制法模制，因此，其所有表面都受到用于此工艺的闭合模具控制，这对于确保与邻接结构的紧密连接是非常希望的。另外，包覆模制的连接元件可以进行机械加工，以提供各种连接取向以及甚至更紧密的公差，而不会牺牲连接元件的结构强度，这是因为，不同于单向纤维复合物，不连续的纤维模制材料不容易由于机械加工而分层。

根据本发明，提供了一种用于连接到支撑本体或结构的复合结构。所述复合结构包括由连续的增强纤维和树脂基体组成的承载元件。所述承载元件具有用来连接到所述支撑本体的附接部分。所述复合结构还包括由不连续纤维和树脂基体构成的连接元件。模制材料包覆所述承载元件的附接部分的表面模制。

作为本发明的一个特征，所述承载元件的附接部分的表面积包括孔或缺口，该孔或缺口有效地增加了连接元件模制包覆的表面积。发现了在模制过程中模制材料的不连续纤维和树脂基体流进孔或缺口中，提供了承载元件和连接元件之间特别有效的互锁。

作为本发明的进一步特征，连接元件可进行机械加工以包括孔和其他安装表面，而不会明显减小连接元件的强度，因此不会干扰承载元件。机械加工连接元件的能力是由于不连续纤维的随机取向，这与在承载元件中使用的连续纤维是相反的。

本发明还涵盖了用于制造包覆模制复合结构的方法以及用于将复合结构连接到诸如飞机本体或其他航空航天支撑本体的方法。另外，本发明涵盖了组装后的复合结构和支撑本体。具体地说，包括其中附接的复合结构的飞机和其他航空航天飞行器被本发明所涵盖。

本发明的上面所描述的和许多其他的特征以及伴随的优点，通过结合附图参见下文详细描述而得以更好的理解。

附图说明

图1描绘的是用于连接到支撑本体或结构的根据本发明的示例性性复合结构。