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珠状复合结构和用于制造珠状复合结构的方法

文献发布时间:2023-06-19 16:11:11



技术领域

本申请涉及一种复合结构,更具体地,涉及复合结构和用于制造复合结构的方法。

背景技术

用于飞机机翼部件的典型架构设计需要在粘合或共固化之前的单独的叶片桁条和通风口桁条制造。单独的制造步骤既昂贵又耗时。此外,用于飞机机翼的典型架构设计需要使用许多部件,这些部件会增加整体结构重量。而且,飞机机翼的上部和下部之间的空间通常是有限的并且在初始组装和后续维护期间难以操纵。一旦飞机机翼已经组装,则接近该空间就受到限制。

因此,本领域技术人员在制造复合结构领域中继续研究和开发工作。

发明内容

公开了珠状复合结构。

在一个或多个实例中,所公开的复合结构包括第一层和连接到第一层的第二层以形成层状结构。第二层具有邻接第一层的多个基部和从多个基部突出的多个珠状部。多个珠状部中的每个珠状部限定第一层和第二层之间的通道。

还公开了用于制造珠状复合结构的方法。

在一个或多个实例中,所公开的用于制造复合结构的方法包括在工具上沉积复合材料以形成第二层。该第二层具有多个珠状部和多个基部。该方法还包括在第二层上分布多个心轴以限定在多个珠状部中的通道。该方法还包括在第二层和多个心轴上沉积复合材料以形成第一层。该方法还包括将第一层粘合到第二层。

根据以下详细描述、附图和所附权利要求,本公开的珠状复合结构和用于制造珠状复合结构的方法的其他实例将变得显而易见。

附图说明

图1是复合结构的透视图;

图2A是复合结构的珠状部的透视图;

图2B是图1的复合结构的珠状部的透视图;

图3A是飞机的机翼的俯视平面图;

图3B是图3A的机翼的珠状部的透视图;

图4是图1的复合结构的一部分的透视图;

图5A是用于制造图1的复合结构的方法的流程图;

图5B是图5A的方法的一部分的流程图;

图5C是图5A的方法的一部分的流程图;

图6是复合结构的透视图;

图7是飞机生产和保养方法的框图;以及

图8是飞机的示意图。

具体实施方式

在以下描述中,阐述了许多具体细节以提供对本公开的概念的透彻理解,这些概念可以在没有部分或全部这些细节的情况下被实践。在其他情况下,已省略已知装置和/或过程的细节以避免不必要地模糊本公开。虽然一些概念将结合具体实例进行描述,但应理解这些实例并非旨在进行限制。

除非另有说明,术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标签,并不旨在对这些术语所指的项目强加顺序、位置或等级要求。此外,提及例如“第二”术语,其并不要求或排除存在例如“第一”或较低编号的术语,和/或例如“第三”或较高编号的术语。

在此对“一个或多个实例”的引用意味着结合实例描述的一个或多个特征、结构或特性被包括在至少一个实现中。说明书中不同地方的短语“一个或多个实例”可能指也可能不指同一个实例。

本文所用的“配置为”执行指定功能的系统、装置、结构、物品、元件、部件或硬件是确实能够在没有任何改变的情况下执行指定功能,而不仅具有在进一步修改之后才具有执行指定功能的潜力。换言之,“配置为”执行指定功能的系统、装置、结构、物品、元件、部件或硬件被特意选择、创建、实施、利用、编程和/或设计以达到执行指定功能的目的。本文所用的“配置为”意指系统、装置、结构、物品、元件、部件或硬件的现有特征,其使系统、装置、结构、物品、元件、部件或硬件能够执行指定的功能而无需进一步修改。出于本公开的目的,被描述为被“配置为”执行特定功能的系统、装置、结构、物品、元件、部件或硬件可以另外地或替代地被描述为被“适于”和/或“可操作性的”执行该功能。

下面提供了本文公开的主题的说明性且非详尽的实例。

图1示出了包括第一层110和第二层120的复合结构100的透视图。第一层110连接到第二层120以形成层状结构105。尽管复合结构100在图1中以飞机机翼的蒙皮面板示出,但本领域技术人员应理解所公开的复合结构100可用于各种应用,包括各种非航空航天应用。

在一个或多个实例中,复合结构100的第二层120包括多个基部140和多个珠状部130。多个基部140可以邻接复合结构100的层状结构105内的第一层110。多个珠状部130可以从多个基部140突出。因此,多个珠状部130中的每个珠状部130在第一层110和第二层120之间限定相关联的通道135,使得复合结构100包括多个通道135。

在一个或多个实例中,至少一个系统特征件300可以设置在多个通道135中的至少一个通道135中。该系统特征件300可以是例如电线310、导管320、电缆、管道、光纤等。在不脱离本公开的范围的情况下,可以在多个通道135内接收各种其他系统特征件300。

在一个或多个实例中,复合结构100的第二层120可由复合材料形成或可包括复合材料。第二层120的复合材料可包括封装在聚合物基质材料中的增强材料。作为特定的非限制性实例,增强材料可以是(或可以包括)碳纤维、玻璃纤维等,而聚合物基质材料可以是(或可以包括)热固性的(例如,环氧的)树脂。还可考虑使用各种热塑性树脂,例如聚芳醚酮。

在一个或多个实例中,复合结构100的层状结构105限定一个或多个检修孔150。在一个变型中,检修孔150延伸穿过第一层110和第二层120两者。在另一变型中,检修孔150仅延伸穿过层状结构105的第一层110。在又一变型中,检修孔150仅延伸穿过层状结构105的第二层120。因此,检修孔150可以位于多个珠状部130的一珠状部130中(图6),在多个基部140的一基部140上,或者复合结构100包括不止一个检修孔150,其中至少一个检修孔150位于珠状部130中且至少一个检修孔150位于基部140上。

图6所示的至少一个检修孔150允许进入多个珠状部130的一珠状部130内以进行维护。一个或多个系统特征件300可位于多个珠状部130的一珠状部130中。检修孔150允许一个或多个系统特征件300穿出到珠状部130的外部。

如图1所示,在一个或多个实例中,复合结构100还可包括密封至少一个检修孔150的检修孔盖板151(图1)。检修孔盖板151可以是流体密封的,从而防止流体穿过相关联的检修孔150。检修孔盖板151(燃料坝(fuel dam))被配置为易于从飞机机翼170外部接近以进行检查和维修,从而减少进入有限空间的需要。

在一个或多个实例中,复合结构100的第一层110没有珠状部130。可替换地,尽管在图中未示出,但第一层110可以包括多个珠状部130和多个基部140,类似于第二层120。

在一个或多个实例中,复合结构100的第一层110可由复合材料形成或可包括复合材料。第一层110的复合材料可包括封装在聚合物基质材料中的增强材料。作为特定的非限制性实例,增强材料可以是(或可以包括)碳纤维、玻璃纤维等,而聚合物基质材料可以是(或可以包括)热固性的(例如,环氧的)树脂。还可考虑使用各种热塑性树脂,例如聚芳醚酮。

如附图2A和2B中最佳示出的,在一个或多个实例中,第一层110可以限定检修孔150,从而提供到第一层110和第二层120之间的通道135(图1)的入口。本领域技术人员应理解,复合结构100可包括提供通往多个通道135(图1)的入口的一个以上的检修孔150。

图2A和图2B示出了多个珠状部130的珠状部130的两个实例。具体地,图2A示出了截面大致为帽形的珠状部130,而图2B示出了截面大致为圆形的珠状部130。

如图2A所示,多个珠状部130中的每个珠状部130可包括相对的侧壁部132和在侧壁部132之间延伸的盖部134。在一个或多个实例中,多个基部140具有第一标称截面厚度T

如图2A所示,第一层110具有第四标称截面厚度T

参照图2B,当多个珠状部130中的一个或多个珠状部130具有圆形形状的截面时,圆形的珠状部130可具有标称宽度W

在一个或多个实例中,如图3B所示,多个珠状部130中的每个珠状部130包括过渡到多个基部140中的基部140的渐缩端盖138。渐缩端盖138具有喇叭形(flared)几何形状,以从帽形或圆形的珠状部130过渡到第二层120的大致平面部分。在一个或多个实例中,渐缩端盖138与第二层120集成在一起,使得它们成为单个整体。在一个或多个实例中,渐缩端盖138单独形成(例如经冲压形成),然后与第二层120共同固化以实现集成。

如图2A和2B所示,层状结构105限定了过渡区域136,在该过渡区域,第二层120从多个基部140中的一基部140过渡到多个珠状部130中的一珠状部130。在一个或多个实例中,填充材料155设置在第一层110和第二层120之间的过渡区域136中。填充材料155在过渡区域136内限定圆角区域。在一个或多个实例中,填充材料155与层状结构105的第一层110和第二层120中的至少一个共同固化。

图4示出了第二层120的示例性实施例的一部分。在一个或多个实例中,第二层120包括至少一个整体凸缘128。整体凸缘128配置为与翼梁175对齐。在一个或多个实例中,整体凸缘128与翼梁175平行。

在一个或多个实例中,所公开的复合结构100的第一层110和第二层120可以共固化,从而产生复合结构100的层状结构105。可替换地,所公开的复合结构100的层状结构105可包括设置在第一层110和第二层120之间的粘合剂(未示出)。粘合剂可以沿着第二层120的基部140定位在第一层110的第一主表面112(图2B)和第二层120的第二主表面122(图2B)之间。

如图3A所示,公开了一种飞机机翼170。飞机机翼170可大致为渐缩的形状。在一个或多个实例中,飞机机翼170包括下蒙皮面板190和上蒙皮面板180。上蒙皮面板180和下蒙皮面板190中的至少一个包括所公开的复合结构100,该复合结构由第一层110和第二层120组成。第二层120连接到第一层110以形成层状结构105。在一个或多个实例中,第二层120包括邻接第一层110的多个基部140。第二层120还包括从多个基部140突出的多个珠状部130。在一个或多个实例中,多个珠状部130中的每个珠状部130限定第一层110和第二层120之间的通道135。多个珠状部130可以包括八个珠状部130。在一个或多个实例中,至少一个系统特征件300设置在多个通道135中。系统特征件300是电线310、导管320或本文中提供的任何其他系统特征件300之一。

在一个或多个实例中,如图1所示,上蒙皮面板180和下蒙皮面板190两者都具有包括第一层110和第二层120的层状结构105。第二层120连接到第一层110以形成层状结构105。在一个或多个实例中,第二层120包括邻接第一层110的多个基部140。第二层120还包括从多个基部140突出的多个珠状部130。在一个或多个实例中,多个珠状部130中的每个珠状部130限定第一层110和第二层120之间的通道135。多个珠状部130可以包括八个珠状部130。在一个或多个实例中,至少一个系统特征件300设置在多个通道135中。系统特征件300是电线310、导管320或本文中提供的任何其他系统特征件300之一。

在一个或多个实例中,飞机机翼170包括至少部分地由上蒙皮面板180、下蒙皮面板190和翼梁175限定的流体密封容积177。多个通道135与流体密封容积177流体隔离,使得没有液体污染设置在多个通道135的一通道135内的任何系统特征件300。在一个或多个实例中,飞机机翼170包括设置在上蒙皮面板180和下蒙皮面板190之间的至少一个肋部173。至少一个肋部173与上蒙皮面板180、下蒙皮面板190和翼梁175一起限定流体密封容积177。在一个或多个实例中,飞机机翼170包括一个以上的肋部173,这些肋部限定一个以上的流体密封容积177。在一个或多个实例中,至少一个流体密封容积177是燃料箱。

图5A示出了用于制造复合结构100的方法200的流程图。方法200包括沉积步骤210:将复合材料沉积在工具上以形成第二层120。第二层120包括多个珠状部130和多个基部140。在一个或多个实例中,多个珠状部130限定多个通道135。

在一个或多个实例中,方法200包括分布步骤220:将多个心轴分布在第二层120上以限定在多个珠状部130中的通道。在一个或多个实例中,分布220多个心轴包括分布220多个可溶解心轴。在一个或多个实例中,多个可溶解心轴包括陶瓷材料。陶瓷材料可溶于水。在一个或多个实例中,多个珠状部130限定多个通道135。

在一个或多个实例中,方法200包括沉积步骤230:将复合材料沉积在第二层120和多个心轴上以形成第一层110。第一层110没有珠状部130。

在一个或多个实例中,方法200包括粘结步骤240:将第一层110粘结到第二层120。通过同时地或顺序地固化253第一层110和第二层120中的一个或多个来实现粘结240。固化253可以在高压釜中进行。在一个或多个实例中,粘结240包括固化253第一层110。在一个或多个实例中,粘结240包括固化253设置在第一层110和第二层120之间的粘合剂。在一个或多个实例中,粘结240包括固化253第二层120。

在一个或多个实例中,用于制造复合结构100的方法200包括连接步骤250:将第一层110连接到第二层120以形成层状结构105。层状结构105的第二层120包括邻接第一层110的多个基部140和从多个基部140突出的多个珠状部130。在一个或多个实例中,多个珠状部130中的每个珠状部130限定第一层110和第二层120之间的通道135。

在一个或多个实例中,连接250包括共固化259第一层110和第二层120以形成层状结构105。

图5B示出了连接250的一个示例性实施例。在一个或多个实例中,连接250包括分别固化253第一层110和第二层120以产生固化的第一层110′和固化的第二层120′。连接250还包括将固化的第一层110′粘结255到固化的第二层120′以形成层状结构105。

图5C示出了连接250的另一示例性实施例。在一个或多个实例中,连接250包括固化第一层110和第二层120之一以产生固化层106和未固化层108。连接250还包括在固化层106和未固化层108之间施加257粘合剂。连接250还包括共固化259粘合剂和未固化层108以形成层状结构105。

本文公开的主题的实例可以在如图7所示的飞机制造和保养方法1100以及如图8所示的飞机1102的背景下描述。在预生产期间,说明性方法1100可以包括飞机1102的规格和设计(框1104)以及材料采购(框1106)。在生产过程中,可进行飞机1102的部件和子组件制造(框1108)和系统集成(框1110)。此后,飞机1102可以通过认证和交付(框1112)以投入使用(框1114)。在使用期间,飞机1102可被安排进行例行维护和保养(框1116)。日常维护和保养可包括飞机1102的一个或多个系统的修改、重新配置、翻新等。

说明性方法1100的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如,客户)执行或实施。出于此说明的目的,系统集成商可包括但不限于任何数量的飞机制造商和主系统分包商;第三方可包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商;以及运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。

如图8所示,通过说明性方法1100生产的飞机1102可以包括具有多个高级系统1120和内部1122的机身1118。高级系统1120的实例包括推进系统1124、电气系统1126、液压系统1128和环境系统1130中的一个或多个。可以包括任意数量的其他系统。尽管示出了航空实例,但本文公开的原理可以应用于其他行业,例如汽车行业。因此,除了飞机1102之外,本文公开的原理还可应用于其他交通工具,例如陆地交通工具、海洋交通工具、太空交通工具等。

本文所示或描述的装置和方法可以在制造和保养方法1100的任何一个或多个阶段期间使用。例如,对应于部件和子组件制造(框1108)的部件和子组件可以以类似于在飞机1102投入使用期间(框1114)生产的部件和子组件的方式装配或制造。此外,可以在生产阶段(框1108和框1110)期间利用装置、方法或其组合的一个或多个实例,例如,通过加快飞机1102的组装或降低其成本。同样地,例如但不限于,当飞机1102在使用期间(框1114)和/或在维护和保养期间(框1116)时,可以利用装置或方法实现的一个或多个实例或其组合。

根据本公开的进一步说明性和非排他性实例在以下段落中进行描述:

在根据本公开的实例中,复合结构(100)包括:

第一层(110);以及

第二层(120),连接到第一层(110)以形成层状结构(105),第二层(120)包括:

多个基部(140),邻接第一层(110);和

多个珠状部(130),从多个基部(140)突出,该多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)限定该第一层(110)与该第二层(120)之间的通道(135)。

可选地,在前述段落的复合结构(100)中,第一层(110)不具有珠状部(130)。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,第一层(110)和第二层(120)两者均包含复合材料。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,复合材料包括封装在聚合物基体材料中的增强材料。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,第二层(120)的多个基部(140)和多个珠状部(130)包括单个整体。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,还包括设置在第一层(110)和第二层(120)之间的粘合剂。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,粘合剂沿着第二层(120)的基部(140)设置在第一层(110)的第一主表面(112)和第二层(120)的第二主表面(122)之间。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,第一层(110)限定检修孔(150),该检修孔提供到第一层(110)和第二层(110)之间的通道(135)的入口。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)包括相对的侧壁部(132)和位于相对的侧壁部(132)之间的盖部(134)。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,其中:

多个基部(140)具有第一标称截面厚度(T

相对的侧壁部(132)具有第二标称截面厚度(T

盖部(134)具有第三标称截面厚度(T

第三标称截面厚度(T

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,第一标称截面厚度(T

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,其中:

多个基部(140)具有第一标称截面厚度(T

相对的侧壁部(132)具有第二标称截面厚度(T

盖部(134)具有第三标称截面厚度(T

第一标称截面厚度(T

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,其中:

多个基部(140)具有第一标称截面厚度(T

第一层(110)具有位于多个基部(140)的每个基部(140)处的第四标称截面厚度(T

第一层(110)具有位于多个珠状部(130)的每个珠状部(130)处的第五标称截面厚度(T

第五标称截面厚度(T

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,层状结构(105)限定过渡区域(136),在该过渡区域中第二层(120)从多个基部(140)中的基部(140)过渡到多个珠状部(130)中的珠状部(130),并且其中填充材料(155)设置在第一层(110)和第二层(120)之间的过渡区域(136)中。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,层状结构(105)限定检修孔(150)。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,包括密封检修孔(150)的检修孔盖板(151)。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,第二层(120)包括至少一个整体凸缘(128)。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)为帽形。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,其中:

多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)具有标称宽度(W

多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)具有标称高度(H

标称高度(H

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)是细长的。

可选地,在前述段落之一的复合结构(100)中,多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)包括过渡到多个基部(140)中的基部(140)的渐缩端盖(138)。

在根据本公开的另一实例中,一种飞机机翼(170)包括:

上蒙皮面板(180);和

下蒙皮面板(190),其中上蒙皮面板(180)和下蒙皮面板(190)中的至少一个包括:

第一层(110);以及

第二层(120),连接到第一层(110)以形成层状结构(105),第二层(120)包括:

多个基部(140),邻接第一层(110);和

多个珠状部(130),从多个基部(140)突出,该多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)限定该第一层(110)与该第二层(120)之间的多个通道(135)中的相关联通道(135)。

可选地,在前述段落中的飞机机翼(170)中,包括设置在上蒙皮面板(180)和下蒙皮面板(190)之间的至少一个翼梁(175)。

可选地,在前述段落之一中的飞机机翼(170)中,包括至少部分地由以下各项限定的流体密封容积(177):

上蒙皮面板(180),

下蒙皮面板(190),以及

翼梁(175)。

可选地,在前述段落之一的飞机机翼(170)中,多个通道(135)与流体密封容积(177)流体隔离。

可选地,在前述段落之一的飞机机翼(170)中,系统特征件(300)设置在多个通道(135)中。

可选地,在前述段落之一的飞机机翼(170)中,系统特征件(300)是电线(310)和导管(320)中的至少一个。

可选地,在前述段落之一的飞机机翼(170)中,包括设置在上蒙皮面板(180)和下蒙皮面板(190)之间的至少一个肋部(173)。

在根据本公开的另一实例中,公开一种用于制造复合结构(100)的方法(200),该方法(200)包括:

沉积步骤(210),将复合材料沉积在工具上以形成第二层(120),第二层(120)具有多个基部(140)和多个珠状部(130);

分布步骤(220),将多个心轴分布在第二层(120)上以限定在多个珠状部(130)中的通道;

沉积步骤(230),将复合材料沉积在第二层(120)和多个心轴上,以形成第一层(110);以及

粘结步骤(240),将第一层(110)粘结到第二层(120)。

可选地,在前述段落的方法(200)中,在分布步骤(220)中分布多个心轴包括分布(220)多个可溶解心轴。

可选地,在前述段落之一的方法(200)中,多个可溶解心轴包括陶瓷材料。

可选地,在前述段落之一的方法(200)中,其中粘结步骤(240)包括固化第一层(110)。

可选地,在前述段落之一的方法(200)中,粘结步骤(240)包括固化设置在第一层(110)和第二层(120)之间的粘合剂。

可选地,在前述段落之一的方法(200)中,粘结步骤(240)包括固化第二层(120)。

在根据本公开的另一实例中,公开一种用于制造复合结构(100)的方法(200),该方法(200)包括:

连接步骤(250),将第一层(110)连接到第二层(120)以形成层状结构(105),第二层(120)包括:

多个基部(140),邻接第一层(110);和

多个珠状部(130),从多个基部(140)突出,该多个珠状部(130)中的每个珠状部(130)限定该第一层(110)与该第二层(120)之间的通道(135)。

可选地,在前述段落的方法(200)中,连接步骤(250)包括共固化第一层(110)和第二层(120)。

可选地,在前述段落之一的方法(200)中,连接步骤(250)包括:

分别固化第一层(110)和第二层(120),以产生固化的第一层(110′)和固化的第二层(120′);以及

将固化的第一层(110′)粘结到固化的第二层(120′)。

可选地,在前述段落之一的方法(200)中,连接步骤(250)包括:

固化第一层(110)和第二层(120)中的一个,以产生固化层(106)和未固化层(108);

在固化层(106)和未固化层(108)之间施加粘合剂;以及

共固化粘合剂和未固化层(108)。

本文公开的装置和方法的不同实例包括各种部件、特征和功能。应当理解,本文公开的装置和方法的各种实例可以包括本文公开的装置和方法的任何其他实例的任何部件、特征和功能的任何组合。

尽管已经示出和描述了所公开的珠状复合结构和用于制造珠状复合结构的方法的各种实例,但本领域技术人员在阅读说明书后可以想到修改。本申请包括这样的修改并且仅由权利要求的范围限制。

因此,应当理解,本文公开的主题不限于所示的具体实例,并且修改和其他实例旨在包括在所附权利要求的范围内。此外,尽管上述说明和相关的附图描述了本文公开的主题的实例,但在元件和/或功能的某些说明性组合的上下文中,应当理解,元件和/或功能的不同组合可以是在不脱离所附权利要求的范围的情况下由替代实施方式提供。因此,所附权利要求中的括号中的参考数字仅用于说明目的,并不旨在将要求保护的主题的范围限制在本文提供的特定实例中。

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