專利名稱：孔增強結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種孔增強結(jié)構(gòu)，具體而言，本發(fā)明公開的主題涉及用于增強材料中的孔(或孔洞)的結(jié)構(gòu)，以及形成所述增強結(jié)構(gòu)的相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
諸如具有孔洞的平板或殼的結(jié)構(gòu)可能會應(yīng)力過度，如果在所述結(jié)構(gòu)的孔洞與接合栓或螺栓之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移超過了所述結(jié)構(gòu)的材料的剪切強度。例如，在孔洞位置處的剪切撕裂可能在整體結(jié)構(gòu)(例如板)中以及在由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)中發(fā)生。由復(fù)合材料組成的板或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可具有正交各向異性性質(zhì)，其中在平行于復(fù)合材料的纖維的方向上的這種復(fù)合材料的強度和剛度大于在橫切纖維的方向上的這種復(fù)合材料的強度和剛度。施加到接近這種正交各向異性材料中的孔洞的應(yīng)力可超過在平行方向、橫向方向，和/或平行和橫向之間的方向上的所述結(jié)構(gòu)的材料特性的剪切強度或拉伸強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個方面提供一種孔增強結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，公開了一種復(fù)合層壓材料，其包括在其中具有第一孔的第一片狀材料；在其中具有與所述第一孔對應(yīng)的第二孔的第二片狀材料；以及增強結(jié)構(gòu)，所述增強結(jié)構(gòu)具有粘附至第一片狀材料或第二片狀材料中的至少一個上的包含多個卷繞的連續(xù)纖維，所述多個卷繞圍繞所述第一孔或第二孔中的至少一個；和將所述多個卷繞彼此結(jié)合的樹脂。本發(fā)明的第一方面包括一種復(fù)合層壓材料，其具有在其中具有第一孔的第一片狀材料；在其中具有與所述第一孔對應(yīng)的第二孔的第二片狀材料；以及增強結(jié)構(gòu)，所述增強結(jié)構(gòu)具有粘附至第一片狀材料或第二片狀材料中的至少一個上的包含多個卷繞的連續(xù)纖維，所述多個卷繞圍繞所述第一孔或第二孔中的至少一個；和將所述多個卷繞彼此結(jié)合的樹脂。所述纖維具有大于40度短麻屑彎曲角的剛度。所述樹脂具有在所述多個卷繞之間大約0. 018至0. 024厘米的厚度。所述增強結(jié)構(gòu)具有大約等于所述連續(xù)纖維的寬度的厚度。所述第一片狀材料或所述第二片狀材料中的至少一個為正交各向異性的。所述第一孔和所述第二孔為基本上圓形的。所述多個卷繞基本上同心地圍繞所述第一孔或所述第二孔中的至少一個。本發(fā)明的第二方面包括一種復(fù)合層壓材料，其具有多個堆積的片狀材料，每個片狀材料在其中包含基本上圓形的孔，所述基本上圓形的孔的每一個基本上被對齊；以及散布在所述多個堆積的片狀材料之間的多個增強結(jié)構(gòu)，所述多個增強結(jié)構(gòu)的每一個具有粘附至所述多個堆積的片狀材料的至少一個上的包含多個卷繞的連續(xù)纖維，所述多個卷繞圍繞所述基本上圓形的孔；和將所述多個卷繞彼此結(jié)合的樹脂。所述纖維具有大于40度短麻屑彎曲角的剛度。所述樹脂具有在所述多個卷繞之間大約0.018至0. OM厘米的厚度。所述多個卷繞基本上同心地圍繞所述基本上圓形的孔。 所述增強結(jié)構(gòu)中的每一個具有大約等于所述連續(xù)纖維的寬度的厚度。所述第一片狀材料或所述第二片狀材料中的至少一個為正交各向異性的。本發(fā)明的第三方面包括一種增強的整體材料，其包括在其中具有基本上圓形的孔的單個片狀材料；以及粘附至所述單個片狀材料的增強結(jié)構(gòu)，所述增強結(jié)構(gòu)包括粘附至所述單個片狀材料的具有多個卷繞的連續(xù)纖維，所述多個卷繞圍繞所述基本上圓形的孔；和將所述多個卷繞彼此結(jié)合的樹脂。所述纖維具有大于40度短麻屑彎曲角的剛度。所述樹脂具有在所述多個卷繞之間大約0. 018至0. 024厘米的厚度。所述增強結(jié)構(gòu)具有大約等于所述連續(xù)纖維的寬度的厚度。所述單個片狀材料為正交各向異性的。所述孔為基本上圓形的。所述多個卷繞基本上同心地圍繞所述基本上圓形的孔。


通過本發(fā)明的各個方面的如下詳細(xì)說明結(jié)合描述本發(fā)明的多個實施例的附圖，本發(fā)明的這些和其他特征將更易于理解，在附圖中
圖1-3顯示了傳統(tǒng)材料增強系統(tǒng)的剖開俯視圖。 圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的增強結(jié)構(gòu)的孤立俯視圖。 圖5顯示了用于產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的實施例的增強結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的三維透視圖。 圖6顯示了用于產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的實施例的增強結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的部分剖開側(cè)視圖。 圖7顯示了包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的增強結(jié)構(gòu)的復(fù)合層壓材料的剖開俯視圖。 應(yīng)注意本發(fā)明的附圖不是按比例繪制的。附圖僅旨在描述本發(fā)明的典型方面，因此不應(yīng)被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。在附圖中，同樣的數(shù)字在附圖之間表示同樣的元件。附圖標(biāo)記列表
10增強系統(tǒng)
12材料
14孔
16交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)
18交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)
20邊緣裂化
22基于剪切的破壞裂化
40增強結(jié)構(gòu)
42連續(xù)纖維
44卷繞
46材料
48孔
50樹脂
60系統(tǒng)
62心軸
64引導(dǎo)盤
66漿料托盤70復(fù)合層壓材料
具體實施例方式如本說明書所述，解決復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)局限性的傳統(tǒng)方法是包括具有交替的 90度取向的交叉簾布層層壓材料(cross-ply laminate)的交替圖案。進(jìn)行該傳統(tǒng)方法以在超過一個方向上排列所述復(fù)合層壓材料的纖維，這用于消除復(fù)合材料的正交各向異性性質(zhì)的強度局限性。然而，交叉簾布層層壓材料方法仍然僅解決了在兩個方向上(例如平行于材料纖維和橫切于材料纖維)的材料強度局限性。所述方法仍然未能防止在除了平行于材料纖維和橫切于材料纖維之外的方向上的邊緣裂化、基于剪切的破壞裂化等。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的多個方面包括螺旋纏繞纖維，該纖維提供對結(jié)構(gòu)中的孔洞的周向增強。本發(fā)明的這些方面可提供對結(jié)構(gòu)中的孔洞的增強，而不論所述結(jié)構(gòu)在最終部件中的取向如何。本發(fā)明的多個方面可提供與傳統(tǒng)孔洞增強機理相比降低的邊緣裂化和基于剪切的破壞裂化。例如，在一個實施例中，公開了一種復(fù)合層壓材料，該復(fù)合層壓材料包括a)在其中具有第一孔的第一片狀材料；b)在其中具有與所述第一孔對應(yīng)的第二孔的第二片狀材料；以及c)增強結(jié)構(gòu)，所述增強結(jié)構(gòu)包括粘附至第一片狀材料或第二片狀材料中的至少一個上的具有多個卷繞的連續(xù)纖維，所述多個卷繞圍繞所述第一孔或第二孔中的至少一個；和將所述多個卷繞彼此結(jié)合的樹脂。在另一實施例中，本發(fā)明的多個方面提供了一種形成配置用于增強材料中(例如在復(fù)合材料或整體材料中)的孔的增強結(jié)構(gòu)的方法。在一些實施例中，所述方法可包括將纖維圍繞在一對引導(dǎo)盤(guide discs)之間的中心軸纏繞，并使用樹脂基漿料將所述纖維結(jié)合至其自身以形成增強結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向圖1，顯示了一種傳統(tǒng)材料增強系統(tǒng)10的剖開俯視圖。在該傳統(tǒng)系統(tǒng)中，顯示了一片設(shè)有孔14的材料(例如片狀整體材料或復(fù)合材料)12。在一個實施例中，孔14在ζ 方向(進(jìn)入頁面，沿ζ軸)基本上貫穿材料12延伸。應(yīng)了解可將孔14配置為容納連接元件，如栓、螺栓、鉚釘、螺釘?shù)?未顯示)。在增強系統(tǒng)10中也顯示了交叉簾布層增強結(jié)構(gòu) 16、18，所述交叉簾布層(cross-ply)增強結(jié)構(gòu)可作為層壓材料粘附至材料12，或可在初始材料12內(nèi)形成(例如作為插入物)。如所示，交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)包括以大約90度角(分別沿χ軸和y軸)交叉的增強元件16、18。在任何情況中，如關(guān)于具有孔的增強材料的傳統(tǒng)方法所述，交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)16、18可能不能在除了 χ軸和y軸之外的方向上防止諸如邊緣裂化和/或基于剪切的破壞裂化的材料破壞。圖2顯示了圖1的傳統(tǒng)材料增強系統(tǒng)10，并進(jìn)一步說明了接近孔14的邊緣裂化 20。如本說明書所述，邊緣裂化20可能例如由于“撕裂”或沿ζ軸(進(jìn)入頁面或離開頁面)， 垂直于片狀材料12的平面表面施加的其他力而發(fā)生。在該情況中，例如，栓或螺栓通過孔 14的移動可造成邊緣裂化20，并隨后造成材料破壞。圖3顯示了圖1的傳統(tǒng)材料增強系統(tǒng)10，并進(jìn)一步說明了接近孔14的基于剪切的破壞裂化22。如本說明書所述，基于剪切的破壞裂化22可能由于在孔14內(nèi)沿y軸(或，例如在其他情況中沿χ軸)施加比交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)18(或16，沿χ軸)所能承受更大的力而發(fā)生。這導(dǎo)致初始孔14的伸長，并接近初始孔14的沿y軸裂化。沿y軸(在其他情況中，或χ軸，或x-y軸等)施加的所述力可通過螺栓、螺釘、栓或在孔14內(nèi)接納的其他元件而進(jìn)行施加。例如，栓可經(jīng)受在y軸方向上的剪切力，并將該剪切力傳遞至孔14的內(nèi)表面，由此拉伸所述孔。轉(zhuǎn)向圖4，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的增強結(jié)構(gòu)40的孤立俯視圖。如所示， 增強結(jié)構(gòu)40可包括一種具有多個卷繞44的連續(xù)纖維42，其可粘附至至少一個片狀材料 46(以虛線顯示)以用于增強其中的孔48。應(yīng)了解材料46和孔48以虛線顯示用以說明增強結(jié)構(gòu)40可與材料46分開形成，并隨后經(jīng)由例如層壓至一個或多個片狀材料46來進(jìn)行粘合。纖維42的卷繞44可圍繞孔48(在該實施例中為圓孔)形成基本上同心的旋轉(zhuǎn)。然而，應(yīng)了解其他卷繞，例如橢圓形卷繞，也可用于增強例如橢圓形孔。在一個實施例中，纖維 42可為大約0.015至0.020厘米寬，剛度大于40度短麻屑彎曲角(tow bend angle)。如本領(lǐng)域已知，術(shù)語“短麻屑”(tow)可指纖維42的結(jié)構(gòu)，其中所述纖維42可由多個圍繞公共軸線纏繞的纖維單元組成，如在線中一樣。傳統(tǒng)的“下垂角”測試可用于測定纖維42的剛度，其中，在一個實施例中，纖維42具有每10厘米纖維42的未受支撐長度大約2厘米的下垂。如所示，設(shè)在卷繞44之間也顯示了樹脂50，其用于將每個相鄰的卷繞44彼此結(jié)合。如本說明書進(jìn)一步所述，樹脂50可由例如聚乙烯醇縮丁醛聚合物粘合劑形成，所述聚乙烯醇縮丁醛聚合物粘合劑在室溫下可為半剛性的，從而允許在組裝過程中進(jìn)行處理。樹脂50可在厚度為大約0. 015至0. 020厘米的相鄰卷繞44之間形成。在一個實施例中，可在將纖維 42纏繞成卷繞44之前將樹脂50施加至纖維42，如本說明書進(jìn)一步所述。應(yīng)了解在一些實施例中，可在將纖維42粘附至材料46之前在卷繞44的形成過程中將樹脂施加至纖維42。轉(zhuǎn)向圖5和6，分別顯示了用于產(chǎn)生增強結(jié)構(gòu)(例如圖4的增強結(jié)構(gòu)40)的系統(tǒng) 60的三維透視圖和部分剖開側(cè)視圖。在一個實施例中，系統(tǒng)60可包括心軸62、一對引導(dǎo)盤 64，以及漿料托盤66 (在圖5-6中所示意)。如虛線箭頭所指示，纖維42可經(jīng)由心軸62的旋轉(zhuǎn)(例如在圖6中順時針)而圍繞心軸62纏繞。S卩，可將纖維42的第一端粘附至心軸 62的表面(例如經(jīng)由化學(xué)或機械固定裝置，如粘合劑或栓)，且心軸62可由操作者(例如人工操作者或機器)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。心軸62可拉引纖維42，而引導(dǎo)盤64控制纖維42沿心軸62 的旋轉(zhuǎn)軸的運動，使得纖維42的每個卷繞44(圖6)在相鄰卷繞44上纏繞，從而產(chǎn)生基本上同心的結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，引導(dǎo)盤64分開大約0.018至0.0 厘米設(shè)置(距離D)， 所述距離可為大于纖維42的厚度，但小于纖維42的兩個接觸部分的厚度。在一個實施例中，可將纖維42進(jìn)料通過漿料托盤66，以在圍繞心軸62纏繞之前用樹脂50基本上涂布纖維42的外表面(圖6)。樹脂50可包含能夠在纖維42的卷繞44圍繞心軸62纏繞時將纖維42的相鄰卷繞44結(jié)合在一起的粘合劑。此外，在一些實施例中，可將樹脂50配置為對熱發(fā)生反應(yīng)。例如，在一些情況中，當(dāng)樹脂50和纖維42的混合不是所想要的，則樹脂50例如在燒盡階段過程中(例如在大約400攝氏度下)可為可消耗的。在其他情況中，當(dāng)(纖維 42和樹脂50的)復(fù)合材料被加工至固結(jié)(例如經(jīng)由在設(shè)計加工環(huán)境中加熱并隨后冷卻) 時，樹脂50可變得與纖維42結(jié)合為一體。在任何情況中，不論樹脂50是被保留或是被消耗，本說明書所述的一個或多個方法可具有形成能夠被粘合至片狀材料(或與片狀材料結(jié)合為一體)的增強結(jié)構(gòu)(例如增強結(jié)構(gòu)40)的技術(shù)效果。盡管本說明書主要顯示和描述了纖維42的連續(xù)纏繞的卷繞44，但應(yīng)了解纖維42的一個或多個卷繞44可分開形成(例如作為周向增強元件，如環(huán))并彼此粘合。即，每個卷繞可經(jīng)由圖5和6的系統(tǒng)60形成，但在一些情況中，相鄰卷繞可例如經(jīng)由樹脂而結(jié)合在一起，而無需圍繞心軸62連續(xù)纏繞。轉(zhuǎn)向圖7，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的復(fù)合層壓材料70的剖開俯視圖。在一個實施例中，復(fù)合層壓材料70包括一個在其中具有孔14的第一片狀材料12 (例如片狀金屬，如鋼、鋁等)。在一些實施例中，所述第一片狀材料12 (或復(fù)合層壓材料中的其他片狀材料)可為基本上正交各向異性的。即，這些正交各向異性的材料在平行于材料纖維的方向上的強度和剛度大于在橫切于材料纖維的方向上的強度和剛度。應(yīng)了解復(fù)合層壓材料70 可包括多個彼此堆積(例如沿ζ軸)的片狀材料12，其中那些片狀材料12的至少兩個在其中包括孔14。還應(yīng)了解在所述多個片狀材料12中的孔14可基本上被對齊，使得孔洞貫穿所述多個片狀材料12延伸。為了說明清楚起見，從該剖視圖中省略這些另外的片狀材料 12。圖7也顯示了復(fù)合層壓材料70可包括根據(jù)本說明書所述的實施例的增強結(jié)構(gòu)40。 增強結(jié)構(gòu)40可基本上類似于參照圖4-6描述的增強結(jié)構(gòu)40，并可根據(jù)特別參照圖5-6所述的方法形成。如所示，可將增強結(jié)構(gòu)40配置為基本上圍繞孔14，并經(jīng)由多個卷繞(例如基本上圓形的卷繞)提供對孔14的增強。也顯示復(fù)合層壓材料70包括參照傳統(tǒng)片狀材料描述的交叉簾布層增加結(jié)構(gòu)16、18。然而，在一個實施例中，增強結(jié)構(gòu)40可代替交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)16、18中的一個或多個部分，使得片狀材料(例如材料12)可包括一個或多個由增強結(jié)構(gòu)40而不是交叉簾布層增強結(jié)構(gòu)16、18增強的孔(例如孔14)。如本說明書所述，增強結(jié)構(gòu)40可具有大約等于纖維42的寬度的厚度(沿ζ軸)。 即，增強結(jié)構(gòu)40可在ζ方向上占據(jù)不大于大約纖維42的寬度。這可允許將增強結(jié)構(gòu)40設(shè)置于復(fù)合層壓材料里的材料層(例如材料12)之間，在材料的整體層內(nèi)；或?qū)⒃鰪娊Y(jié)構(gòu)40 粘附至一層材料而不顯著增加材料-增強結(jié)構(gòu)組合的厚度。如本說明書所述，本發(fā)明的方面提供了相比于傳統(tǒng)方法對材料(例如整體材料或復(fù)合材料)中的孔的更有效的增強。與傳統(tǒng)增強系統(tǒng)相比，本發(fā)明的實施例的增強結(jié)構(gòu)可能能夠在平面中360度范圍內(nèi)增強孔。即，除了沿材料的χ和χ軸(例如，沿正χ-y軸，負(fù) x-y軸等)的應(yīng)力，沿其它角度施加的應(yīng)力可通過本說明書所述的增強結(jié)構(gòu)而被降低。本說明書所用的術(shù)語僅為了描述特定實施例的目的，并不旨在限制本發(fā)明。本說明書所用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“所述”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚作出相反表示。還應(yīng)了解當(dāng)在本說明書中使用時，術(shù)語“包括”和/或“包括著”指所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一種或多種其他特征、整數(shù)、步驟、操作、 元件、組件和/或其組合的存在或添加。本說明書使用包括最佳方式的實例來公開本發(fā)明，并使得任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及進(jìn)行任何引入的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求書限定，并可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實例。如果其他實例具有與權(quán)利要求書的文字語言相同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求書的文字語言具有非實質(zhì)性差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其他實例旨在落入權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合層壓材料(70)，所述復(fù)合層壓材料包括 在其中具有第一孔(14)的第一片狀材料(12)；在其中具有與所述第一孔(14)對應(yīng)的第二孔G8)的第二片狀材料G6)；以及增強結(jié)構(gòu)(40)，所述增強結(jié)構(gòu)00)具有粘附至所述第一片狀材料(1 或第二片狀材料G6)中的至少一個上的包含多個卷繞 (44)的連續(xù)纖維(42)，所述多個卷繞04)圍繞所述第一孔(14)或所述第二孔08)中的至少一個；和將所述多個卷繞G4)彼此結(jié)合的樹脂(50)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述纖維0 具有大于40 度短麻屑彎曲角的剛度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述樹脂(50)具有在所述多個卷繞G4)之間大約0. 018至0. 024厘米的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述增強結(jié)構(gòu)GO)具有大約等于所述連續(xù)纖維G2)的寬度的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述第一片狀材料(12)或所述第二片狀材料G6)中的至少一個為正交各向異性的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述第一孔(1 和所述第二孔G6)為基本上圓形的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述多個卷繞G4)基本上同心地圍繞所述第一孔(1 或所述第二孔G6)中的至少一個。
8.一種復(fù)合層壓材料(70)，其包括多個堆積的片狀材料(12，46)，每個片狀材料在其中具有基本上圓形的孔(14，48)，所述基本上圓形的孔(14，48)中的每一個基本上對準(zhǔn)；以及散布在所述多個堆積的片狀材料(12，46)之間的多個增強結(jié)構(gòu)(40)，所述多個增強結(jié)構(gòu)GO)中的每一個具有粘附至所述多個堆積的片狀材料(12，46)中的至少一個上的包含多個卷繞G4)的連續(xù)纖維(42)，所述多個卷繞04)圍繞所述基本上圓形的孔(14，48)；和將所述多個卷繞G4)彼此結(jié)合的樹脂(50)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合層壓材料(70)，其特征在于所述纖維0 具有大于40 度短麻屑彎曲角的剛度。
10.一種經(jīng)增強的整體材料，其包括在其中具有孔G8)的單個片狀材料G6)；以及粘附至所述單個片狀材料G6)的增強結(jié)構(gòu)(40)，所述增強結(jié)構(gòu)00)包括 粘附至所述單個片狀材料G6)的包含多個卷繞G4)的連續(xù)纖維(42)，所述多個卷繞 (44)圍繞所述孔(48)；和將所述多個卷繞G4)彼此結(jié)合的樹脂(50)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種孔增強結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，公開了一種復(fù)合層壓材料，其包括在其中具有第一孔的第一片狀材料；在其中具有與所述第一孔對應(yīng)的第二孔的第二片狀材料；以及增強結(jié)構(gòu)，所述增強結(jié)構(gòu)具有粘附至第一片狀材料或所述第二片狀材料中的至少一個上的包含多個卷繞的連續(xù)纖維，所述多個卷繞圍繞所述第一孔或所述第二孔中的至少一個；和將所述多個卷繞彼此結(jié)合的樹脂。
文檔編號B29C70/10GK102555228SQ20111038585
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者H·C·羅伯茨三世, R·L·K·馬特蘇莫托 申請人:通用電氣公司