專利名稱：旋翼飛機(jī)的用纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料翼梁以及制造這種翼梁的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是1994年8月31提交的，名稱為“旋翼飛機(jī)的用纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料翼梁以及制造這種翼梁的方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)No．08/416，740的部分續(xù)續(xù)申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及用纖維加強(qiáng)的樹脂基體復(fù)合材料，更具體的說，涉及結(jié)構(gòu)性能加強(qiáng)了的旋翼飛機(jī)的用纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料翼梁，以及用于制造這種翼梁的方法和用于制造這種復(fù)合材料翼梁的翼梁成形設(shè)備。
旋翼葉片的翼梁是直升機(jī)旋翼葉片部件最主要的結(jié)構(gòu)件，它的主要功能是給/從中央扭矩驅(qū)動(dòng)裝置的葉轂構(gòu)件傳遞折翼方向的載荷，邊緣載荷，扭力載荷和離心載荷。通常，在翼梁上安裝并包裹著前緣護(hù)套和后緣外殼部件，從而形成了機(jī)翼的輪廓。翼梁一般在旋翼葉片的全長(zhǎng)上延伸，并且其內(nèi)側(cè)的一端安裝在根套部件或接頭上，以便于安裝在葉轂構(gòu)件上。由于旋翼葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的載荷條件十分嚴(yán)酷，所以過去都選用鋁或鈦那樣的高強(qiáng)度和高密度的材料來制作翼梁構(gòu)件。
但是，最近已經(jīng)在采用纖維加強(qiáng)的樹脂基體復(fù)合材料，例如石墨和玻璃纖維，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的強(qiáng)度重量比，抗腐蝕性能好并且有很高的強(qiáng)度極限。關(guān)于最后一種性能，復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)纖維可以看作是許多備用的荷載通道，當(dāng)一條或多條纖維損壞時(shí)，可以由相鄰纖維承受荷載的能力來彌補(bǔ)。
盡管先進(jìn)的復(fù)合材料在重量和強(qiáng)度上有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，其相應(yīng)的制造方法高昂的費(fèi)用阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)人員來說，把對(duì)結(jié)構(gòu)性能的高要求與低成本的制造工藝融合在一起，即，既要減少昂貴的勞動(dòng)工藝過程的步驟，還要保持綜合質(zhì)量，一直是一種挑戰(zhàn)。
設(shè)計(jì)人員所要考慮的主要結(jié)構(gòu)上的問題包括選擇纖維加強(qiáng)件，即，具有所要求的機(jī)械性能的各種材料，樹脂粘結(jié)劑，纖維基體的方向性，纖維的連續(xù)性，減輕由于層片的松散或結(jié)合構(gòu)造而造成的應(yīng)力集中，以及減少熱應(yīng)力。為了最大限度利用復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，最根本的一點(diǎn)是纖維的方向要在最大程度上編制成與特定應(yīng)用狀態(tài)對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求一致。就是說，復(fù)合材料可以制成各向異性的(能承受特定方向上的載荷)，而不是準(zhǔn)各向同性的(各個(gè)方向上的強(qiáng)度相等)；因此，使得纖維都沿著載荷的方向?qū)⒆钣欣谥瞥芍亓啃首罡叩臉?gòu)件。同樣，借助于改變能夠使用的基體加強(qiáng)材料(例如石墨、玻璃纖維、阿拉伯纖維)，設(shè)計(jì)人員就能夠控制這樣一些參數(shù)，例如，動(dòng)載和靜載彎曲強(qiáng)度，剛度和韌性。除了選擇材料和/或優(yōu)化纖維的方向之外，纖維的連續(xù)性或不連續(xù)性，以及連接不連續(xù)的層片的方法也對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度有很大的影響。通常，都希望保持纖維的連續(xù)性和使接頭交錯(cuò)排列，以防止應(yīng)力集中和/或應(yīng)力在特定的區(qū)域內(nèi)積累起來。另一個(gè)需要考慮的問題是熱應(yīng)力，它可能導(dǎo)致顯微裂紋。顯微裂紋是這樣一種現(xiàn)象，其中，因?yàn)闊岫a(chǎn)生的應(yīng)力由于相鄰的復(fù)合材料的熱性能不匹配而使得粘結(jié)劑材料中的小裂紋擴(kuò)大了。一般，最好在整個(gè)一層中采用同樣的材料，或者采用導(dǎo)熱系數(shù)相同的材料，以減小上述效應(yīng)。
面對(duì)一種具體的制造技術(shù)，必須衡量和比較它的成本和復(fù)雜程度。通常，這種制造方法應(yīng)該是盡量減少切割工序和下腳料，方便運(yùn)輸，便于在實(shí)踐上最大程度的自動(dòng)化，最大限度減少操作者/制造者犯錯(cuò)誤的可能性，能夠重現(xiàn)，保持均勻的纖維量，提供均勻的產(chǎn)品質(zhì)量(通過均勻的壓實(shí))，以及提供重量均衡的層片材料，即，恰當(dāng)?shù)胤植紡?fù)合材料制品的重量。
常用的制造復(fù)合材料翼梁的方法包括長(zhǎng)纖維的卷繞和復(fù)合材料層片的預(yù)浸處理成層。長(zhǎng)纖維的卷繞過程是把處在粘結(jié)劑材料基體中的高強(qiáng)度纖維卷繞在一根芯軸部件上，芯軸的形狀一般與成品所要求的形狀相符。上述芯軸部件一般具有堅(jiān)固的底部結(jié)構(gòu)，以支承卷繞好的基材，以及布置在堅(jiān)固的底部結(jié)構(gòu)上的不透水的軟外殼或軟墊。當(dāng)制造長(zhǎng)形制品，例如旋翼葉片的翼梁時(shí)，長(zhǎng)纖維要卷繞在上述芯軸上，而芯軸和長(zhǎng)纖維之間要沿著芯軸的縱軸線或卷繞軸線作相對(duì)的往復(fù)移動(dòng)，以便重疊成許多層纖維材料。當(dāng)完成長(zhǎng)纖維的卷繞工藝過程之后，把這個(gè)芯軸/卷繞好的層片放置在成對(duì)的金屬模具中進(jìn)行處理。在處理過程中，要對(duì)軟外殼加壓，使纖維緊壓在成對(duì)的金屬模具的表面上。
纖維卷繞件的優(yōu)點(diǎn)在于纖維的連續(xù)性(即，這種工藝過程不需要切割或纖維層的重疊)，易于運(yùn)輸，以及它的可重復(fù)性。但是，纖維卷繞件的最主要缺點(diǎn)是迫使纖維擴(kuò)張/壓向相配的金屬模具的模具表面很困難。因?yàn)樽畛跏窃趶埩ο掳牙w維繞在芯軸上的，所以很難在對(duì)軟墊加壓時(shí)迫使它伸長(zhǎng)和/或移位，達(dá)到適當(dāng)?shù)膶訅壕o密度。如果這些纖維經(jīng)受得了完全而均勻的壓縮，那么這種復(fù)合材料制品很可能是在特定區(qū)域的樹脂過多或或者過少，將導(dǎo)致很差的層壓件質(zhì)量。如果是橢圓形的復(fù)合材料制品，則其圓錐形部位，即，與旋翼葉片的前緣和后緣對(duì)應(yīng)的部位，將是不能接受纖維量變化的最脆弱的部位。長(zhǎng)纖維卷繞法的另一個(gè)缺點(diǎn)是很難在纖維相對(duì)于芯軸部件的縱軸線或卷繞軸線的方向?yàn)?度或接近0度時(shí)進(jìn)行操作。由于長(zhǎng)纖維卷繞設(shè)備有這方面的缺陷，所以在平常的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要周期性地中斷卷繞操作，把方向一致的纖維，即方向?yàn)?度的纖維交織進(jìn)去。
授予Reavely等人的美國(guó)專利No．4，621，980公開了一種結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)的，通過長(zhǎng)纖維卷繞工藝方法制成的旋翼葉片翼梁。Reavely提供了一種含有石墨纖維層的多層長(zhǎng)纖維卷繞復(fù)合材料的翼梁，它的纖維相對(duì)于縱軸線所成的角度小于±35度，而聚酰胺纖維所成的角度小于±15度。這種兩種纖維方向就能夠利用長(zhǎng)纖維卷繞工藝方法來獲得可接受的軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的結(jié)合。就是說，小的角度用于達(dá)到所要求的軸向剛度，因?yàn)殚L(zhǎng)纖維的卷繞不適合于把纖維的方向放置成與縱軸線成零度角。因此，這種工藝方法提供了一種鋪設(shè)方法，它妥善解決了對(duì)纖維方向的要求，即，角度為零度或接近零度，以便能實(shí)施長(zhǎng)纖維的卷繞或自動(dòng)化的制造工藝過程。
預(yù)浸處理的樹脂浸漬技術(shù)應(yīng)用預(yù)先填滿了復(fù)合材料纖維的松散的層片或?qū)訅杭檬止ぐ阉鼈儻B加起來，然后交錯(cuò)地鋪在可脹大的芯軸部件上。芯軸部件放置在一個(gè)配對(duì)的金屬模具內(nèi)，然后在蒸壓釜中用高溫和壓力進(jìn)行處理。當(dāng)模制橢圓形制品時(shí)，這種鋪設(shè)方法一般會(huì)在層疊的復(fù)合材料層片之間的界面上產(chǎn)生“滑動(dòng)平面”。當(dāng)處理上述復(fù)合材料的制品時(shí)，這些重疊的部位能容許復(fù)合材料的層片脹大(通過在整個(gè)界面上的滑動(dòng))。使用預(yù)浸處理的復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是易于壓實(shí)，層壓件的質(zhì)量均勻，主要設(shè)備的投資少，以及在特定的部位可以選擇方向和積聚材料。它的缺點(diǎn)是，由于采用了手工鋪設(shè)方法，所以勞動(dòng)力的費(fèi)用高，操作者失誤的可能性比較大(例如，操作者很可能在多層層壓件上少用了一層)，以及纖維在層壓件內(nèi)部的不連續(xù)性。
授予Salkind等人的美國(guó)專利3，782，856公開了一種在一種合適的粘結(jié)劑基體中有許多高拉伸強(qiáng)度纖維的雙梁復(fù)合材料翼梁。在這些纖維中有偏離軸線的纖維和與軸線方向一致的纖維，這兩種纖維結(jié)合起來能提供很高的扭轉(zhuǎn)剛度和軸向剛度。與縱軸線成±45度方向的高模量石墨纖維用于最大程度地提高扭轉(zhuǎn)剛度。與縱軸線成0度，即沿著縱軸線的低模量玻璃纖維則用于增大軸向剛度。因?yàn)镾alkind的專利分散了這些層壓件和/或把偏離軸線的纖維束與方向一致的纖維束粘結(jié)在一起，會(huì)形成顯微裂紋，這將對(duì)層壓件的強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。此外，分散交替的材料層(一層石墨，一層玻璃纖維，依次交替)的勞動(dòng)量是很大的，而且使操作者容易產(chǎn)生差錯(cuò)。
英國(guó)專利申請(qǐng)2，040，790公開了一種制造寬度恒定的復(fù)合材料翼梁的方法，這種方法包括下列步驟把預(yù)先切好的復(fù)合材料纖維層纏繞在能脹大的芯軸部件上，并在復(fù)合材料翼梁的上側(cè)壁和下側(cè)壁部位，即相應(yīng)的旋翼葉片的上部和下部機(jī)翼表面上，形成重疊的接頭。這種重疊的接頭提供了滑動(dòng)平面，在進(jìn)行處理的工藝過程中便于復(fù)合材料的壓實(shí)。在上、下側(cè)壁中形成重疊的接頭的缺點(diǎn)是，當(dāng)芯軸脹大時(shí)會(huì)夾擠或壓緊復(fù)合材料纖維。萬一可脹大的芯軸夾住了復(fù)合材料纖維，那么這些滑動(dòng)平面就不起作用了，從而會(huì)降低層壓件的壓實(shí)性。而且，這個(gè)位置也很不理想，因?yàn)樯?、下?cè)壁部位都要承受很高的折翼方向彎曲應(yīng)力，這將造成由接頭界面而導(dǎo)致的疊加應(yīng)力(即，應(yīng)力集中)。
授予Kamov的美國(guó)專利3，967，996和英國(guó)專利申請(qǐng)GB 2040790A和GB 2148821公開了制造復(fù)合材料翼梁的預(yù)浸處理鋪設(shè)工藝過程的另幾個(gè)例子。
因此，存在著提供一種復(fù)合材料翼梁構(gòu)件的需要，這種構(gòu)件以最佳的方式融合了對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求和對(duì)制造成本低的工藝過程的要求。更具體的說，存在著一種制造在結(jié)構(gòu)上功能很強(qiáng)的復(fù)合材料翼梁的需要，這種翼梁排除了顯微裂紋的作用，最大限度減小了熱形變，最大限度降低了重量，并且具有很高的破壞極限。此外，還存在著提供一種制造工藝過程的需要，這種工藝過程能均勻地壓實(shí)復(fù)合材料，便于材料的運(yùn)輸，減少了裝配時(shí)的手工勞動(dòng)，并且能制造出具有改進(jìn)了的質(zhì)量分布性能的復(fù)合材料翼梁。
本發(fā)明的一個(gè)目的是制造一種復(fù)合材料翼梁構(gòu)件，它具有能提高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和軸向強(qiáng)度的最佳纖維方向，同時(shí)還附帶具有減小重量的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是制造一種復(fù)合材料旋翼葉片翼梁，它排除了顯微裂紋的有害影響。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是制造一種復(fù)合材料翼梁，它具有改進(jìn)了的熱應(yīng)變性能。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是制造一種復(fù)合材料旋翼葉片翼梁，它具有很高的破壞極限。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是應(yīng)用一種預(yù)浸處理的制造工藝過程，這種工藝過程能讓層壓件均勻地壓實(shí)，并且具有很好的層壓件質(zhì)量。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是減少所需要的纖維切割量，以降低每一部分的制造成本。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種用簡(jiǎn)化了的制造工藝過程制成的復(fù)合材料翼梁，這種工藝過程中使用寬度恒定的預(yù)浸處理材料，以便于自動(dòng)化和/或手工鋪設(shè)這些材料。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種經(jīng)過改進(jìn)的復(fù)合材料翼梁，這種翼梁采用了能夠改進(jìn)沿翼梁縱向長(zhǎng)度上的質(zhì)量分布的制造工藝過程。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種由這樣的工藝過程制造的，經(jīng)過改進(jìn)的復(fù)合材料翼梁，這種工藝過程便于自動(dòng)化，以便降低成本，并改進(jìn)了零件之間的重復(fù)性。
按照本發(fā)明，把一根復(fù)合材料翼梁分解成若干部位和分部位，其中纖維加強(qiáng)的樹脂基體復(fù)合材料層壓件是有選擇地布置的，而且它們的材料性能也是經(jīng)過選擇的。這種復(fù)合材料翼梁在其具有延伸到前、后錐形部位的各上、下側(cè)壁部位上分別具有交叉層片層壓件，以便在該處形成構(gòu)件的接頭。上述交叉層片層壓件包括在粘結(jié)劑基體中的高模量的復(fù)合材料纖維，這種層片中的纖維相對(duì)于縱軸線的角度大約在±38度到±42度的范圍內(nèi)。這種翼梁還在各上、下側(cè)壁部位中包括至少一層插入交叉層片層壓件之間的單方向?qū)訅杭?。各單方向?qū)訅杭荚谡辰Y(jié)劑基體中組合了高模量和低模量的復(fù)合材料纖維，這些單方向的纖維基本上與縱軸線平行。上述結(jié)構(gòu)上的接頭都位于在折翼的彎曲軸線的低粘結(jié)應(yīng)力部位上，而上述單方向?qū)訅杭嘉挥谏鲜稣垡淼膹澢S線的高粘結(jié)應(yīng)力部位，以便使其具有最大的彎曲強(qiáng)度。上述交叉層片層壓件為折翼的彎曲軸線和縱軸線提供了綜合的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和軸向強(qiáng)度，而它們的纖維方向提供了與相鄰的單方向?qū)訅杭臒峒嫒菪浴Ｉ鲜鰡畏较驅(qū)訅杭牡湍Ａ繌?fù)合材料纖維還提高了破壞強(qiáng)度極限。
本發(fā)明還公開了一種制造復(fù)合材料翼梁的方法，這種方法包括制作許多模具，每一個(gè)模具都有互補(bǔ)的半模，在這兩個(gè)半模上具有形成上、下側(cè)壁部位和前、后錐形部位的模具表面。上述這些模具表面的尺寸從最里面的模具到最外面的模具逐漸增大，最外面的模具形成了復(fù)合材料翼梁的外模具輪廓線。其次，交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭沁@樣鋪在模具中的，即，上述交叉層片層壓件都鋪在上、下側(cè)壁部位，并且其端部延伸到前、后錐形部位。此外，上述端部還延伸到各模具中與其中的一個(gè)互補(bǔ)半模協(xié)同工作的一個(gè)模具表面之外，以便于在前、后錐形部位中形成結(jié)構(gòu)接頭和滑動(dòng)平面。上述單方向?qū)訅杭佋诨パa(bǔ)模具的上、下側(cè)壁部位。然后，把這些層壓件裝配在一根可脹大的芯軸部件上，形成一個(gè)在交叉層片層壓件之間具有單方向?qū)訅杭念A(yù)成形組件。上述裝配步驟包括把上述可脹大的芯軸部件依次放入上述這些模具的互補(bǔ)半模中，然后連接交叉層片層壓件的端部，在前、后錐形部位形成結(jié)構(gòu)接頭和滑動(dòng)平面。然后，把最外面的模具扣在預(yù)成形組件上，對(duì)可脹大的內(nèi)部芯軸加壓，以便將層壓件壓向最外面模具的模具表面，并將其壓實(shí)。然后，把上述最外面的模具放置在高壓釜烘箱內(nèi)，在高溫和高壓下固化上述層壓件。這種方法在錐形部位形成結(jié)構(gòu)接頭和滑動(dòng)平面，以利于層片層壓件的均勻壓實(shí)。
本發(fā)明還公開了另一種制造方法，在這種方法中，上述可脹大的芯軸部件用于疊放交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?。這種方法不需要用于幫助成層工藝過程的許多預(yù)備模具。此外，把這種芯軸部件與翼梁成形設(shè)備組合起來使用，便于在上述芯軸部件的整個(gè)錐形部位自動(dòng)成層上述復(fù)合材料層壓件，和其中的對(duì)接接頭的成形。
上述翼梁成形設(shè)備能在制造復(fù)合材料翼梁的過程中操作可脹大的芯軸部件并使其準(zhǔn)確定位。在本發(fā)明的實(shí)施例中，上述可脹大的芯軸部件包括鐵金屬材料，以便在電磁電路中起一個(gè)電極的作用。更具體的說，這種翼梁成形設(shè)備包括第一和第二托架支承件，每一個(gè)支承件都設(shè)計(jì)成適合于支承上述可脹大的芯軸部件，并且其寬度尺寸小于上述芯軸部件的寬度尺寸。這兩個(gè)托架支承件可以從第一位置/方位移動(dòng)到第二位置/方位，在第一位置/方位上便于在芯軸部件上鋪設(shè)復(fù)合材料的層壓件，在第二位置/方位上便于把芯軸部件從一個(gè)托架支承件輸送到另一個(gè)托架支承件上。上述翼梁成形設(shè)備還包括一個(gè)電磁線圈裝置，該裝置至少包括一個(gè)電氣致動(dòng)的線圈和一個(gè)可控的電源。上述電氣致動(dòng)的線圈都設(shè)置成與各托架支承件組合在一起，而上述可控電源則有選擇地向電氣致動(dòng)的線圈供電，以便在芯軸部件與一個(gè)托架支承件之間產(chǎn)生電磁夾緊力。這種電磁線圈裝置能在鋪設(shè)復(fù)合材料層壓件的過程中精確地定位可脹大的芯軸部件，并把上述芯軸部件從一個(gè)托架支承件輸送到另一個(gè)托架支承件上。
在參照附圖閱讀了下面對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)說明之后，將能更加清楚地了解本發(fā)明以上的和其他的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，將對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征及優(yōu)點(diǎn)有更完整的了解。附圖中

圖1是具有本發(fā)明的復(fù)合材料翼梁的一種復(fù)合材料旋翼葉片部件的外側(cè)和內(nèi)側(cè)片段的局部立體圖；圖2是沿圖1中2-2線的上述復(fù)合材料翼梁的斷面圖；圖3是在圖2中的復(fù)合材料翼梁構(gòu)件中鋪設(shè)的復(fù)合材料分解后的立體圖，表示在上面使用的各種交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭睦w維方向和布置情形；圖4是圖3中的單方向?qū)訅杭姆糯髨D，這個(gè)圖更清楚地表示了交替的高模量纖維層與低模量纖維層；圖5是上述復(fù)合材料翼梁的放大后的斷面圖，表示在復(fù)合材料翼梁的不同部位和分部位的交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?；圖6是圖3中的復(fù)合材料的樹脂浸漬增強(qiáng)材料的立體圖，表示單方向?qū)訅杭?nèi)的各層加強(qiáng)纖維；圖7a-圖7e表示利用鋪設(shè)交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭哪＞邅碇圃焐鲜鰪?fù)合材料翼梁；圖7f-圖7j表示另一種制造方法的實(shí)施例，其中，一根組合在一臺(tái)翼梁成形設(shè)備中的可脹大的芯軸部件用來鋪設(shè)上述交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?；圖8a-8e說明石墨纖維和玻璃纖維基體的復(fù)合材料的熱形變特性，以及當(dāng)采用本發(fā)明的技術(shù)時(shí)對(duì)熱形變的影響；圖9a和9b表示使用可脹大的芯軸來成形本發(fā)明的復(fù)合材料翼梁；以及圖10表示在翼梁的內(nèi)側(cè)段和外側(cè)段，該復(fù)合材料翼梁的外模輪廓線。
請(qǐng)參閱附圖，附圖中，同樣的標(biāo)號(hào)表示所有附圖中相應(yīng)或相似的構(gòu)件。圖1表示一架直升機(jī)旋翼葉片總成6的相應(yīng)的根端2和頂端4的局部立體圖，該總成6具有設(shè)置在前緣外套部件13和后緣口袋狀部件16之間的橢圓形復(fù)合材料翼梁10。復(fù)合材料翼梁10沿著縱軸線25從根端部分2延伸到頂端部分4，并在所有的旋翼葉片與中央扭力驅(qū)動(dòng)輪轂構(gòu)件(圖中未表示)之間傳遞動(dòng)力和載荷。圖中還表示了旋翼葉片總成6繞著它旋轉(zhuǎn)的旋翼軸的軸線28。
為了便于描述，把復(fù)合材料翼梁10分解成若干部位和分部位，其中，在構(gòu)件中所使用的復(fù)合材料都經(jīng)過選擇，而且材料的性能也是經(jīng)過選擇的，以便能達(dá)到上述各項(xiàng)目的。圖2表示沿圖1中的2-2線的內(nèi)側(cè)或根端的橫斷面。圖中，復(fù)合材料翼梁10包括分別與旋翼葉片總成6的上、下翼面相對(duì)應(yīng)的上、下側(cè)壁部位40和42，以及分別與旋翼葉片前、后緣相對(duì)應(yīng)的前、后緣錐形部位45和47。上述錐形部位45、47還分別形成了過渡分部位50和封閉分部位52，在這些分部位中復(fù)合材料的性能與側(cè)壁部位40、42中的不同，例如厚度、材料的成份等等。前、后緣錐形部位45、47連接著上、下側(cè)壁部位40、42，從而形成了用于抵抗垂直剪切載荷的箱形構(gòu)件。圖中還分別表示了旋翼葉片總成6的折翼方向和翼緣方向的中性彎曲軸線54和55。折翼方向的彎曲軸線54沿著復(fù)合材料翼梁10的翼弦方向延伸，而翼緣方向的彎曲軸線55沿著垂直方向延伸，這兩根折翼方向和翼緣方向的彎曲軸線54、55與旋翼葉片總成6的重心57相交。折翼方向和翼緣方向的彎曲軸線54、55各自代表彎曲應(yīng)力反轉(zhuǎn)方向(例如，從壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力，或相反)的點(diǎn)的位置，因此它門是中性的或者是零位的。雖然這兩根軸線54、55代表的是零彎曲應(yīng)力線，但是離開這兩條軸線的各點(diǎn)則受到逐漸增大的壓縮或拉伸彎曲應(yīng)力。
從以下的詳細(xì)描述將會(huì)變得很清楚，方向、位置和材料的選擇對(duì)于結(jié)構(gòu)和重量的效用是很關(guān)鍵的，同時(shí)還進(jìn)一步影響制造是否方便。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，復(fù)合材料翼梁10是由許多單獨(dú)的交叉纖維層片、單方向纖維層片和加強(qiáng)纖維的層片所組成的，這些層片都有選擇地布置在上述各部位和分部位中。上述交叉層片組合成交叉層片層壓件60，而單方向?qū)悠瑒t組合成單方向?qū)訅杭?0。交叉層片層壓件60設(shè)置在上、下側(cè)壁部位40、42處，并延伸到前、后緣錐形部位45、47內(nèi)。單方向?qū)悠瑢訅杭?0設(shè)置在上、下側(cè)壁部位40、42，以及前、后緣錐形部位45、47的過渡分部位50處。
圖3是應(yīng)用在復(fù)合材料翼梁10的構(gòu)件中的復(fù)合材料層片的上半部分的分解立體圖，它非常清楚地表示了層片的大小、纖維的方向和結(jié)構(gòu)方式。它的下半部分省略了，因?yàn)樗膶悠Y(jié)構(gòu)與上半部分基本相同。雖然上半部分的復(fù)合材料層片中所使用的標(biāo)號(hào)和下半部分中的標(biāo)號(hào)相同，但有時(shí)分別在上半和下半層片中分別采用下標(biāo)“a”、“b”來標(biāo)明，以便能更完整地理解本發(fā)明。
在每一對(duì)交叉層片62中都有許多成對(duì)的用樹脂浸漬的纖維加強(qiáng)的交叉層片。這就是說，一塊纖維方向與縱軸線25成a+θ角的層片要與另一塊纖維方向與縱軸線25成a-θ角的層片配對(duì)。成對(duì)的交叉層片有助于材料的處理，即，纖維不會(huì)分離或散開。為了易于理解，在下文中成對(duì)的交叉層片將稱之為“一塊交叉層片”或“這些交叉層片”，因?yàn)檫@種材料一般是從供應(yīng)商那里作為一塊整體的片材購(gòu)入的。這些交叉層片62是由許多在粘結(jié)劑基體中的高模量纖維，例如石墨纖維所組成的。這種纖維一般的拉伸強(qiáng)度大約在3．45×109N/m2(500，000psi)到4．83×109N/m2(700，000psi)之間，其彈性模量大約在2．067×1011N/m2(30×106psi)到3．446×1011N/m2(50×106psi)之間，最好是2．7568×1011N/m2(40×106psi)。這些纖維的斷面積可以從6．35微米(0．00025英寸)到7．62微米(0．00030英寸)左右。這種交叉層片的纖維的方向都有相對(duì)于復(fù)合材料翼梁10的縱軸線25的預(yù)定的角度θ，這個(gè)角度一般大約在±38度到±42度的范圍內(nèi)，最好是在±40度的范圍內(nèi)。
上述交叉層片62翼弦方向的寬度尺寸為Dcw，這個(gè)尺寸對(duì)于不同的層片是不同的，因而在端部62ea它延伸到了外部，或者，換一種說法，終止在相鄰的交叉層片的前面。但是，每一塊交叉層片62沿復(fù)合材料翼梁10的縱軸線25的在翼弦方向的寬度尺寸，也就是從旋翼葉片的根端2到頂端4的翼弦方向的寬度尺寸是恒定的。
交叉層片62是堆疊布置的，即層疊起來形成交叉層片的層壓件60。在本說明書中，術(shù)語“鋪設(shè)”的意思是把層片堆疊起來形成層壓件，把這種層片放置在一個(gè)模具表面上，或者把整塊層壓件都放置在模具表面上，在處理之前裝配成復(fù)合材料的翼梁。在本優(yōu)選實(shí)施例中，表示了三塊交叉層片的層壓件，分別為最里面的，縱軸線外面的和中間的交叉層片層壓件60i、60o和60m，但是，很明顯，使用更多或更少的交叉層片層壓件也仍然包括在本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。
在各上、下側(cè)壁部位40、42中堆疊了許多樹脂浸漬的單方向?qū)悠?2，以形成至少一個(gè)單方向的層壓件。通常，這些層片72形成兩塊單方向的層壓件，即分別形成夾在交叉層片層壓件60i、60o、60m之間的最里面和最外面的單方向?qū)訅杭?0i、70o。這些單方向?qū)悠?2是分別由浸在粘結(jié)劑基體中的高模量纖維和低模量纖維，例如石墨纖維和玻璃纖維所構(gòu)成的。玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度一般大約為4．55×1011N/m2(660，000psi)，其彈性模量大約為6．892×1010N/m2(10×106psi)到9．48×1010N/m2(14×106psi)，一般為8．683×1012N/m2(12．6×106psi)，其橫斷面大約為8．89微米(0．00035英寸)。石墨纖維的強(qiáng)度、模量和厚度與用于上述交叉層片62中的相同。高模量和低模量?jī)煞N纖維的方向基本上平行，即，與復(fù)合材料翼梁10的縱軸線25所成的角度小于5度，通常是0度。
請(qǐng)參閱圖4，上述單方向?qū)訅杭?0i、70o的單方向?qū)悠?2組合起來之后，形成許多層交替的高、低模量纖維加強(qiáng)件的加強(qiáng)層74。一般，具有高模量纖維加強(qiáng)件的加強(qiáng)層74H都設(shè)置在具有低模量纖維加強(qiáng)件的加強(qiáng)層74L之間。更常見的是，把低模量加強(qiáng)層74L布置成靠近交叉層片的層壓件(圖中未表示)，用它來制成形變均衡的層壓件，下面將詳細(xì)討論這個(gè)問題。
在每一層加強(qiáng)層74中，單方向?qū)悠?2每一層翼弦方向的寬度尺寸是恒定的，但，是交錯(cuò)排列的，例如從右到左或從左到右，以便讓它們的端部72e移位一個(gè)距離Ds，使端部72e交錯(cuò)有利于成品復(fù)合材料翼梁10中會(huì)產(chǎn)生的厚度的過渡。當(dāng)增加每一塊層壓件70中每一層加強(qiáng)層74的單方向?qū)悠膶挾瘸叽鐣r(shí)，就能更加適應(yīng)這種過渡。和交叉層片62一樣，每一層單方向?qū)悠?2沿著復(fù)合材料翼梁10的縱軸線25的翼弦方向的寬度尺寸Dcw是恒定的。
用于制造這種構(gòu)件的樹脂基體材料是環(huán)氧樹脂，例如可從Hexcel公司買到的“8552”。不過，任何型號(hào)的環(huán)氧樹脂都可以使用，例如可從BASF買到的“5225”也可以使用。
圖5表示復(fù)合材料翼梁的右手(后)部分放大后的斷面圖，其中更清楚地表示了交叉層壓件60和單方向?qū)訅杭?0的位置和布置方式。單方向?qū)訅杭?0位于復(fù)合材料翼梁10的各個(gè)上、下側(cè)壁部位40、42處，而且插在交叉層壓件60之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，單方向?qū)訅杭?0延伸到前、后錐形部位45、47的過渡分部位50內(nèi)部。因此，上述交叉層片的層壓件60在各個(gè)上、下側(cè)壁部位40、42中是隔開的，并且逐漸匯合到過渡分部位50中。交叉層片的層壓件60在封閉分部位52中完全匯合，其中，端部62ea、62eb在這一部分中形成了一層厚度均勻的交叉層片。因此，很明顯，在側(cè)壁部位40、42中的層壓件的厚度大于在封閉分部位52中的層壓件的厚度。
更具體的說，按照一般的描述方式，上述單方向?qū)訅杭?0i、70o是插在交叉層片的層壓件60之間的，從而在上、下側(cè)壁部位40、42和過渡分部位50處形成了最里面的，最外面的和中間的交叉層片層壓件60i、60o、60m。此外，上述單方向?qū)訅杭慕诲e(cuò)的端部72e則伸進(jìn)錐形部位45、47的過渡分部位內(nèi)，然后逐漸脫離。
正如上面提到過的，交叉層片的層壓件60具有端部62ea、62eb，這些端部伸進(jìn)前、后錐形部位45、47內(nèi)。形成上側(cè)壁部位40的交叉層片層壓件60的端部62ea與形成下側(cè)壁部位42的交叉層片層壓件60的端部62eb重疊，在前、后錐形部位45、47的相鄰的交叉層片之間形成了滑動(dòng)平面的界面66。此外，端部62ea、62eb在錐形部位45、47中形成了構(gòu)件的接頭68。通常，這種構(gòu)件接頭68是對(duì)接接頭，在錐形部位45、47處匯合，以防止因裝在特定區(qū)域中而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。兩個(gè)對(duì)接接頭68支承件的周長(zhǎng)LB大約在0．448cm(0．175英寸)到0．832cm(0．325英寸)之間，一般為0．64cm(0．25英寸)。
請(qǐng)參閱圖6，圖中所表示的單方向?qū)訅杭膯畏较驅(qū)悠?2包括布置在這些單方向?qū)悠?2之間的加強(qiáng)纖維80的層片。上述加強(qiáng)纖維80由低模量的玻璃纖維材料組成，其纖維相對(duì)于復(fù)合材料翼梁10的縱軸線25的角度大約為±80度，一般為90度。上述纖維也可以是不經(jīng)過浸漬的，沒有粘結(jié)劑基體，或者與上述單方向?qū)悠?2聯(lián)結(jié)成一對(duì)經(jīng)過浸漬的層片82。當(dāng)在不浸漬狀態(tài)下使用時(shí)，在處理的工藝過程中，樹脂會(huì)從相鄰的層片流過來浸透纖維。上述加強(qiáng)纖維的拉伸強(qiáng)度一般為4．55×1011N/m2(660，000psi)，其模量大約在6．892×1010N/m2(10×106psi)到9．48×1010N/m2(14×106psi)，通常為8．683×1010N/m2(12．6×106psi)，其橫斷面大約為8．89微米(0．00035英寸)。
本發(fā)明的復(fù)合材料翼梁10可以按照?qǐng)D7a-7e所示的方法制造。在制造方法的一個(gè)實(shí)施例中，使用了最里面的，最外面的和中間的三種模具90、95、100來鋪設(shè)和形成復(fù)合材料翼梁10。這些模具的尺寸，即外部模具輪廓線(OML)，從最里面的模具90到最外面的模具100逐漸增大，以便容納逐漸堆積起來的復(fù)合材料。請(qǐng)參閱圖7a，最里面的模具90具有互補(bǔ)的兩個(gè)半模90a、90b，用于鋪設(shè)最里面的單方向?qū)訅杭?0i和交叉層片的層壓件60i．兩個(gè)半模90a、90b上有形成上、下側(cè)壁部位40、42和前、后錐形部位45、47的模具表面94a、94b。為了便于理解，用來表示復(fù)合材料翼梁10的各個(gè)部位和分部位相對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)，也用來表示上述互補(bǔ)的兩個(gè)半模90a、90b的模具表面94a、94b。
按照本發(fā)明的上述優(yōu)選實(shí)施例，最里面的單方向?qū)訅杭?0i首先鋪在最里面的模具90的兩個(gè)互補(bǔ)半模90a、90b中。那些形成高模量和低模量纖維加強(qiáng)件的每一層74的單方向?qū)悠?2，一片一片地交錯(cuò)排列，以便于在過渡的分部位50處發(fā)生厚度的過渡。單方向?qū)悠?2的寬度是這樣選擇的，即，不使層片伸進(jìn)模具表面94a、94b的封閉分部位52中去。當(dāng)在敷設(shè)層中加入加強(qiáng)纖維80的層片時(shí)，上述單方向?qū)訅杭?0將包括許多樹脂浸漬的成對(duì)的層片82(見圖6)，即，許多單方向?qū)悠?2和加強(qiáng)纖維80。
然后，把最里面的交叉層片層壓件60i重疊在上述最里面的單方向?qū)訅杭?0i上，結(jié)果，交叉層片的層壓件60i的端部62e伸進(jìn)了模具表面94a、94b的前、后錐形部位45、47的內(nèi)部。上述交叉層片層壓件60i的端部62e和互補(bǔ)的兩個(gè)半模90a、90b中的一個(gè)延伸到模具表面94a、94b以外，以便于形成結(jié)構(gòu)上的接頭68和在前、后錐形部位45、47中的相關(guān)的滑動(dòng)平面66。如上所述，每一塊交叉層片62的翼弦方向的寬度尺寸都經(jīng)過選擇，以使它們的端部62e交錯(cuò)排列，從而分散開各結(jié)構(gòu)接頭68的位置。上述交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i沿著翼梁10的縱軸線25的翼弦方向的寬度是恒定的，不需要再切割或用飛剪剪切材料。
請(qǐng)參閱圖7b，利用與以上描述最里面的模具90同樣的鋪設(shè)程序，把中間的交叉層片層壓件60m和最外面的單方向?qū)悠?0o鋪在中間模具90的兩個(gè)互補(bǔ)半模中。前面已經(jīng)說過，模具表面98a、98b在外模線(OML)尺寸上稍大于模具94a、94b，以便容納堆疊起來的復(fù)合材料。
請(qǐng)參閱圖7c，具有兩個(gè)互補(bǔ)半模100a、100b的最外面的模具100用于鋪設(shè)最外面的交叉層片層壓件60o。最外面的模具100具有模具表面104a和104b，這些模具表面相應(yīng)于并形成上、下側(cè)壁和前、后錐形部位40、42、45、47的外模線(OML)的輪廓。上述最外面的交叉層片層壓件60o鋪在最外面的模具100的兩個(gè)互補(bǔ)半模100a、100b中，結(jié)果，端部62e便伸進(jìn)模具表面104a、104b的前、后錐形部位45、47中。與上面描述過的最里面的和中間的模具90、95的鋪設(shè)程序一樣，鋪設(shè)在互補(bǔ)的半模100a、100b的一個(gè)半模中的交叉層片層壓件60o的端部62e延伸到模具表面104a、104b以外，以便在前后錐形部位45、47中形成結(jié)構(gòu)接頭68和相關(guān)的滑動(dòng)平面66。同樣，端部62e是錯(cuò)開的，以便于成形，以及在錐形部位45、47中分布結(jié)構(gòu)接頭68。上述交叉層片層壓件60o沿著翼梁10的縱軸線25的翼弦方向的寬度是恒定的。
然后，利用公知的壓縮體積的技術(shù)，壓縮鋪在最里面的、中間的和最外面的模具90、95、100的互補(bǔ)半模中的交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0、70的體積。例如，把不透水的尼龍或硅制的“真空口袋”放置在一個(gè)互補(bǔ)半模上，并把這個(gè)口袋的邊緣用膠帶貼在或粘結(jié)在半模上。把一個(gè)真空吸氣口固定在該口袋上，對(duì)由上述層壓件所包圍的空腔抽真空。當(dāng)抽成真空時(shí)，大氣壓力便將口袋壓向上述層壓件，部分壓實(shí)層壓件中的層片。
接著，如圖7d所示，把一個(gè)可脹大的內(nèi)部芯軸部件110放入最里面的模具90的一個(gè)互補(bǔ)半模90b中，這個(gè)芯軸部件的形狀與復(fù)合材料翼梁10的內(nèi)部形狀相符。上述芯軸部件110有一個(gè)剛性的基體構(gòu)件112，它外面包裹著一層不可滲透的軟外殼114，在進(jìn)行固化工序時(shí)，對(duì)這層軟外殼加壓。上述基體構(gòu)件112可用任何剛性材料制成，但最好是用聚苯乙烯泡沫塑料，這種材料能隨著溫度的提高而減小尺寸。把同一個(gè)模具上的另一個(gè)互補(bǔ)的半模90a放置在內(nèi)部芯軸部件110上，以便把其余的最里面的交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i防止并定位在該芯軸部件110上面。為了便于操作材料，可以在鋪設(shè)交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i、60m、70o之前在模具表面94a、94b和98a、98b上放置一層脫模材料或托底薄膜，這種材料或薄膜能方便從最里面的模具和中間模具90、95上脫模。然后打開模具，把交叉層片62的端部62e折疊在芯軸部件110的與復(fù)合材料翼梁10的前、后錐形部位45、47相對(duì)應(yīng)部分的周圍，從而把最里面的交叉層片層壓件60i連接起來。為了進(jìn)一步加強(qiáng)錐形部位45、47中的粘附效果，在折疊和連接時(shí)可以在端部62e處使用熱源。然后，把包括最里面的交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i在內(nèi)的芯軸部件110順序放入其余模具，即中間或最外面的模具的一個(gè)互補(bǔ)半模中，并在需要時(shí)重復(fù)拼裝中間和最外面的交叉層片層壓件60m、60o用的程序。
請(qǐng)參閱圖7e，從最里面的模具到最外面的模具90-100所形成的層壓件60i、70i、60m、60o、70o的部件制成了一個(gè)預(yù)成形部件120，其中，上述單方向?qū)訅杭?0夾在上述交叉層片層壓件60的中間。把最外面的模具100扣在這個(gè)預(yù)成形部件120上，并放入蒸壓爐內(nèi)進(jìn)行處理。
對(duì)可脹大的芯軸部件110的不可滲透的軟外殼114加壓，就能在交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0、70施加壓實(shí)壓力。加壓迫使上述層壓件60、70緊壓在最外面的模具100的模具表面104a、104b上，并被壓實(shí)。然后，整個(gè)部件在高溫下，例如在高壓釜中進(jìn)行固化，以處理復(fù)合材料的翼梁10。在高溫固化的過程中，上述剛性的基本構(gòu)件112大約要收縮原有尺寸的10％，從而有利于從復(fù)合材料翼梁10的內(nèi)部把它取出來。
雖然前面所描述的方法還必須包含某些手工操作，即，把交叉層片的端部62e折疊在錐形部位45、47的周圍，但很容易預(yù)見到采用其他更加適合于自動(dòng)化的制造方法。這種制造方法中的一種示于圖7f-7j中，其中，上述可脹大的芯軸部件110用作主要的鋪設(shè)工具，而一臺(tái)翼梁成形設(shè)備200方便了把上述復(fù)合材料層壓件60、70組裝在上述芯軸部件的周圍。在說明把復(fù)合材料層壓件60、70如何組裝在芯軸部件110周圍的各種步驟之前，先簡(jiǎn)單描述一下這臺(tái)翼梁成形設(shè)備200。
在圖7f中，翼梁成形設(shè)備200包括一個(gè)用于支承第一和第二托架支承件204a、204b的底座202，每一個(gè)托架支承件204a、204b都用一個(gè)樞軸聯(lián)桿裝置205安裝在上述底座202上。此外，該翼梁成形設(shè)備200還包括第一和第二成形/壓實(shí)部件208a、208b，每一個(gè)成形/壓實(shí)部件都有一塊設(shè)置在各托架支承件204a、204b下方的底板206，一個(gè)用樞軸安裝在各底板206上的帶框架的真空成形軟外殼210，以及一個(gè)設(shè)置成與各底板206組合在一起，并圍繞著相應(yīng)的托架支承件204a或204b的高起來的密封長(zhǎng)條212。上述帶框架的真空成形軟外殼210和高起來的密封長(zhǎng)條212在功能上和結(jié)構(gòu)上與常用的壓實(shí)裝置相似，例如，與由位于俄亥俄州，哥侖布市的Brisk Heat公司制造的“Brink Heat”工作臺(tái)相似。
從以后的描述中可以看出，上述托架支承件204a或204b可以從第一方位轉(zhuǎn)動(dòng)到第二方位，來操縱上述可脹大的芯軸部件110的方向，該芯軸部件在制造過程的各個(gè)不同工步中要靠在上述托架支承件204a、204b中的一個(gè)托架的頂上。這樣操縱就能接近芯軸部件110的兩側(cè)，以便鋪設(shè)復(fù)合材料的層壓件。為了便于以后的描述，對(duì)芯軸部件110所用的標(biāo)號(hào)也將用于芯軸部件110和/或芯軸部件110在鋪設(shè)過程的各種不同工步中與若干或全部復(fù)合材料層壓件的組合。
每一個(gè)托架支承件204a、204b都恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成能全部支承上述可脹大的芯軸部件110，同時(shí)又能為無障礙地接近復(fù)合材料翼梁的錐形部位45、47相應(yīng)的表面提供通道。更具體的說，每一個(gè)托架支承件204a或204b的長(zhǎng)度通常都與芯軸部件110的整個(gè)長(zhǎng)度相等，而其寬度尺寸Dpw則小于芯軸部件110的寬度Dm。更好一些，上述寬度尺寸Dpw小于或等于上述復(fù)合材料翼梁側(cè)壁部位的寬度。從以下的描述中將會(huì)很清楚，為了讓錐形部位45、47中的對(duì)接接頭能夠形成，這種幾何形狀是必需的。
按照這種制造技術(shù)，并參照?qǐng)D7g，上述可脹大的芯軸部件110放置在托架支承件204a或204b中一個(gè)支承件的頂上，并借助于主動(dòng)定位裝置220(圖中用虛線表示)進(jìn)行側(cè)向定位。如圖所示。上述定位裝置220設(shè)置在托架支承件204a的一側(cè)，并在各個(gè)跨度方向的工作站上為該芯軸部件110提供翼弦方向的擋塊。此外，上述定位裝置220是可拆卸的，以便隨后能進(jìn)行復(fù)合材料層壓件60、70的鋪設(shè)和成形/壓實(shí)。
一當(dāng)定位裝置220拆下之后，用一個(gè)能在芯軸部件110與相應(yīng)的托架支承件204a或204b之間產(chǎn)生磁性?shī)A緊力的電磁線圈裝置來代替它的功能。這個(gè)電磁線圈裝置在功能上用于保持芯軸部件110的準(zhǔn)確方位，并當(dāng)在托架支承件204a或204b支承件對(duì)其進(jìn)行操縱/轉(zhuǎn)移時(shí)，夾持/保持芯軸部件110的方位。更具體的說，這種電磁線圈裝置包括一個(gè)或多個(gè)和各托架支承件204a或204b組合在一起的電氣致動(dòng)的線圈232，和一個(gè)可控的電源234，以便使線圈232供電/斷電。可脹大的芯軸部件110經(jīng)過改進(jìn)，在上述泡沫塑料基體構(gòu)件112內(nèi)包括了一個(gè)鐵構(gòu)件236，用作電磁線路的一個(gè)磁極。為保持和操縱芯軸部件110的位置所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著特定的應(yīng)用情況而變化。通常，所要求的磁力隨著線圈232與鐵構(gòu)件236之間的間隔，以及芯軸部件110的重量而定。這種電氣致動(dòng)的線圈232可在賓夕凡尼亞州，伯利恒市的愛弗聖電氣公司買到。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在各種翼展方向的位置上，即沿著芯軸部件110的長(zhǎng)度，隔開距離，使用了許多線圈232和鐵構(gòu)件236，以便把重量減少到最小。此外，當(dāng)采用這種制造方法時(shí)，一般都用高密度泡沫塑料，例如，用密度大約大于4磅/英尺3(64kg/m3)的泡沫塑料來制作泡沫塑料基體構(gòu)件112，以防止由于所施加的磁力而使泡沫塑料構(gòu)件112破碎或損壞。
在圖7h中，把與復(fù)合材料翼梁的上側(cè)壁部位對(duì)應(yīng)的最里面的交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i鋪在芯軸部件110上，并完成成形/壓實(shí)工序。這種成形/壓實(shí)工序可在鋪設(shè)每一層層壓件60i、70i的層片之后完成，或者，換一種方式，可在鋪設(shè)了許多片層壓件60i、70i之后完成。上述成形/壓實(shí)工序包括如下步驟把真空成形軟外殼210包裹在層壓件60i、70i的外面，使得軟外殼210與密封帶嚙合(用圖7h中的軟外殼密封住)，然后把這兩者之間所形成的空腔抽成真空，使層壓件60i、70i緊壓在芯軸部件110上。如上所述，托架支承件204a、204b的尺寸正好做成能讓交叉層片層壓件60i包住芯軸部件，并在只限于部位45、47中形成對(duì)接接頭。此外，根據(jù)托架支承件204a、204b支承件與其相應(yīng)的密封帶之間不同的垂直距離，有時(shí)可能需要用高延伸率的材料來制造上述真空成形軟外殼210，以使這種真空成形軟外殼210更容易與芯軸部件110的形狀相符。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上述真空成形軟外殼210是由厚度為0．030英寸(0．076厘米)和彈性模量大約為600psi(4134kPa)的合成橡膠制成的。
在芯軸部件110的一側(cè)鋪好所有交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i之后，把托架支承件204a、204b從水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直方向，分別如圖7h和7i所示。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)動(dòng)作是用一個(gè)常用的蝸輪-蝸桿驅(qū)動(dòng)裝置238(件圖7i)自動(dòng)完成的，不過，任何能夠?qū)崿F(xiàn)托架支承件204a、204b的可控同步轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置都可以使用。一當(dāng)兩個(gè)托架支承件204a、204b相對(duì)，并與芯軸部件110接觸，裝在第一托架支承件204a中的電氣致動(dòng)線圈232a便斷電，同時(shí)裝在第二托架支承件204b中的電氣致動(dòng)線圈232a便通電。于是，芯軸部件110便離開第一托架支承件204a而被固定在第二托架支承件204b中。為了適應(yīng)因鋪設(shè)復(fù)合材料層壓件60、70而造成的厚度變化和/或把托架支承件204a、204b轉(zhuǎn)動(dòng)到所需位置上必要的空隙，可能需要一種能使托架支承件204a、204b中的一個(gè)或兩者實(shí)現(xiàn)線性移動(dòng)的裝置。例如，可以在一根或兩根支承聯(lián)桿205上安裝伸縮裝置240來調(diào)整支承件204a、204b的位置，以使它們與芯軸部件110的緊密接觸。或者，也可以把一個(gè)或兩個(gè)聯(lián)桿支承裝置205安裝成與線性軸承(圖中未表示)組合在一起，以實(shí)現(xiàn)所要求的線性移動(dòng)。
當(dāng)把芯軸部件110從一個(gè)托架支承件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)托架支承件上去之后，如圖7j所示，這兩個(gè)支承件又轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置，繼續(xù)鋪設(shè)工藝過程。雖然圖中所示的托架支承件204a、204b是同步轉(zhuǎn)動(dòng)的，但，應(yīng)該理解，在制造工藝上只需要轉(zhuǎn)動(dòng)托架支承件204a、204b中的一個(gè)支承件。
以下的工步是重復(fù)鋪設(shè)并成形/壓實(shí)復(fù)合材料層壓件60、70，并將芯軸部件110從托架支承件204a、204b中的一個(gè)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)上，以便在芯軸部件110的另一側(cè)上鋪設(shè)層壓件。這種工藝過程一直繼續(xù)到所有復(fù)合材料層壓件60、70都鋪設(shè)好，制成前面說過的預(yù)成形部件120。
把預(yù)成形部件120放入固化模具(圖中未表示)中，這個(gè)模具所形成的外模線(OML)輪廓與復(fù)合材料翼梁的上、下側(cè)壁和前、后錐形部位40、42、45、47相對(duì)應(yīng)。為了方便以后的描述，這種固化模具在結(jié)構(gòu)上與前面描述過的最外面的模具部件100相同，除了這種固化模具是不用于鋪設(shè)最外面的復(fù)合材料層壓件60o、70o的。因此，應(yīng)該理解，最外面的模具100和固化模具對(duì)于固化上述復(fù)合材料層壓件60、70具有同樣的功能和優(yōu)點(diǎn)。
在說明了具體的層壓件結(jié)構(gòu)和制造復(fù)合材料翼梁10的方法中的各個(gè)步驟之后，下面再來說明本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上和制造方法上的優(yōu)點(diǎn)。
再請(qǐng)參閱圖2，位于上、下側(cè)壁部位40、42的單方向?qū)訅杭?0中的單方向纖維都放置在高的折翼方向彎曲應(yīng)力部位上，以提供最大的折翼方向彎曲強(qiáng)度。這種單方向纖維的位置把離開折翼方向彎曲的中性線的距離放到最大限度，提供了最大的折翼方向彎曲強(qiáng)度和最佳的結(jié)構(gòu)效果。因?yàn)榫o靠折翼彎方向的彎曲軸線54(低的折翼方向彎曲應(yīng)力部位)，在錐形部位45、47上不使用單方向纖維，會(huì)使纖維的布置效果降低。相反，結(jié)構(gòu)的接頭68要在低的折翼方向彎曲應(yīng)力位置上(即，在前、后錐形部位45、47處)，因?yàn)檫@些部位緊靠折翼方向的彎曲軸線54。這樣的布置可用于防止應(yīng)力的疊加，即折翼方向的彎曲應(yīng)力和由于結(jié)構(gòu)的接頭68所引起的應(yīng)力集中的疊加。雖然因?yàn)檫@種距離偏離了邊緣方向的彎曲軸線55，這樣的布置似乎要把結(jié)構(gòu)接頭68放在高的邊緣方向彎曲應(yīng)力區(qū)內(nèi)，但前緣護(hù)套和后緣口袋部件13和16的剛性有助于減緩錐形部位45、47中的邊緣方向彎曲應(yīng)力。為進(jìn)一步減小應(yīng)力，上述結(jié)構(gòu)接頭68是錯(cuò)開的，并且分布在錐形部位45、47內(nèi)。
交叉層片層壓件60的與軸線(即與縱軸線25的方向)成±40度的纖維方向增加了復(fù)合材料翼梁10的整體軸向強(qiáng)度和剛度，隨之也提高了扭轉(zhuǎn)剛度。這種纖維方向在折翼方向和縱軸線54、25上為提供最大限度的重量效率形成了扭轉(zhuǎn)剛度和軸向剛度的最佳組合。此外，這種軸向偏斜減小了因熱影響而產(chǎn)生的應(yīng)力，因而也減小了顯微裂紋的作用。為了更好地理解這個(gè)現(xiàn)象，請(qǐng)參閱圖8a，圖中表示了復(fù)合材料130的一個(gè)有限的單元，它有與參照坐標(biāo)系的Y軸成±50度的交叉層片組成的上層和下層132u和132l，以及成0度角的單方向?qū)悠M成的中間層134。為便于進(jìn)行說明，這幾層的材料選擇支承件沒有區(qū)別。圖中還表示了，當(dāng)外界的溫度變化很大時(shí)，例如在高壓釜中固化時(shí)，產(chǎn)生劇烈的應(yīng)變的斷面圖136。這是由于在交叉層片132u、132l與單方向?qū)悠?34的熱膨脹系數(shù)αx之間存在著很大的差別而引起的。單方向材料的αx是由粘結(jié)劑基體的性能來決定的，即“樹脂占優(yōu)勢(shì)的”，所以這種材料的熱膨脹系數(shù)一般要比交叉層片材料的熱膨脹系數(shù)，即“纖維占優(yōu)勢(shì)的”大的材料高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。纖維占優(yōu)勢(shì)的材料的定義是纖維基體復(fù)合材料，它的纖維方向與熱膨脹方向所成的角度大于±45度。因此，±50度的纖維就是纖維占優(yōu)勢(shì)的材料，因?yàn)槔w維控制了沿X軸線的熱膨脹。當(dāng)劇烈的應(yīng)變分布發(fā)展時(shí)，會(huì)在層壓件130中產(chǎn)生顯微裂紋138，因而降低了層壓件的整體強(qiáng)度。
為了抵抗顯微裂紋的作用，本發(fā)明采用了纖維方向與復(fù)合材料翼梁10的縱軸線25(類似于圖8a中的Y軸)大約成±42度和±38度之間的角度的交叉層片層壓件60。這樣的纖維方向的結(jié)果是形成了一種“樹脂占優(yōu)勢(shì)的”基體，它更接近于“樹脂占優(yōu)勢(shì)的”單方向?qū)訅杭?0的熱形變性能。更具體的說，采用±40度對(duì)±45度的交叉層片纖維方向的結(jié)果是，造成了交叉層片層壓件與單方向?qū)訅杭?0、70的熱膨脹之間的三比一的不協(xié)調(diào)減小。
為進(jìn)一步減少顯微裂紋，可在復(fù)合材料翼梁10上采用設(shè)置在所有各層74之間，一般是在所有單方向?qū)悠?2之間的加強(qiáng)纖維80。圖8b表示采用本發(fā)明的這種技術(shù)的復(fù)合材料的物品140的一個(gè)有限單元。這種復(fù)合材料具有±40度的交叉層片層壓件60，纖維方向?yàn)?度的多層片單方向?qū)訅杭?0，以及設(shè)置在這些層壓件之間的許多層加強(qiáng)纖維80。如上所述，加強(qiáng)纖維80使用了方向大約為與縱軸線25成80度角，最好成大約成90度角的低模量纖維。這種加強(qiáng)纖維80用于增加粘結(jié)劑基體在橫向(沿X軸線方向)的強(qiáng)度，并減少各層壓件之間熱力不相容性的嚴(yán)重程度。因此，把加強(qiáng)纖維80與減小交叉層片的纖維方向的組合，即，±40度對(duì)±45度或±50度，就能顯著地消除熱應(yīng)變斷面圖146的劇烈程度(見圖8c)，以提高層壓件的強(qiáng)度。
把加強(qiáng)纖維80的低模量纖維與單方向?qū)訅杭?0的低模量層74L聯(lián)結(jié)在一起，除了能防止顯微裂紋之外，還提供了最高的破壞極限。更具體的說，在正常工作過程中，低模量的玻璃纖維(低模量層74L)所受到的載荷大大低于它們的強(qiáng)度性能，而高模量的石墨纖維則要承受高得多的載荷，并起著承受葉片軸向載荷的最主要部分的作用。由于低模量纖維表現(xiàn)出很高的延伸性能，即，它的應(yīng)變到斷裂的比率大約大于高模量石墨纖維的3倍，所以低模量纖維在徹底斷裂之前能夠吸收大量沖擊能量。因此，在受到邊緣方向的沖擊載荷時(shí)，受到高載荷的石墨纖維將在最初時(shí)刻吸收沖擊能量，而當(dāng)它將要完全斷裂或破壞時(shí)，玻璃纖維就能保證吸收剩余的能量而不致斷裂。因此，沖擊能量將被吸收和/或轉(zhuǎn)向，結(jié)果還剩下充分的，50％或更多的纖維強(qiáng)度/含量，以繼續(xù)安全的飛行。
以上所討論的都涉及橫向(沿X軸線方向)的熱力性能，下面，將討論沿縱向的熱力應(yīng)變性能。更主要的重點(diǎn)將放在材料的選擇和布置上，以便形成一種均質(zhì)的應(yīng)變平衡的層片布置。顯微裂紋將不會(huì)在縱向(Y軸線方向)擴(kuò)散，因?yàn)檎辰Y(jié)劑基體有加強(qiáng)纖維的支撐。
圖8d表示一件復(fù)合材料物品150的邊緣部分(斷面圖)，它包括±40度的上、下交叉層片層壓件60和布置在它們之間的0度單方向?qū)訅杭?0。交叉層片材料的上、下層壓件60由高模量的石墨纖維制成，而單方向的層壓件則由高模量的石墨纖維和低模量的玻璃纖維混合組成。由于石墨纖維的交叉層片層壓件60的熱膨脹系數(shù)α，大大小于石墨/玻璃纖維的單方向?qū)訅杭?0的熱膨脹系數(shù)，所以產(chǎn)生的應(yīng)變斷面圖156與以上的相同。但是，石墨材料有一個(gè)特點(diǎn)，即，它的0度纖維的熱膨脹系數(shù)幾乎和±40度的纖維的相等。因此，為減小應(yīng)變斷面圖，最好在單方向?qū)訅杭?nèi)有選擇地布置石墨纖維。請(qǐng)參閱圖8e，圖中表示了一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的復(fù)合材料制品160的邊緣斷面，它具有夾在低模量玻璃纖維的層片74L之間的，用高模量石墨纖維制成的中間層74H。高模量的石墨的作用是抑制在它兩邊的低模量玻璃纖維的熱應(yīng)變，以減小或壓平應(yīng)變斷面圖166。因此，這樣的材料分布能產(chǎn)生應(yīng)變平衡的層壓件。
下面，描述本發(fā)明的制造方法的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)接頭68的布局和位置有兩個(gè)作用提高結(jié)構(gòu)效率和方便制造過程。通過參閱圖9a和9b能很好地理解這種結(jié)構(gòu)在制造方法上的優(yōu)點(diǎn)。圖中顯示了可脹大的內(nèi)部芯軸部件110在最外面的模具100(或者處理模具，根據(jù)所選擇的制造方法而定)中的局部脹大的狀態(tài)。在不透水的軟外殼114與剛性構(gòu)件112之間，以及在軟外殼與層壓件之間的空隙116大大地放大了，以便于說明問題。很明顯，可脹大的軟外殼在變成復(fù)合材料翼梁10的橢圓形之前，最初將形成圓形的輪廓。因此，軟外殼最初是在上、下垂直箭頭118v的方向上緊壓在翼梁10的側(cè)壁部位40、42上，然后，當(dāng)其內(nèi)部完全加壓之后(件圖9b)這個(gè)軟外殼便在前、后水平箭頭118h的方向上緊壓前、后錐形部位45、47。如果結(jié)構(gòu)接頭以及隨之產(chǎn)生的滑動(dòng)平面的位置不在這個(gè)錐形部位是，例如，在側(cè)壁部位上，則可脹大的軟外殼將把這些層片壓住在最外面的模具表面上，阻止滑動(dòng)平面的運(yùn)動(dòng)。因此，錐形部位45、47中的層壓件就不能完全壓實(shí)，對(duì)層壓件的質(zhì)量產(chǎn)生有害的影響。
本發(fā)明把接頭68和相應(yīng)的(相鄰交叉層片之間的)滑動(dòng)平面66放置在錐形部位45、47中，以預(yù)防上面提到的缺點(diǎn)，并避免影響整塊復(fù)合材料翼梁鋪設(shè)層的完全壓實(shí)。還應(yīng)該指出，用于鋪設(shè)交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0i、70i、60m、70o、60o的模具表面基本上是凈尺寸，即，在實(shí)際上盡可能接近相關(guān)的處理過的復(fù)合材料翼梁的層壓件的成品形狀和位置。使得從鋪設(shè)時(shí)的尺寸到最后固化后的尺寸保持相當(dāng)小的容差，要求沿著滑動(dòng)平面66的位移減少到最小程度，從而能保證層壓件的完全而均勻的壓實(shí)。
本發(fā)明的方法利用了寬度恒定的交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭?0、70，這些層壓件可以預(yù)先切成一定的尺寸再鋪設(shè)，以后就不需要再切割材料了。簡(jiǎn)化鋪設(shè)程序和加工方法，即采用寬度恒定的多層層壓件，就能避免現(xiàn)有技術(shù)中與定位和切割每一層層片有關(guān)的復(fù)雜的工序。這樣就大大地減少了材料的浪費(fèi)，以及裝配時(shí)的手工勞動(dòng)。此外，本發(fā)明的方法很適合于自動(dòng)化鋪設(shè)。例如，每一層層片或?qū)訅杭伎梢杂米詣?dòng)化的機(jī)械卷繞和/或鋪設(shè)在一個(gè)互補(bǔ)的半模中，然后再壓實(shí)。或者，每一塊寬度恒定的層壓件可以借助于常用的帶子鋪設(shè)裝置來鋪設(shè)，然后再用撿拾-放置裝置鋪在芯軸部件上。諸如由Cincinnati Milicron公司制造的帶子鋪設(shè)裝置可用于所述類型的自動(dòng)鋪設(shè)。此外，諸如在Trudeau的美國(guó)專利5，209，804和5，290，386中所描述的那種撿拾和放置裝置可用于層片/層壓件向模具表面的運(yùn)輸/輸送。
請(qǐng)參閱圖10，為了進(jìn)行比較，把復(fù)合材料翼梁10相應(yīng)的根部和頂端的OML的輪廓170、180重疊起來。在圖10中分別表示了OML輪廓170和180沿垂直方向的厚度尺寸Dr和Dt，以及沿翼弦方向的寬度尺寸Dcwr和Dcwt。厚度尺寸Dr和/或Dt通常是由旋翼葉片部件6的所要求的翼面厚度的輪廓所決定的。
請(qǐng)回到圖1，對(duì)于直升機(jī)的旋翼葉片一般要求其根端2處的厚度大于其頂端4處的厚度，以便在低速氣流范圍產(chǎn)生更大的升力，因?yàn)楦侩x開旋轉(zhuǎn)軸線28的徑向距離小于頂端4離開旋轉(zhuǎn)軸線的距離。因此，在實(shí)際中常常根據(jù)翼面輪廓的變化使復(fù)合材料翼梁10構(gòu)件在厚度和/或?qū)挾瘸叽缟嫌行倍?，例如，減小外側(cè)的厚度以形成一個(gè)較薄的翼面區(qū)段。這種斜度通常是由切割和/或沖切復(fù)合材料層片的層壓件來實(shí)現(xiàn)的。但是，這種制造方法的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，并且會(huì)由于纖維的不連續(xù)而在層壓件內(nèi)部引起額外的應(yīng)力集中。
與在旋翼葉片的頂端4處要求較薄的翼面區(qū)段聯(lián)系在一起的是，還要求保持旋翼的慣性，以防止由于輸入很大的操縱指令輸入，例如在一個(gè)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)飛行動(dòng)作中輸入一個(gè)很大的推進(jìn)/集中指令輸入，而使旋翼的速度突然下降。普通的做法是在旋翼葉片的頂端6處附加慣性大的重量來增大旋翼的慣性。這樣做，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中沉重的鈦和鋁旋翼葉片翼梁來說是沒有問題的，但是，復(fù)合材料構(gòu)件的重量輕的特性卻部分地被在旋翼葉片頂端6上需要慣性大的重量這種要求所抵消了。
本發(fā)明的方法借助于應(yīng)用翼弦方向?qū)挾群愣ǖ慕徊鎸悠蛦畏较驅(qū)悠?2、72來解決這些表面上似乎不相關(guān)的設(shè)計(jì)問題。每一塊層片的翼弦方向的寬度尺寸Dcw都是預(yù)先決定的，并且沿著翼梁的縱軸線25是恒定的?？疾靾D10中的根端和頂端的輪廓170、180就能夠了解，沿復(fù)合材料翼梁10的輪廓外模線測(cè)量的各個(gè)周長(zhǎng)尺寸基本上是恒定的，即相差在5％的范圍內(nèi)。這是右使用了寬度恒定的層片62、72而產(chǎn)生的結(jié)果，此時(shí)，復(fù)合材料翼梁10頂端厚度Dt的減小造成了翼弦方向?qū)挾瘸叽鏒cwt顯著增大。因此，本發(fā)明通過有利地增大復(fù)合材料翼梁10的翼弦方向的寬度尺寸恢復(fù)了旋翼葉片頂端處旋翼的慣性，以及與此相關(guān)連的重量。
本發(fā)明的復(fù)合材料翼梁10由16塊石墨纖維基體的交叉層片62和32塊石墨和玻璃纖維基體的單方向?qū)悠M成，但是，根據(jù)特定情況下荷載的要求，可以使用任何數(shù)量的復(fù)合材料層片。雖然在本發(fā)明中描述的是使用石墨和玻璃纖維的復(fù)合材料纖維，但是，也可以使用能為本文中所描述的結(jié)構(gòu)提供同樣強(qiáng)度和模量特性的其他復(fù)合材料纖維。此外，在上述優(yōu)選實(shí)施例中包括了散布在全部單方向?qū)悠?2之間的加強(qiáng)纖維80的層片，但是，很明顯，根據(jù)翼梁對(duì)強(qiáng)度和破壞極限的要求，也可以省略這種加強(qiáng)纖維80。
雖然在優(yōu)選實(shí)施例中描述的復(fù)合材料翼梁10在上、下側(cè)壁部位40、42上具有最里面的、最外面的和中間的交叉層片層壓件60i、60o、60m，在這些交叉層片層壓件之間有單方向?qū)訅杭?0i、70o，但，應(yīng)該明白，在各上、下側(cè)壁部位40、42中可以分別使用只有兩層交叉層片層壓件，例如60i和60o，而在各同樣的部位上則至少使用一塊單方向的層壓件，例如70i。應(yīng)該理解，為了承受所施加的同樣載荷，在各層壓件中將需要更多的復(fù)合材料的層片。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)和平衡復(fù)合材料的接頭，可以使用額外的交叉層片和單方向?qū)訅杭?0、70。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例描述了一種利用許多模具制造的復(fù)合材料翼梁，但是，應(yīng)該理解，也可以只用兩個(gè)模具，例如最里面的和最外面的模具90、100，或者使用三個(gè)以上的模具來制造，但，這些都落入本發(fā)明的構(gòu)思范圍之內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合材料翼梁是用一臺(tái)翼梁成形設(shè)備200支承的，這臺(tái)設(shè)備可完成成形/壓實(shí)和芯軸操縱工序。應(yīng)該理解，其他自動(dòng)設(shè)備或者自動(dòng)設(shè)備的組合也可以獨(dú)立地用來完成這些工序。例如，雖然在所描述的實(shí)施例中是將成形/壓實(shí)部件208a、208b與托架支承件204a、204b組合在一起的，但是，應(yīng)該理解，不一定要把這些部件做成一個(gè)整體。在同一個(gè)實(shí)施例中，上述芯軸部件經(jīng)過改進(jìn)后包括一個(gè)鐵制芯子構(gòu)件236，但應(yīng)該理解，這種芯軸部件只要具有鐵的特性，能夠和電磁線圈裝置聯(lián)合工作就可以了。此外，在上述翼梁成形設(shè)備中的托架支承件204a、204b是轉(zhuǎn)動(dòng)和/或作線性移動(dòng)到達(dá)它的位置的，但應(yīng)該理解，本發(fā)明可使用能夠操縱芯軸部件的方向的任何機(jī)構(gòu)。
總之，本發(fā)明減少了顯微裂紋，提高了破壞極限，以最佳方式確定纖維加強(qiáng)材料的位置和方向，以便最大限度發(fā)揮重量的效能，并提供應(yīng)變均衡的接頭。此外，本發(fā)明的方法方便了制造，能均勻地壓實(shí)層壓件，減少了裝配過程中的手工勞動(dòng)，可以重復(fù)，并且適合于自動(dòng)化制造過程。最后，本發(fā)明的制造方法生產(chǎn)了一種經(jīng)過改進(jìn)的復(fù)合材料翼梁，它具有沿其縱向長(zhǎng)度上有利的質(zhì)量分布。
雖然本發(fā)明只對(duì)列舉的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，在部脫離本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)，能對(duì)本發(fā)明作各種變化、省略和增補(bǔ)。
權(quán)利要求
1．一種制造復(fù)合材料翼梁(10)的方法，上述復(fù)合材料翼梁(10)具有由前、后錐形部位(45、47)連接的上、下側(cè)壁部位(40、42)，這種方法包括下列步驟提供一個(gè)寬度尺寸為(Dm)并且具有鐵金屬性能的可脹大的芯軸部件(110)；提供一臺(tái)翼梁成形設(shè)備，該設(shè)備包括第一和第二托架支承件(204a、204b)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成適合于支承上述可脹大的芯軸部件(110)，并且其寬度尺寸為(Dpw)，此寬度小于芯軸部件(110)的寬度尺寸(Dm)，上述托架支承件(204a、204b)能從第一方向運(yùn)動(dòng)到第二方向；至少一個(gè)設(shè)置成與上述各托架支承件(204a、204b)組合在一起的電氣致動(dòng)的線圈(232)；以及一個(gè)可控的電源(234)，用于有選擇地向上述電氣致動(dòng)的線圈(232)通電，以便在上述芯軸部件(110)與上述托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)支承件之間施加磁性?shī)A緊力；把交叉層片和單方向?qū)訅杭?60、70)裝配在上述芯軸部件(110)上，以形成一個(gè)預(yù)成形的部件(120)，它具有夾在上述交叉層片層壓件(60)之間的單方向?qū)訅杭?70)，并且在相應(yīng)于復(fù)合材料翼梁(10)的前、后錐形部位(45、47)的范圍內(nèi)具有結(jié)構(gòu)的接頭(68)和滑動(dòng)平面(66)，上述裝配步驟包括下列分步驟a．向與托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)處于第一方向的支承件相關(guān)的電氣致動(dòng)的線圈(232)通電，使上述芯軸部件(110)保持在其位置上；b．把上述交叉層片和單方向?qū)訅杭?60、70)鋪設(shè)在上述芯軸部件(110)的一面上；c．將上述交叉層片和單方向?qū)訅杭?60、70)成形，使得上述交叉層片層壓件(60)在與復(fù)合材料翼梁(10)的錐形部位(45、47)相應(yīng)的范圍內(nèi)包裹在芯軸部件(110)的周圍；d．使上述托架支承件(204a、204b)移動(dòng)到第二方向，使得每一個(gè)支承件都與芯軸部件(110)接觸；e．使上述與托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)支承件相關(guān)的電氣致動(dòng)的線圈(232)斷電，而向上述與托架支承件(204a、204b)中的另一個(gè)支承件相關(guān)的電氣致動(dòng)的線圈(232)通電，以使芯軸部件(110)從托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)支承件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)支承件上；f．重復(fù)步驟a到e，直到所有交叉層片層壓件和單方向?qū)訅杭间佋O(shè)好了為止，從而形成一個(gè)預(yù)成形部件(120)；把上述預(yù)成形部件(120)放入一個(gè)固化模具中，該模具的模具表面形成了上述復(fù)合材料翼梁(10)的外模具輪廓；對(duì)上述可脹大的芯軸部件(120)加壓，以便迫使上述交叉層片和單方向?qū)訅杭?60、70)緊壓在上述固化模具的模具表面上，以壓實(shí)層壓件(60、70)；以及固化上述交叉層片和單方向?qū)訅杭?60、70)；其中在錐形部位(45、47)內(nèi)的結(jié)構(gòu)接頭(68)和滑動(dòng)平面(66)有利于均勻地壓實(shí)交叉層片和單方向?qū)訅杭?60、70)。
2．一種翼梁成形設(shè)備(200)，它在制造復(fù)合材料翼梁(10)的過程中能操縱一個(gè)可脹大的芯軸部件(110)，并使其精確定位，上述可脹大的芯軸部件(110)的寬度尺寸為(Dm)，其內(nèi)部具有鐵金屬材料，這種翼梁成形設(shè)備(200)的特征在于它具有下列部件第一和第二托架支承件(204a、204b)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成適合于支承上述可脹大的芯軸部件(110)，并且其寬度尺寸為(Dpw)，此寬度小于芯軸部件(110)的寬度尺寸(Dm)，上述托架支承件(204a、204b)能從第一方向運(yùn)動(dòng)到第二方向，該第一方向有利于復(fù)合材料層壓件(60，70)的鋪設(shè)，而該第二方向以便于把上述芯軸部件(110)從上述托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)托架上轉(zhuǎn)移到另一個(gè)托架上；至少一個(gè)設(shè)置成與上述各托架支承件(204a、204b)組合在一起的電氣致動(dòng)的線圈(232)；以及一個(gè)可控的電源(234)，用于有選擇地向上述電氣致動(dòng)的線圈(232)通電，以便在上述芯軸部件(110)與上述托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)支承件之間施加磁性?shī)A緊力，以便在鋪設(shè)復(fù)合材料層壓件(60、70)的過程中使可脹大的芯軸部件(110)定位，并實(shí)現(xiàn)把上述芯軸部件(110)從上述托架支承件(204a、204b)中的一個(gè)托架上轉(zhuǎn)移到另一個(gè)托架上的過程。
3．如權(quán)利要求2所述的翼梁成形設(shè)備(200)，其特征在于，每一個(gè)托架支承件(204a、204b)都設(shè)置成與一個(gè)可樞轉(zhuǎn)的聯(lián)桿裝置(206)組合在一起，上述可樞轉(zhuǎn)的聯(lián)桿裝置便于上述托架支承件從第一方向移動(dòng)到第二方向。
4．如權(quán)利要求3所述的翼梁成形設(shè)備(200)，其特征在于，它還包括用于實(shí)現(xiàn)上述托架支承件(204a、204b)的線性移動(dòng)的裝置，以便與處于第二方向上的芯軸部件(110)緊密接觸。
5．如權(quán)利要求2所述的翼梁成形設(shè)備(200)，其特征在于，它還包括一個(gè)與上述各托架支承件(204a、204b)連接、并能和它們一起運(yùn)動(dòng)的成形/壓實(shí)部件(208a、208b)。
全文摘要
一種直升機(jī)旋翼葉片用的、用纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料翼梁(10),它包括上、下側(cè)壁部位(40、42)和前、后錐形部分(45、47)。這種復(fù)合材料翼梁是用真空成形技術(shù)制造的,這種方法包括在互補(bǔ)的模具中裝配復(fù)合材料層壓件,或者直接在可脹大的芯軸部件(110)上成形復(fù)合材料層壓件。一種翼梁成形設(shè)備(200)包括第一和第二托架支承件(204),這種支承件設(shè)計(jì)成便于在復(fù)合材料翼梁的錐形部位的對(duì)接接頭的成形。上述托架支承件(204)能從便于在芯軸部件上鋪設(shè)復(fù)合材料層壓件的第一方向運(yùn)動(dòng)到便于將芯軸部件從一個(gè)托架支承件轉(zhuǎn)移到另一個(gè)托架支承件上去的第二方向。這種翼梁成形設(shè)備還包括一個(gè)電磁線圈裝置(232)。這種電氣致動(dòng)的線圈設(shè)置成與各托架支承件組合在一起。一個(gè)可控電源可有選擇地向該線圈通電,以便在芯軸部件與一個(gè)托架支承件之間產(chǎn)生磁性?shī)A緊力。這種電磁線圈裝置能在鋪設(shè)復(fù)合材料層壓件的過程中精確地定位可脹大的芯軸部件,并實(shí)現(xiàn)芯軸部件的轉(zhuǎn)移。
文檔編號(hào)B29C70/34GK1283149SQ9881252
公開日2001年2月7日 申請(qǐng)日期1998年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月23日
發(fā)明者N·伊斯奇津, A·E·特魯多, D·A·科瓦爾斯基 申請(qǐng)人:西科爾斯基飛機(jī)公司