具有倒圆的腹板端部的T型纵梁及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201380033961.6 | 申请日 | 2013-06-28 | 公开(公告)号 | CN104411480B | 公开(公告)日 | 2016-10-05 |
| 申请人 | 空中客车营运有限公司; | 发明人 | 约朗达·米格斯查里内斯; 加布里埃尔·塞德尼奥卡韦略; 朱安·佩德罗·巴拉多鲁伊斯; 奥古斯托·佩雷斯帕斯托; | ||||
| 摘要 | 制造由 复合材料 制成的T型 纵梁 (7)的方法，该方法包括用于使 层压 板(4)成形为L型预制件(6)的第二成形步骤，该第二成形步骤包括提供由固定工具(1)和可移动工具(3)形成的一套工具，其中，固定工具(1)包括下部和上部，而可移动工具(3)包括下元件和上元件。该第二成形步骤还包括将层 压板 (4)的意在用作预制件(6)的脚部的部段 定位 在固定工具(1)的下部与上部之间，以及将层压板(4)的意在用作预制件(6)的 腹板 的部段定位在可移动工具(3)的下元件与上元件之间。该第二成形步骤还包括使可移动工具(3)竖直地移动以使预制件(6)的腹板逐步地弯曲，从而将腹板支承在固定工具(1)的竖直壁上。预制件(6)的腹板的端部呈倒圆的形状。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造由复合材料制成的T型的纵梁(7)的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 具有倒圆的腹板端部的T型纵梁及其制造方法技术领域[0002] 发明目的 [0003] 本发明的目的是提供一种T型纵梁，该T型纵梁比现有技术中已知的纵梁在响应冲击方面具有更好表现，在本发明的纵梁中，腹板的一端还包括用于容易地检测由所述冲击引起的损坏的区域，还提供了比常规方法更快且更廉价的制造所述纵梁的方法。 [0004] 发明背景和所解决的技术问题 [0005] 一种常规类型的纵梁具有包括脚部和腹板的T型截面。这种T型纵梁通常由脚部和腹板具有相同厚度的两个L型预制件构成，然而，也存在腹板区域比脚部区域更厚的L型预制件。在厚度方面的这种差异是因为一些纵梁必须具有较高的惯量，所以这些纵梁具有附加的许多纤维以作为腹板区域中的增强物。在这两种情况下，这些纵梁通过包括第一铺带(tape laying)步骤、第二成形步骤和第三固化步骤的过程制造。 [0006] 铺带包括堆叠预浸渍材料的带材，ATL机器(自动铺带机)通常用于该目的。在该步骤下，该机器将预浸渍材料(用树脂预浸渍的碳纤维)的带材沉积在其他带材的顶部上直到获得具有期望的纤维取向的所需承压板为止。 [0007] 用于常规地制造纵梁的第二步骤包括使层压板成形以获得L型预制件，该L型预制件随后将两两彼此附接以获得T型纵梁。当成形时，通常施加有压力和100摄氏度以下的温度。目的是减小树脂的粘度以赋予层压板以期望的形状。树脂不会被固化。 [0008] 用于制造纵梁的常规方法的第三步骤包括使预制件彼此附接使得预制件形成T型纵梁以随后对T型纵梁进行固化。固化过程可以以不同方式实施。纵梁可以放置在覆盖层上并且与覆盖层同时进行固化(共同固化)、与覆盖层分开进行固化且随后以已固化的状态联结在覆盖层上(间接联结)、将新制纵梁放置在处于已固化的状态的覆盖层上然后在联结周期中进行固化(共同联结)、或在干燥之前将处于已固化的状态的纵梁放置在覆盖层上并且覆盖层在纵梁联结的同时进行固化(也是共同联结)。当进行固化时所施加的压力和温度比成形期间施加的压力和温度更高，因为目的是使树脂固化并且使所述树脂再分布以填充部件中可能存在的空腔从而减少孔隙。 [0009] 这种常规的制造方法的问题在于根据该方法制造的纵梁在腹板的端部处具有喙状余料，该余料不能承受载荷并且因此是无用的重量。目前，此余料被加工并且材料被撕离(pulled off)直到获得纵梁的水平且平坦的上腹板表面为止。这种加工操作可能损坏纵梁的腹板的端部，甚至尽管不对其造成损坏，但形成的结构在响应冲击方面不具有良好表现，从而会引起该区域中出现剥落。 [0010] 考虑到该区域易于受到冲击，常规方法的另一个问题源自对识别可能产生的损坏的需要。由复合材料制成的这些部件的深灰色不允许所述检测，所以至今为止，纵梁的腹板的上部通过使用具有比复合材料的颜色更浅的颜色的颜料进行涂装以识别损坏。该解决方案的问题在于该解决方案是耗时的过程，因为由于仅纵梁的腹板的上部区域被涂装，所以纵梁的其余区域必须被预先覆盖。 [0011] 本发明试图通过提供制造包括倒圆的腹板端部的纵梁的方法来解决前述问题，从而消除对执行可能损坏纵梁的腹板的加工的需要，并且该纵梁在响应冲击方面具有更好的表现。 [0012] 所有这些使得总纵梁制造时间减少，同时更好地利用了使用的材料。制造纵梁的本方法进而包括下述固化工具，该固化工具具有适配于新纵梁的下述部段中的至少外部几何形状的内部面，该部段将倒圆的腹板端部和脚部区域紧密地附接至位于脚部和腹板之间的圆角半径。两个区域——在该两个区域中，必须对该部分进行角度调整——是腹板与脚部之间的圆角半径和腹板的倒圆的上部区域。 [0013] 发明的描述 [0014] 出于实现本发明的目的和避免前节提及的缺陷的目的，本发明提出了制造由复合材料制成的T型纵梁的方法。该方法包括用于将带材铺在两个平坦的层压板上的第一铺带步骤、用于使所述平坦的层压板成形为两个L型预制件的第二成形步骤以及下述第三步骤，在第三步骤中，所述两个预制件彼此附接并且进行固化以获得T型纵梁。 [0015] 一方面，所提及的第二成形步骤包括提供由固定工具和可移动工具形成的一套工具，固定工具包括下部和上部，并且可移动工具包括下元件和上元件，固定工具和可移动工具以彼此间隔预定距离的方式来布置。成形还包括将每个平坦的层压板布置在该套工具中使得层压板的意在用作L型预制件的脚部的部段布置在固定工具的下部与上部之间并且使得层压板的意在用作L型预制件的腹板的部段布置在可移动工具的下元件与上元件之间。制造方法的该第二步骤还包括使可移动工具以预定的速度竖直地移动以使预制件的腹板逐步地弯曲，从而将腹板支承在固定工具的竖直壁上。因此，纵梁的腹板的端部呈倒圆形状。 [0016] 本方法的一个重要的方面是提供一套工具使得固定工具的如下一个拐角具有与L型预制件的脚部与腹板之间的圆角半径相对应的半径：可移动工具朝向所述固定工具的所述一个拐角移动并且在所述一个拐角上形成脚部与腹板之间的圆角半径。本发明包括提供一套工具使得对层压板施加推压力的可移动工具的元件具有倒圆的拐角。此外，本发明的另一个重要的方面是本发明包括提供一套工具使得根据预制件的厚度在可移动工具的端部与固定工具的竖直壁之间留有间隙。 [0017] 本发明的方法目的包括在铺带步骤中将条带在层压板的在成形之后位于腹板的端部的可见面上的部分中附加至层压板。替代性地，所述方法可以包括使条带附加至在两个预制件彼此附加之后且在固化之前所形成的纵梁的倒圆端部上。条带的颜色比T型纵梁的颜色更浅，从而与层压板的其余部分区分开，以识别可能的损坏。条带优选地由玻璃纤维制成。 [0018] 本发明的另一个重要的特征在于，本发明包括通过使用具有下述内部面的固化工具进行固化：该内部面遵循在使L型预制件彼此附接之后获得的纵梁的倒圆的腹板端部的外部几何形状，且就常规纵梁而言遵循所述纵梁的脚部与腹板之间的圆角半径。就在腹板中具有增强物的纵梁而言，所使用的固化工具与常规纵梁的直到腹板的一定高度的外部几何形状一致并且放置在真空袋上，该真空袋放置在纵梁上。 [0020] 出于更好地理解所做出的描述的目的，本发明附有一组附图，其中，下面以示例性且非限制性的特性的方式进行描述： [0021] 图1、图2和图3示意性地示出了根据本发明的优选实施方式的用于使L型预制件成形的方法。 [0022] 图4示出了根据本发明获得的L型预制件。 [0023] 图5示出了根据本发明的形成T型纵梁的两个L型预制件。 [0024] 图6示出了根据本发明的在用于使T型纵梁固化的固化工具内部的T型纵梁。 [0025] 图7示出了根据现有技术的在腹板中具有增强纤维的T型纵梁。 [0026] 图8示出了根据本发明的在腹板中具有增强纤维的T型纵梁。 [0027] 图9示出了根据本发明的优选实施方式的在用于使T型纵梁固化的固化工具内部中的在腹板中具有增强纤维的T型纵梁。 [0028] 在下面提供了结合本发明的附图中所描述的不同元件的列表： [0029] 1＝固定工具 [0030] 2＝条带 [0031] 3＝可移动工具 [0032] 4＝层压板 [0033] 5＝固化工具 [0034] 6＝预制件 [0035] 7＝纵梁 [0036] 8＝增强纤维 [0037] 9＝真空袋 [0038] 10＝用于在腹板中具有增强物的纵梁的固化工具 [0039] 本发明的优选实施方式的具体描述 [0040] 由本发明提出的制造T型纵梁(7)的方法与常规方法相比的新颖性在于三个方面。一个方面是用于实施成形步骤从而获得具有倒圆的腹板端部的T型纵梁(7)的新方法，另一个方面是包括用于识别冲击的条带(2)，使得节省了大量时间，并且最后，还一个方面是具有下述几何形状的固化工具(5)的使用：固化工具的几何形状的内部面适配于根据本发明的方法成形的纵梁(7)的外部几何形状的至少一部分。 [0041] 两个L型预制件(6)在图1至图3的成形步骤中同时获得。为此，具有如图1所示的截面之类的截面的平坦的层压板(4)用作起始材料。 [0042] 对于成形而言，一方面，存在两个固定工具(1)，固定工具(1)中的每个固定工具包括下部和上部。如图1所示，所述工具(1)彼此面对地放置。层压板(4)的与待成形的L型预制件(6)中的每个L型预制件的脚部对应的部段放置在固定工具(1)中的每个固定工具的上部与下部之间，层压板(4)的其余部分悬臂伸到可移动工具(3)之间的区域内。 [0043] 另一方面，存在包括下元件和上元件的可移动工具(3)，并且可移动工具(3)放置在所述固定工具(1)之间，从而保持每个层压板(4)的与放置在固定工具(1)中的每个固定工具中的端部相反的端部。 [0044] 通过对可移动工具(3)施加热以及使可移动工具(3)以大约5mm/min(毫米/分钟)的速度非常缓慢地竖直运动——这引起层压板(4)的弯曲——而使预制件(6)成形。因而，使层压板(4)的下述部段弯曲，该部段在施加该运动之前呈悬臂状并且现在被调节至固定工具(1)的此部分——移动工具(3)朝向该部分移动——的竖直壁。 [0045] 图1至图3描述了本发明的用于成形的优选实施方式，其中，可移动工具(3)的运动沿箭头所指示的方向向下。成形过程可以通过可移动工具(3)的向上或向下运动来实施。选择一个方向或另一个方向取决于该套工具的设计，正如下面所说明的。 [0046] 对于附图中示出的可移动工具(3)向下移动的情况而言，固定工具(1)的下部的内拐角是倒圆的，并且所述半径与预制件(6)的脚部与腹板之间的圆角半径相一致。此外，固定工具(1)的所述下部比上部更宽，所述宽度方面的差值与L型预制件(6)的半径相对应。可移动工具(3)的上元件的下拐角也是倒圆的，并且所述半径与预制件(6)的脚部与腹板之间的圆角半径相一致。 [0047] 在附图中未示出的可移动工具(3)向上移动的实施方式中，固定工具(1)的上部除了具有倒圆的内拐角之外还比下部更宽。对这种实施方式而言，可移动工具(3)的下元件的上拐角是倒圆的拐角。 [0048] 关于固定工具(1)和可移动工具(3)所考虑的另一方面是两者相距彼此定位的距离。使可移动工具(3)的端部与固定工具(1)中的每个固定工具间隔的距离根据将要获得的L型预制件(6)的腹板厚度来限定。 [0049] 关于所述工具(1，3)所考虑的又一方面是在成形过程期间对层压板(4)施加的压力。就固定工具(1)而言，压力必须仅为下述压力：当可移动工具(3)使层压板(4)的与由每个固定工具(1)所保持的部段相反的部段移动时必需用于保持碳纤维层压板(4)的压力。重要的是不要施加太大压力。不通过固定工具(1)太紧地保持层压板(4)的原因在于，在制造过程中的该处，碳纤维层压板(4)处于新制的状态，所以其会很容易被损坏。该压力必须是下述压力：该压力是用于保持层压板(4)以使层压板(4)不从每个固定工具(1)的上部和下部之间脱离的所必需的压力，同时在成形过程中，该压力不减小层压板(4)的厚度并且不将树脂排出层压板(4)。该压力可以在1.5bar(巴)与1.8bar之间。 [0050] 对于可移动工具(3)而言，总是比固定工具(1)的情形中的压力更低的压力在整个成形周期可以在0.5bar与0.01bar之间的范围内。由可移动工具(3)施加的该压力仅确保通过在成形期间逐渐弯曲的层压板(4)的端部的上侧和下侧而进行保持。该弯曲发生直到成形步骤结束并且层压板(4)的与每个预制件(6)的腹板的端部相对应的端部从可移动工具(3)的上部与下部之间脱离为止。 [0051] 如本节开头所指出的，制造具有上倒圆腹板端部的纵梁(7)的方法的另一新颖方面是包括用于识别冲击的条带(2)，该条带(2)的厚度在0.1mm与0.3mm之间。用于放置该条带(2)的一种选择是当L型预制件(6)已经成形并且彼此附接以形成T型纵梁(7)时，如图4和图5分别示出的，将条带(2)放置在纵梁(7)的腹板的端部上，然后马上进行固化。 [0052] 作为优选选择的另一选择是在铺带(tape laying)期间放置条带(2)。条带(2)放置在层叠板(4)的下述部分上，该部分在成形之后位于纵梁(7)的腹板的端部的可见面上。如果可移动工具(3)在成形期间向下移动，那么将条带(2)放置在铺带的第一层上，且放置在层压板(4)的由可移动工具(3)的两个部分保持的端部处，反之，如果可移动工具(3)在成形期间向上移动，那么将所述条带(2)放置在层压板(4)的最后一层上，且也放置在由可移动工具(3)的两个部分保持的端部处。 [0053] 所述条带(2)的材料必须满足的必要条件是该材料必须比纵梁(7)的碳纤维的颜色更浅以有助于识别由冲击引起的损坏。在本发明的优选实施方式中，条带(2)由玻璃纤维制成。 [0054] 本发明的第三新颖方面是使用具有下述几何形状的固化工具(5)：固化工具(5)的该几何形状的内部面至少部分地适配于根据本发明的方法制得的纵梁(7)的外部几何形状。对于由两个L型预制件(6)——该两个L型预制件(6)在腹板区域和脚部区域具有相同的厚度——构成的T型纵梁(7)而言，固化工具(5)整体上适配于根据本发明的方法制得的纵梁(7)的外部几何形状，如图6中观察到的。适配于T型纵梁(7)的新几何形状的这些固化工具(5)是必要的，以使得能够在固化时不使在半径处和在腹板的端部处产生的圆度变形。在固化步骤中，真空袋(9)与固化工具(5)一起使用。 [0055] 对于提及的脚部的厚度与腹板的厚度相同的情况而言，该袋(9)可以位于T型纵梁(7)与固化工具(5)之间或位于固化工具(5)上。 [0056] 该第二选择需要用真空袋(9)覆盖图6所示的组件。当选择这两个选择中的一个选择时，重要的是记住，如第一选择中发生的那样，当真空袋(9)放置在纵梁(7)与固化工具(5)之间时，例如，考虑到袋(9)自身包围下述区域以确保成形时获得的几何形状，那么没有必要使固化工具(5)紧密地围绕腹板的端部或脚部的端部。在该第一选择中，真空袋(9)完全紧密地围绕纵梁(7)并且因此固化工具(5)不必到达腹板和脚部两者的端部，也不必以如在第二选择中出现的这种可靠的方式紧密地围绕纵梁(7)。因此，不必使固化工具(5)适配于或适合于每个纵梁规格，纵梁(7)的一些构型能够共用同一固化工具(5)。考虑到不必使工具具有与纵梁(7)的材料相似的膨胀系数，那么工具也不必由不胀钢(invar)(铁+镍)制成。因此，较便宜材料比如铁的使用还允许在制造期间使用比诸如“不胀钢”的材料所需的附接手段更便宜且简单的焊接。同样地，在此第一选择中，能够免除硅树脂端部保持器，其用于防止粘合剂泄漏或脚部的端部的过度膨胀。这些硅树脂端部保持器通常容置在固化工具(5)的靠近脚部的端部纵向延伸的槽中。在第一选择中，已经证实的是，真空袋(9)执行保持功能，从而防止手动地放置硅树脂保持器——这导致昂贵的手动操作——的需要。 [0057] 相反，由于根据第二选择真空袋(9)放置在纵梁(7)固化工具(5)组件上，因此真空袋(9)不能适当地紧密围绕腹板的端部，所以在这种情况中，固化工具(5)必须紧密地围绕腹板的端部。然而，在这种情况下存在附加的重要优势。广泛关注的应用使用位于飞机机翼的蒙皮的表面上的多个平行的纵梁(7)使得纵梁(7)的脚部搁置于蒙皮的表面上，并且固化工具(5)进而位于对应纵梁(7)上。真空袋(9)放置在蒙皮和多个纵梁的组件上用于在热压罐内部进行固化。 [0058] 对于在腹板区域中和脚部区域中具有不同的厚度的两个L型预制件(6)制成的T型纵梁(7)的情况而言，根据本发明能够实现对T型纵梁(7)的制造进行改型。在铺带步骤中插入增强纤维(8)。这些附加的纤维(8)通常插入腹板区域，具体地是从预制件(6)的脚部与腹板之间的圆角半径的区域至腹板的端部的区域，如图7中能够观察到的。附加的纤维(8)的这种布置的问题在于，纵梁的脚部与腹板之间的圆角半径的区域的厚度是不恒定的并且这使得不能通过本发明的方法目的获得具有倒圆的腹板端部的纵梁(7)。 [0059] 为能够根据本发明的制造目的的方法制造提及的增强的T型纵梁(7)，增强纤维(8)插入成覆盖脚部的至少一部分并且插入至腹板的端部使得所述半径的区域的厚度恒定，正如图8中能够观察到的。在L型预制件(6)的腹板与脚部之间的圆角半径的厚度是恒定的事实对于根据本方法制造增强的T型纵梁(7)是必要的。 [0060] 相比之下，用于使图8描绘的这些增强的T型纵梁(7)固化的固化步骤需要使用真空袋(9)，使得该袋(9)放置在纵梁(7)上，并且特定于纵梁(7)的此几何形状的固化工具(10)进而放置在真空袋(9)上，正如图9所示的。这是因为如上面所提及的对于具有厚度相同的脚部和腹板的纵梁(7)而言，真空袋(9)确保了紧实度(compaction)，而固化工具(10)简单地将纵梁的腹板保持在其平面中。 [0061] 本发明的目的是使L型预制件(6)的腹板的外层在成形步骤中呈倒圆形状而不是尖形形状，由于层压板(4)的厚度和所述预制件(6)的脚部与腹板之间的圆角半径，所以该外层比内层更长。这通过使用可移动工具(3)以及上部和下部执行成形使得外层呈倒圆的形状来实现，其中，该可移动工具(3)具有倒圆的拐角，所述上部和下部在成形时保持层压板(4)。 [0062] 对于两个工具(1，3)的以曲率半径2至5毫米倒圆的所述拐角的附加原因在于，不然的话，所述拐角在成形期间会严重地损坏层压板(4)并且考虑到层压板(4)在制造过程的该步骤中是新制(fresh)的，则甚至会更严重地损坏层压板(4)。 [0063] 本领域的技术人员将理解的是，可以对前述描述作出各种改变和改型，然而必须理解的是，本发明的范围不限于所描述的实施方式并且由所附权利要求限定。 |
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