用于复合结构的圆角填料及形成其的方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及可用于填充复合结构内的空隙空间的圆角填料，更特别地，涉及材料性能与周围复合结构的材料性能对应的圆角填料和/或形成该圆角填料的系统和方法。
【背景技术】
[0002]复合结构常包括层合结构，在该层合结构中，诸如预浸渍(或预浸)材料的复合材料的片材可弯曲、卷曲和/或以其它方式在第一平面或表面和第二平面或表面之间延伸。复合材料的片材的有限厚度和/或机械刚性导致第一表面和第二表面之间的过渡区中的有限弯曲或曲率半径；并且在一些几何结构中，空隙空间中的这个有限曲率半径导致复合材料的相邻片材之间的空隙空间或腔体。
[0003]这个空隙空间可被诸如圆角填料的填料材料填充或以其它方式被占据。圆角填料可被构造成为与之毗邻的复合材料片材提供机械支承和/或减小在复合结构正在卷曲时复合材料片材变形的可能性。虽然圆角填料的存在可为复合结构提供各种益处，但圆角填料的几何结构、横截面形状和/或材料性能与限定空隙空间的复合材料的几何结构、横截面形状和/或材料性能之间的差异会在形成和/或固化复合结构期间使复合结构和/或圆角填料变形。因此，可有利的是，使圆角填料的形状紧密地匹配空隙空间的形状或期望的形状。另外，还可有利的是，使圆角填料的材料性能匹配复合材料的片材和/或所得复合结构的材料性能。
[0004]传统的圆角填料常常利用单段复合材料，该复合材料在多个位置起皱从而形成可折叠形状，然后成型为最终的期望形状。另选地，传统的圆角填料可利用堆叠在彼此之上的多段复合材料，以形成多个平行平面的复合材料。这些方法都无法允许密切控制圆角填料的形状和/或材料性能，更别提使形状和/或材料性能匹配周围叠层的形状和/或材料性能。因此，存在改进的用于复合结构的圆角填料以及改进的用于制造圆角填料的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0005]本文中公开了用于复合结构的圆角填料、包括圆角填料的复合结构、形成其的系统和方法。所述方法包括:确定细长空隙空间的横截面形状，所述细长空隙空间在由复合材料的多个层片限定的过渡区内延伸；以及确定所述过渡区的材料性能域。所述方法还包括通过以下步骤形成圆角填料:组合多段复合带以限定与所述细长空隙空间的横截面形状对应的圆角填料横截面形状；以及至少部分地基于所述过渡区的所述材料性能域来确定所述多段复合带中的每段复合带的多段增强纤维的取向。
[0006]在一些实施方式中，确定所述细长空隙空间的横截面形状的步骤包括:对所述复合结构进行建模；和/或确定所述细长空隙空间的期望的横截面形状。在一些实施方式中，确定所述过渡区的所述材料性能域的步骤包括:对所述复合结构的至少一部分进行建模。
[0007]在一些实施方式中，确定所述多段复合带中的每段复合带的多段增强纤维的取向的步骤包括:确定取向，使得所述圆角填料的材料性能域对应于所述过渡区的所述材料性能域。在一些实施方式中，确定所述多段复合带中的每段复合带的多段增强纤维的取向的步骤包括:确定取向，使得所述圆角填料的所述材料性能域在阈值材料性能域差异内匹配于所述过渡区的所述材料性能域。
[0008]在一些实施方式中，确定所述过渡区的所述材料性能域的步骤包括:确定所述过渡区的二维材料性能域和/或三维材料性能域。在一些实施方式中，所述过渡区的所述材料性能域包括所述过渡区的刚性域、所述过渡区的热膨胀系数域、和/或所述过渡区的应力域。
[0009]在一些实施方式中，确定所述过渡区的所述材料性能域的步骤包括:确定所述过渡区内的主应力区和/或确定所述主应力区内的主应力方向。在一些实施方式中，确定所述多段复合带中的每段复合带的多段增强纤维的取向的步骤包括:确定取向，使得所述多段复合带中的至少一段复合带限定相应的纤维轴方向，该相应的纤维轴方向在所述圆角填料的位于所述主应力区内的一部分内延伸和/或至少基本上平行于所述主应力方向延伸。
[0010]在一些实施方式中，所述方法还包括:至少部分地基于所述细长空隙空间的所述横截面形状和/或所述过渡区的所述材料性能域来确定所述多段复合带中的每段复合带内的纤维轴方向。在一些实施方式中，所述方法还包括:至少部分地基于所述细长空隙空间的所述横截面形状和/或所述过渡区的所述材料性能域来建立所述圆角填料内的所述多段复合带中的每段复合带的相对位置。
[0011]在一些实施方式中，组合多段复合带的步骤包括:进行组合，使得限定所述圆角填料的外表面的各段复合带的纤维轴方向的取向被确定成平行于所述圆角填料的纵轴。在一些实施方式中，组合多段复合带的步骤包括:将多段复合带接纳在成形模具的多个第一开口中；将多段复合带按压成在所述成形模具内抵靠着彼此，以形成所述圆角填料；以及从所述成形模具的第二开口取出所述圆角填料。在一些实施方式中，所述方法还包括:将圆角填料定位在复合结构内。
[0012]圆角填料包括具有选择性取向的增强纤维的圆角填料。圆角填料包括多段复合带并且多段复合带中的每段复合带均包括相应的多段增强纤维。多段复合带中的每段复合带中的多段增强纤维限定基于过渡区的材料性能域选择的相应的纤维轴方向。
[0013]在一些实施方式中，所述圆角填料的所述材料性能域对应于所述过渡区的所述材料性能域。在一些实施方式中，所述圆角填料的所述材料性能域在阈值材料性能域差异内匹配于所述过渡区的所述材料性能域。
[0014]复合结构包括会合于过渡区内以限定细长空隙空间的复合材料的多个层片和圆角填料。在一些实施方式中，复合结构包括航空器和/或航空器的一部分。
【附图说明】
[0015]图1是根据本公开的可包括可利用圆角填料的一个或多个复合结构的航空器的例证性非排他性示例的示意性表现。
[0016]图2是根据本公开的复合结构的例证性非排他性示例的示意性表现。
[0017]图3是根据本公开的可包括和/或利用圆角填料的复合结构的过渡区的示意性剖视图。
[0018]图4是可用于根据本公开的系统和方法的一段复合带的示意性顶视图。
[0019]图5是可用于根据本公开的系统和方法的一段复合带的另一个示意性顶视图。
[0020]图6是可用于根据本公开的系统和方法的一段复合带的另一个示意性顶视图。
[0021]图7是根据本公开的圆角填料的剖视图。
[0022]图8是根据本公开的用于形成圆角填料的系统和/或根据本公开的可在成形模具中相组合以制作圆角填料的多段复合带的纤维轴方向的示意性表现。
[0023]图9是根据本公开的成形模具的示意性表现。
[0024]图10是图9的成形模具的另一个示意性表现。
[0025]图11是图10的成形模具的另一个示意性表现。
[0026]图12是示出根据本公开的形成圆角填料的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]图1至图12提供了圆角填料390、包括圆角填料390的复合结构30、和/或制造圆角填料的系统100和方法400的示例。在图1至图12中的每个图中，用类似的标号标记用于类似或基本上类似目的的元件，并且本文中可能不会参照图1至图12中的每个图都详细地讨论这些元件。类似地，在图1至图12中的每个图中，可能不会标记所有元件，但为了一致，在本文中可利用与这些元件关联的参考标号。在不脱离本公开的范围的情况下，本文中参照图1至图12中的一个或多个讨论的元件、组件和/或特征可被包括在图1至图12中的任一个中和/或被用于图1至图12中的任一个。
[0028]总体上，用实线示出有可能被包括在给定(即，特定)实施方式中的元件，而用虚线示出对于给定实施方式来说可选的元件。然而，用实线示出的元件不是所有实施方式都必需的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，在特定实施方式中可省略用实线示出的元件。
[0029]图1是可包括一个或多个复合结构30的航空器20的例证性非排他性示例的示意性表现。复合结构30可包括和/或利用根据本公开的圆角填料390。复合结构30可形成航空器20的任何合适部分。作为例证性非排他性示例，复合结构30可形成航空器20的驾驶舱21、机身22、机翼23、尾部24、垂直安定面25、水平安定面26、控制表面27和/或内部28的任何合适部分。
[0030]类似地，复合结构30可包括图2中示出的任何合适形式的、例证性非排他性示例。图2的复合结构包括蒙皮32和多个幅材34，幅材34均可由复合材料31的一个或多个片材、层片和/或叠层48形成。复合结构30可包括单个蒙皮32，带有由幅材34形成的多个帽形加强件36。另选地，并且如图2中用虚线示出的，复合结构30还可包括两个蒙皮32，并且幅材34在其间延伸。
[0031]不管复合结构30的特定构造如何，蒙皮32和/或幅材34均会限定出空隙38，空隙38在本文中还可被称为细长空隙38、空隙空间38和/或细长空隙空间38。空隙38可被限定在蒙皮32和幅材34之间的过渡区40内和/或复合结构30的第一平面或表面42和第二平面或表面44之间的任何合适的过渡区40中。空隙38可被可在其中延伸的圆角填料390填充或者以其它方式被圆角填料390占据；并且圆角填料390的形状和/或一种或多种材料性能可影响复合结构30的形状和/或一种或多种材料性能。
[0032]图3是根据本公开的可包括和/或利用圆角填料390的复合结构30的过渡区40的示意性剖视图。如图3中所示，可由复合材料31的第一层片50、复合材料31的第二层片52和复合材料31的第三层片54限定过渡区40。然而，其它过渡区40也在本公开的范围内，包括由复合材料31的少于三个的层片、复合材料31的不止三个的层片、和/或复合材料31的多个堆叠和/或层合的层片限定的过渡区40。
[0033]在图3的例证性非排他性示例中，第一层片50和第二层片52会合于过渡区40内，以在其间限定第一接触区56。类似地，第二层片52和第三层片54会合于过渡区40内，以在其间限定第二接触区58。另外，第三层片54和第一层片50会合于过渡区40内，以在其间限定第三接触区60。如所示出的，第一接触区56、第二接触区58和第三接触区60终止于限定在过渡区40内的空隙空间38内和/或进入空隙空间38中。
[0034]如用虚线示出的，圆角填料390可在空隙空间38内延伸，可基本上和/或完全地填充空隙空间38，可接触第一层片50、第二层片52和/或第三层片54，可附着于和/或可操作地附连于第一层片50、第二层片52和/或第三层片54，和/或可与第一层片50、第二层片52和/或第三层片54形成交界面70。空隙空间38和/或圆角填料390可具有和/或限定任何合适的横截面形状，其例证性非排他性示例包括三角形横截面形状、楔形形状的横截面形状、和/或限定底边和多个会聚的成角度的侧边的横截面形状。
[0035]第一层片50、第二层片52和第三层片54在本文中可总体上被称为复合材料31的层片48并且可具有或限定过渡区40的一种或多种材料性能。可通过和/或基于复合结构30和/或过渡区40的整体形状和/或几何结构和/或复合结构30和/或限定过渡区40的层片48的构造的材料来控制这些材料性能。层片48可由包括多个增强纤维90的复合材料31形成