具有几何成形填料元件的叠层复合圆角填料及其形成方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及复合结构(composite structure)和方法，并且更具体地，涉及用于复合结构(诸如用于飞机的结构)的叠层复合圆角填料(radius filler)和形成该叠层复合圆角填料的方法。
【背景技术】
[0002]由于它们的高强度重量比、耐腐蚀性和其它有利的性能，复合结构(诸如由碳纤维加强塑料(CFRP)材料制成的结构)可以用在广泛的各种应用中，包括用在飞机、宇宙飞船、旋翼机、船舶、汽车、卡车及其它交通工具和结构的制造中。具体地，在飞机构造中，复合结构可以用来形成尾部、机翼、机身和其它部件。
[0003]当诸如接合至复合蒙皮板的增强加强筋或桁条的复合结构构件被接合在一起时，通常被称为“圆角填料区域”或“面条状物区域(noddle reg1n)”的间隙或空隙区域可以沿着复合结构构件的接合线存在。由复合材料或粘合剂/环氧树脂材料制成并且具有通常三角形的横截面的圆角填料元件或“面条状物”可以用来填充圆角填料区域或面条状物区域以向这种区域提供附加的结构加强。
[0004]用来填充圆角填料区域或面条状物区域的圆角填料元件或面条状物可以是叠层复合圆角填料的形式。这种已知的叠层复合圆角填料可以由堆叠(stack)的复合层片(Ply)形成的叠层制成。然而，在诸如在包括增强加强筋或桁条的复合结构中使用的这种已知的叠层复合圆角填料的制造固化和热循环阶段期间，可能在叠层复合圆角填料中发生分层或层分离。通常，这种分层发生在靠近叠层复合圆角填料的尖端的上部三分之一区域中并且可能更频繁地发生在更大的叠层复合圆角填料中。这种分层通常是由邻近叠层复合圆角填料的层片(即，包裹层片(wrap ply))与该叠层复合圆角填料之间的热膨胀系数(CTE)的差引起的。
[0005]存在解决叠层复合圆角填料的这种分层的已知解决方案。例如，一个这种已知解决方案涉及表明叠层复合圆角填料的分层不是有害的。然而，这种已知解决方案可能增加风险，因为它可能难以表明分层将不在复合结构的整个寿命中在所有环境和负载条件下增长至有害尺寸。
[0006]因此，期望能够解决在诸如增强加强筋和桁条的复合结构中使用的叠层复合圆角填料的分层的问题。因此，在本领域中存在对于相对于已知元件、组件和方法提供优点的改进的叠层复合圆角填料和形成该改进的叠层复合圆角填料的方法的需要。
【发明内容】
[0007]对于改进的叠层复合圆角填料和形成该改进的叠层复合圆角填料的方法的这个需要被满足。如在下面的具体描述中所讨论的，改进的叠层复合圆角填料和形成该改进的叠层复合圆角填料的方法的实施方式可以相对于已知元件、组件和方法提供显著优点。
[0008]在本公开的一个实施方式中，提供了一种用于复合结构的叠层复合圆角填料。该叠层复合圆角填料包括堆叠层片组件。该堆叠层片组件包括被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠。
[0009]所述叠层复合圆角填料还包括设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处的几何成形填料元件。所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。所述叠层复合圆角填料具有与所述复合结构的圆角填料区域基本上对应的形状。
[0010]在本公开的另一实施方式中，提供了一种飞机复合组件。该飞机复合组件包括复合结构。该复合结构包括圆角填料区域和邻近该圆角填料区域的多个包裹层片。
[0011]所述飞机复合组件还包括具有与所述圆角填料区域基本上对应的形状并且填充所述圆角填料区域的叠层复合圆角填料。所述叠层复合圆角填料包括堆叠层片组件。所述堆叠层片组件包括被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠。
[0012]所述叠层复合圆角填料还包括设置在所述堆叠层片组件的第一部分上的期望位置处的几何成形填料元件。所述几何成形填料元件使堆叠在所述几何成形填料元件上的所述堆叠层片组件的第二部分变形，使得所述堆叠层片组件的所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。
[0013]在本公开的另一实施方式中，提供了一种形成用于复合结构的叠层复合圆角填料的方法。所述方法包括以下步骤:组装被切割为期望的宽度并且具有期望的层片取向的叠层圆角填料层片的多个堆叠，以形成堆叠层片组件。所述方法还包括以下步骤:将所述堆叠层片组件的第一部分铺叠(lay up)在形成设备上。所述方法还包括以下步骤:将几何成形填料元件设置在所述堆叠层片组件的所述第一部分上的期望位置处。
[0014]所述方法还包括以下步骤:将所述堆叠层片组件的第二部分铺叠在所述几何成形填料元件和所述第一部分上以形成叠层复合圆角填料。所述几何成形填料元件使所述第二部分变形，使得所述第二部分的叠层圆角填料层片改变方向并且具有包括水平方向和垂直方向的方向分量。所述方法还包括以下步骤:在复合结构的圆角填料区域中组装所述叠层复合圆角填料。
[0015]已讨论的特征、功能和优点能够在本公开的各种实施方式中独立地实现，或可以组合在其它的实施方式中，其另外的细节能够参照以下描述和附图看到。
【附图说明】
[0016]能够参照结合附图进行的以下具体描述更好地理解本公开，附图例示了优选和示例性实施方式，但是附图不必按比例绘制，其中:
[0017]图1是可以并入具有一个或更多个复合结构的一个或更多个复合组件的飞机的立体图的例示，该一个或更多个复合结构具有本公开的叠层复合圆角填料的实施方式；
[0018]图2A是飞机生广和使用方法的流程图的例不；
[0019]图2B是飞机的框图的例示；
[0020]图3是示出本公开的叠层复合圆角填料的实施方式的复合组件的框图的例示；
[0021]图4A是具有利用本公开的叠层复合圆角填料的实施方式填充的圆角填料区域的T型加强筋的形式的复合结构的立体图的例示；
[0022]图4B是复合组件中的图4A的叠层复合圆角填料的放大的局部正视截面图的例示;
[0023]图5是本公开的叠层复合圆角填料的实施方式中的具有一个几何成形填料元件和尖端(tip)元件的一个实施方式的放大的正视截面图的例示；
[0024]图6是本公开的叠层复合圆角填料的实施方式中的具有两个几何成形填料元件和尖端元件的另一实施方式的放大的正视截面图的例示；
[0025]图7是本公开的叠层复合圆角填料的实施方式中的具有两个几何成形填料元件并且没有尖端元件的另一实施方式的放大的正视截面图的例示；以及
[0026]图8是本公开的方法的示例性实施方式的流程图的例示。
【具体实施方式】
[0027]现将在下文中参照附图更全面地描述所公开的实施方式，在附图中示出了所公开的实施方式中的一些但非全部。实际上，多个不同的实施方式可以被提供并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方式。相反地，提供这些实施方式使得本公开将是彻底的，并且将完全地将本公开的范围传达给本领域的技术人员。
[0028]现参照附图，图1是可以并入具有一个或更多个复合结构28的一个或更多个复合组件26的飞机10的立体图的例示。复合结构28(见图1)可以并入通过本公开的方法150 (见图8)的一个或更多个实施方式所形成的叠层复合圆角填料70 (见图3、4A-4B、5-7)的实施方式，诸如例如叠层复合圆角填料70a (见图5)、叠层复合圆角填料70b (见图6)或叠层复合圆角填料70c (见图7)。
[0029]如图1中所示，飞机10包括机身12、机头14、驾驶舱16、机翼18、一个或更多个推进单元20、垂直尾部22和水平尾部24。图1中所示出的飞机10通常表示具有一个或更多个复合组件26的商用客机，该一个或更多个复合组件26具有一个或更多个复合结构28。然而，所公开的实施方式的教导可以应用于其它客机、货机、军用飞机、旋翼机和其它类型的飞机或飞行器，以及航空航天飞行器、卫星、空间运载工具、火箭及其它航天飞行器，以及船和其它船舶、火车、汽车、卡车、公交车或具有一个或多个复合组件26 (该一个或多个复合组件26具有一个或更多个复合结构28)的其它合适结构，所述复合结构28可以并入利用本公开的方法150 (见图8)的一个或更多个实施方式所制成的叠层复合圆角填料70 (见图3、4A-4B、5-7)的实施方式。
[0030]图2A是飞机生产和使用方法30的流程图的例示。图2B是飞机50的框图的例示。参照图2A-2B，可以在如图2A中所示出的飞机生产和使用方法30和如图2B中所示出的飞机50的背景下描述本公开的实施方式。在预生产期间，示例性飞机生产和使用方法30可以包括飞机50的规格和设计32及材料采购34。在生产期间，进行飞机50的部件和配件制造36以及系统集成38。此后，飞机50可以经历验收和交付40以进行使用42。在客户的使用42期间，飞机50可安排用于日常维修和保养44(其也可包括改进、重新配置、翻新以及其它合适的服务)。
[0031]飞机生产和使用方法30的过程的每一个都可以由系统集成者、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实行。出于本描述的目的，系统集成者可以包括但不限于任何数目的飞机制造商和主系统转包商；第三方可以包括但不限于任何数目的销售商、转包商和供应商；并且，运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织和其它适合的运营商。
[0032]如图2B中所示，由示例性飞机生产和使用方法30所生产的飞机50可以包括具有多个高级系统54和内部56的机体52。该多个高级系统54的示例可以包括推进系统58、电气系统60、液压系统62和环境系统64中的一个或更多个。还可以包括任何数目的其它系统。尽管示出了航空航天示例，但是本发明的原理可以应用于其它工业，诸如汽车工业。
[0033]可以在生产和使用方法30的多个阶段中的任何一个或更多个期间采用本文所具体实现的方法和系统。例如，可以按照与在飞机50在使用中42的同时所生产的部件或配件相似的方式制作或制造与部件和配件制造36对应的部件或配件。并且，可以例如通过基本上加快飞机50的组装或减少飞机50的成本在部件和配件制造36和系统集成38期间利用一个或更多个设备实施方式、方法实施方式或其组合。类似地，可以在飞机50在服务中42的同时利用设备实施方式、方法实施方式或其组合中的一个或更多个，所述服务例如但不限于例行维修和保养44。
[0034]在本公开的实施方式中，提供了用于复合组件26(见图3、4B)中的复合结构28(见图3、4A-4B)的叠层复合圆角填料70(见图3、4A_4B、5_7)，即，“面条状物”，用于填充圆角填料区域72 (见图3、4A-4B)，即，“面条状物区域”。图3是示出本公开的叠层复合圆角填料70的实施方式的复合组件26 (诸如飞机复合组件26a)的框图的例示。
[0035]如图3中所示，复合组件26包括具有圆角填料区域72的复合结构28。如图3中进一步所示，复合结构28包括叠层复合圆角填料70，其邻近复合结构28的包裹层片84a、包裹层片84b和包裹层片92a。
[0036]图4A是具有利用本公开的叠层复合圆角填料70的实施方式填充的圆角填料区域72、诸如为T型加强筋的形式的复合结构28的立体图的例示。图4B是复合组件26 (诸如飞机复合组件26a)中的图4A的叠层复合圆角填料70的放大的局部正视截面图的例示。如图4B中所示，诸如为叠层复合圆角填料70a的形式的叠层复合圆角填料70优选地具有与复合结构28的圆角填料区域72的尺寸和形状基本上对应的构造74。
[0037]如图4A中所示，诸如为T型加强筋76的形式的复合结构28包括垂直腹板(web) 78、水平凸缘80和径向(radial)围绕叠层复合圆角填料70的凸缘-腰板过渡部82。垂直腹板78 (见图4A-4B)和水平凸缘80 (见图4A-4B)优选地包括邻近叠层复合圆角填料70(见图3、4A-4B)的堆叠复合层片84(见图4A-4B)，诸如包裹层片84a、84b (见图3、4B)。包裹层片84a、84b (见图4B)优选地具有在垂直方向118b (见图4B)或基本上垂直方向上延伸的径向取向86(见图4B)。如图4A中进一步所示，T型加强筋76的水平凸缘80可以在界面88 (例如，蒙皮加强筋界面)处接合到一个或更多个基部