CN107107485B - 制造复合结构的垫片的方法以及包含垫片的复合结构 - Google Patents

Abstract

一种用于交通工具(10)的复合部件(16)包括由复合材料制成的层压板(18)；施加到所述层压板(18)上的第一垫片区域(22)，其中所述第一垫片区域(22)包含并排布置的彼此相邻铺设的多个第一丝束，并且其中所述第一垫片区域(22)限定第一纤维取向；以及第二垫片区域(24)，其中所述第二垫片区域(24)包含并排布置的彼此相邻铺设的多个第二丝束，并且其中所述第二垫片区域(24)限定与所述第一纤维取向相差预定角度的第二纤维取向。所述第一垫片区域(22)和所述第二垫片区域(22)在相交区域处相交，并且在所述层压板(18)上共同形成第一垫片板层。

Description

制造复合结构的垫片的方法以及包含垫片的复合结构

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月12日提交的美国临时专利申请号62/090,976的优先权，所述申请的全部内容特此以引用的方式并入。

发明领域

本发明涉及用于构造复合结构的一个或多个垫片的方法，以及包含一个或多个垫片的复合结构。具体地，本发明涉及用于构造复合结构的垫片的方法，所述复合结构包含预浸渍复合材料。更具体地，本发明被设想由用于铺设预浸渍材料以提供包括一个或多个垫片的复合结构的自动纤维铺放(“AFP”)系统来使用。

背景和相关技术的描述

预浸渍复合织物材料(即，预浸渍材料)通常用于制造复合部件，诸如飞机部件以及其他可能部件。在被固化成最终的复合部件之前，预浸渍材料包含在其上已施加树脂的织物层，使得树脂至少部分地浸渍织物层。

为了形成复合结构，通常将复合织物材料的多个层或多个板层彼此上下地堆叠。通常，这是手工完成的(即手工铺设)，这是耗时且因此昂贵的。

关于某些飞机部件，通常在飞机部件上的将要附接结构元件的位置处包含加厚区域(称为“垫片”)。常规地，这些垫片也是使用手工铺设技术而形成的。

鉴于上述情况，已发展出一种需求，借此可通过自动化或半自动化技术来制造飞机部件(包括那些整合垫片)，所述技术包括但不限于AFP机和/或自动铺带(“ATL”)机。

发明概述

本发明解决相对于现有技术指出的不足中的一个或多个。

本发明提供了用于交通工具的复合部件。复合部件包括由复合材料制成的层压板；施加到层压板上的第一垫片区域，其中第一垫片区域包含并排布置的彼此相邻铺设的多个第一丝束，并且其中第一垫片区域限定第一纤维取向；以及第二垫片区域，其中第二垫片区域包含并排布置的彼此相邻铺设的多个第二丝束，并且其中第二垫片区域限定与第一纤维取向相差预定角度的第二纤维取向。所述第一垫片区域和所述第二垫片区域在相交区域处相交，并且在所述层压板上共同形成第一垫片板层。

在一个设想的实施方案中，第一纤维取向是沿着复合部件的第一载荷路径。

在另一个设想的实施方案中，第二纤维取向是沿着复合部件的第二载荷路径。

设想的是，复合部件可构造成使得第一垫片区域和第二垫片区域的至少一部分位于相同层中。

此外，复合部件可构造成使得至少一个中间层位于第一垫片区域与第二垫片区域之间。

在另一个设想的实施方案中，第一垫片区域和第二垫片区域可在相交区域处重叠。

还设想的是，第一垫片区域可在相交区域处邻接第二垫片区域。

在一个设想的实施方案中，预定角度小于或等于约90°。

设想的是，可通过自动纤维铺放机来将第一垫片板层施加到层压板上。

其他实施方案设想，可通过自动纤维铺放机通过引导多个第一丝束来将第一垫片区域施加到层压板上。

此外，可通过自动纤维铺放机通过引导多个第二丝束来将第二垫片区域施加到层压板上。

在使用时，自动纤维铺放机可在改变方向以便在部件上铺设多个第二垫片区域之前在部件上铺设多个第一垫片区域。

对于本发明的一个或多个实施方案，部件上的多个第一垫片区域和多个第二垫片区域提供了垫片区域的网格。

关于一个或多个设想的实施方案，层压板、第一垫片区域和第二垫片区域由预浸渍有树脂的碳纤维材料制成。

本发明还提供了用于交通工具的复合部件，所述复合部件包括网格图案的垫片区域和定位在垫片区域之间的间隙区域。网格图案的垫片区域至少包括第一垫片区域和与第一垫片区域相交的至少第二垫片区域。第一垫片区域具有沿着第一垫片区域的第一长度延伸的第一纤维方向，并且第二垫片区域具有沿着第二垫片区域的第二长度延伸的第二纤维方向。第一垫片区域和第二垫片区域以预定角度相交。

结合此实施方案，设想的是，所述垫片区域和第二垫片区域在相交区域处重叠。

对于复合部件还设想的是，第一垫片区域在相交区域处邻接第二垫片区域。

复合部件可包括定位在第一垫片区域与第二垫片区域之间的至少一个中间层。

相对于复合部件，第一垫片区域和第二垫片区域的至少一部分可位于相同层中。

本发明的另外方面从以下的段落将变得明显。

附图简述

现在将结合本发明的附图来描述本发明，其中：

图1是示出所述类型的飞机机身的机尾区段的一部分的飞机的透视图，所述部分可由根据本发明制造的一个或多个部件构成；

图2是图1所示的飞机的机尾区段的部分的透视图，提供了增强的细节以便于讨论本发明的所选择的元件；

图3是设想为机身的一部分的部件的透视图，示出支撑附接到或并入飞机部件中的纵梁和结构元件的垫片区域；

图4是图3所示的飞机部件的透视图，其中纵梁和结构元件被移除，从而突出了各个垫片区域的位置、尺寸和形状；

图5是飞机部件的透视图，示出诸如可用手施加(即手动构造)的垫片区域的板层堆叠的示例性、非限制性应用；

图6是根据本发明的形成用于飞机结构的垫片的一个板层的第一实施方案的透视图；

图7是根据本发明的用于飞机结构的垫片的一个板层的第二实施方案的图解俯视图；

图8是根据本发明的用于飞机结构的垫片的一个板层的第三实施方案的图解俯视图；

图9是根据本发明的彼此上下分层以形成用于飞机结构的垫片的多个板层的分解透视图；

图10是图9所示的若干层中所采用的第一复合材料板层的图解俯视图；

图11是图9所示的若干层中所采用的第二复合材料板层的图解俯视图；

图12是图9所示的一个层中所采用的第三复合材料板层的图解俯视图；

图13是图9所示的一个层中所采用的第四复合材料板层的图解俯视图；

图14是在图1所示的飞机的机尾区段上可采用的类型的飞机机身的一部分的透视图，示出所选择的垫片区域的位置以突出显示本发明的各方面；

图15是图14所示的飞机机身的部分的内表面的视图，示出相同的选择的垫片区域以便进行说明；

图16是示出图14和图15所示的用于机身元件的部分的垫片区域的一部分的放大图；

图17是图14所示的机身部分的内表面的透视图，示出内表面的弯度；

图18是根据本发明的飞机结构的另一实施方案的顶视图；并且

图19是图18所示的实施方案的透视图。

本发明实施方案的详述

现在将结合其一个或多个实施方案描述本发明。对实施方案的讨论并非旨在限制本发明。相反，实施方案的任何讨论旨在举例说明本发明的广度和范围。如本领域技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可采用本文所述的实施方案的变型和等效物。那些变型和等效物旨在由本专利申请的范围涵盖。

现在将在用于制造交通工具(例如像喷气式飞机)的部件的复合预浸渍材料的上下文中讨论本发明。复合预浸渍材料通常被定义为可以是织造、非织造、以片材形式提供和/或以带或丝束提供的材料。所述材料通常包括碳纤维，但也可采用其他材料(包括但不限于芳纶纤维、尼龙、玻璃和玻璃纤维)。此外，虽然结合使用预浸渍材料进行了描述，但是本发明可以与非预浸渍材料(或其他可替代材料)一起使用。

在不限制本发明的范围的情况下，设想复合纤维结构的构造将至少部分地包括AFP机或ATL机的辅助。在以下讨论的上下文中，使用术语AFP机，因为这涵盖本发明所设想的实施方案。然而，如上所述，对于AFP机的参考并不旨在限制本发明。

在一个实施方案中，AFP机可通过沿着模具以并排方式铺设多个碳纤维丝束来形成飞机的复合结构。可同时铺设多个窄丝束，以便提供总宽度大于单个丝束宽度的带。在非限制性实施方案中，带可由以并排方式铺设的十六(16)个丝束形成，以形成宽度为十六(16)个丝束的总和的带。带内的丝束可全部铺设在一起，或者可替代地，AFP机可在带内单独地铺设丝束中的一个或多个。根据需要或根据期望，可在任何给定时间铺设少至一(1)个丝束，并且可同时铺设多达十六(16)个丝束。AFP机被设想具有停止铺设丝束的能力以改变其方向取向，并且再次开始铺设丝束。AFP机的操作和构造对于本领域技术人员来说应是显而易见的。因此，除非需要讨论本发明的以下细节中的一个或多个，否则省略关于AFP机的更多细节。

设想单独的丝束由预浸渍有合适的树脂的无纺碳纤维材料制成。因此，丝束可以是如本文所定义的预浸料。在设想的实施方案中，设想丝束包含在相同方向或大致相同方向上定向的多个碳纤维。具体地，设想丝束限定纤维方向，所述纤维方向沿着将丝束施加到层压板的方向延伸。因此，如本文所定义，纤维方向或取向沿着垫片区域的长度延伸。应当理解，当丝束被沿着沉积表面引导时，纤维取向可相对于层压板变化，但是仍将在沿着垫片区域的长度的方向上延伸。

参考图1，本发明被设想用于飞机10(例如喷气式飞机10)的构造中。虽然本发明是在所述背景下讨论的，但是本发明并非旨在仅限于喷气式飞机10。如本领域技术人员所显而易见的，本发明也适用于任何其他类型的飞机。此外，虽然在喷气式飞机10的背景下讨论，但是本发明可应用到除飞机以外的交通工具，诸如汽车、公共汽车和火车、以及非运输部件，诸如风力涡轮机。

在以下描述中，相同标号旨在表示类似元件。本发明的不同实施方案的重复使用标号旨在简化本发明的讨论。因此，不应推测重复使用标号旨在表示相关联的结构或元件与任何其他所述实施方案相同。

虽然附图中示出的本发明的优选实施方案包括各个部件，并且虽然如图所示的本发明的系统和对应部分的优选实施方案由本文所解释和示出的某些几何构造组成，但是并不是所有这些部件和几何形状都是本发明必不可少的，并且因此不应取它们的限制性意义，即，不应将其视为限制本发明的范围。

应当理解，对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明可使用其他合适部件和其之间的协作以及其他合适的几何结构，如将在本文中简要解释并且如可由本领域技术人员容易地推断。

此外，应当理解，除非另有说明，否则诸如“右”、“左”、“顶部”、“底部”等的位置描述都是在附图的背景下进行的，并且不应被考虑为限制本发明。

应当理解，本发明可在没有本文以下阐述的所有具体细节的情况下实施，以便提供对本发明的透彻理解。

图1是喷气式飞机10的透视图。设想喷气式飞机10至少部分地由复合材料(诸如，碳纤维复合材料)构成。在图1提供的图示中，喷气式飞机10的机尾区段12以骨架化方式示出。骨架化机尾区段12被设想来指示，喷气式飞机10的至少所述区段可由碳纤维复合材料制成。显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，除了机尾区段12之外，喷气式飞机10的任何其他部分可由复合材料构成。

图2提供了图1所示的喷气式飞机10的机尾区段12的放大透视图。机尾区段12的图示提供了关于喷气式飞机10的构造所需的所选择的结构元件14的细节。

图3是飞机部件16的透视图。图3所示的飞机部件16可形成用于喷气式飞机10的机身的外表面。可替代地，飞机部件16可以是形成喷气式飞机10的外部结构的至少一部分的整流罩或其他部件的一部分。此外，飞机部件16可以是喷气式飞机10内的内部结构的一部分。虽然本发明将结合主要制造喷气式飞机10的外部结构部件(例如，蒙皮元件)进行讨论，但是本发明不应理解为仅限于此。

如图3所示，飞机部件16包括可形成喷气式飞机10的机身的一部分的层压板，诸如弯曲元件18。虽然弯曲元件18示出为具有弯曲结构，但应注意的是，弯曲元件18可在替代的设想实施方案中是平面的。此外，设想的是，弯曲元件18可具有适用于其中并入弯曲元件18的飞机构造的任何轮廓。例如，弯曲元件18可以是单曲率元件或双曲率元件。

本文中也称为“层压板”的弯曲元件18可以是在其上形成有垫片区域20的任何材料。在一个实施方案中，设想层压板或弯曲元件18可与单板层的碳纤维材料一样薄。在其他实施方案中，层压板或弯曲元件可包含被布置来形成板层堆叠的多个板层。在不脱离本发明的范围的情况下，可使用用于层压板或弯曲元件18的其他结构。

在示出的实施方案中，层压板或弯曲元件18包括在其内表面上共同形成的垫片区域20的网格图案，其间定位有间隙区域30。在图3所示的非限制性实施方案中，垫片区域20的网格图案在一张方格纸上至少部分地呈现出垂直相交的线的外观。在示出的实施方案中，垫片区域20的网格图案包括沿着层压板或弯曲元件18的长度纵向延伸的第一垫片区域22，以及跨所述层压板或弯曲元件18的宽度横向延伸并且与第一垫片区域22相交的第二垫片区域24。

如在以下的讨论中将显而易见的，层压板或弯曲元件18的纵向轴线相对于层压板或弯曲元件18的长度来限定。类似地，按照层压板或弯曲元件18的宽度来描述的层压板或弯曲元件18的横向轴线旨在表示与纵向轴线正交的取向。还应注意的是，仅提供纵向取向和横向取向来明确所述元件之间的空间关系。因此，术语“纵向”和“横向”不应被理解为具有与图1所示的喷气式飞机10的纵向轴线和横向轴线的任何关系或对应关系。

两组结构元件26、28被分别附接到垫片区域22、24。由于结构元件26、28被设置在垫片区域22、24上，所以结构元件26、28被以由垫片区域22、24构成的相同网格图案来进行布置。有时称为纵梁的第一结构元件26沿着层压板或弯曲元件18的长度(即，沿着第一方向)纵向延伸。有时称为C形框架的第二结构元件28在横跨第一结构元件26的方向上(即，在第二方向上)跨层压板或弯曲元件18的宽度横向延伸。从示出的实施方案应显而易见，在所述非限制性实施方案中，第一结构元件26被布置成与第二结构元件28正交(或基本正交)。

关于第一结构元件26和第二结构元件28，设想的是两个结构元件26、28可具有需要或期望的任何结构，以为层压板或弯曲元件18上的其中放置有结构元件26、28的位置提供额外的强度。结构元件26、28可被构造成纵梁，包括但不限于I形梁、C形梁、T形梁、L形梁、Z形梁、Δ形梁和/或Ω形梁和/或可用于构造喷气式飞机10及其相关联部件的结构的任何其他类型的结构元件26、28。非限制地，结构元件26、28可相对于一个或多个其他结构元件26、28纵向、横向、轨道地或以预定角度延伸。换句话说，本发明并不设想限于结构元件26、28的任何特定结构或取向。

如本文更全面地讨论的，设想结构元件26、28将附连到垫片区域22、24。附连旨在涵盖将结构元件26、28连接到垫片区域22、24的任何数量的不同紧固件。在一个设想的实施方案中，结构元件26、28与垫片区域22、24共同固化和/或共同结合在一起，并且因此是层压板或弯曲元件18的整体部分。在第二设想的实施方案中，结构元件26、28被在通过合适的粘合剂附接到垫片区域22、24之前固化。在第三设想的实施方案中，结构元件26、28被在通过合适的紧固件(诸如铆钉)附接到垫片区域22、24之前固化。此外，除了与其共同固化和/或共同结合之外，结构元件26、28中的一个或多个可通过合适的紧固件(诸如铆钉)附连到垫片区域22、24。最后，设想结构元件26、28中的一个或多个可由金属合金(诸如铝、铁、钛、镁、铍等的合金)制成，并且通过合适的紧固件(诸如铆钉)附连到垫片区域22、24。如上所述，结构元件26、28附连到垫片区域22、24的方式不认为是对本发明的限制。

在图3所示的飞机部件16的实施方案中，设想垫片区域22、24和结构元件26、28彼此配准。具体地，结构元件26、28对中在垫片区域22、24中的相应个上，并且附接到垫片区域22、24中的相应个。然而，结构元件26、28不需要精确地对中在垫片区域22、24上来实践本发明。相反，结构元件26、28可偏离垫片区域22、24中的相应个的中心线。

垫片区域22、24在层压板或弯曲元件18上形成比其间的间隙区域30更厚的区域。因此，垫片区域22、24提供具有比间隙区域30更大的结构强度的位置。利用这种结构，垫片区域22、24提供具有较高强度的区域，以支撑将结构元件26、28(机械、粘合剂或其他方式)附接在其上的紧固件。具体地，垫片区域22、24被制成足够厚，使得结构元件26、28可通过合适的紧固件而紧固到层压板或弯曲元件18。如上所述，紧固件包括但不限于铆钉、螺母和螺栓、螺钉、粘合剂、焊缝等。在间隙区域30比垫片区域22、24厚度小的情况下，飞机部件16可减轻重量，以有助于整个喷气式飞机10内的重量节省，同时在需要和/或期望紧固件的区域处维持所需厚度。

此外，应注意，垫片区域22、24和结构元件26、28不需要彼此垂直布置。相反，如以下将更详细描述的，在不脱离本发明的范围的情况下，垫片区域22、24和结构元件26、28可相对于彼此以任何预定角度进行设置。

图4是图3所示的层压板或弯曲元件18的透视图。在此图示中，为了便于理解垫片区域22、24的位置，省略结构元件26、28。

在图3和图4所示的实施方案中，垫片区域22、24彼此等距离地分离。因此，结构元件26、28也彼此等距地分离。然而，本发明不需要相邻的垫片区域22、24之间或相邻的结构元件26、28之间的等距离间隔。相反，在不脱离本发明的范围的情况下，相邻的垫片区域22、24和相邻的结构元件26、28之间的间隔可变化。

在另一设想的实施方案中，可在层压板或弯曲元件18上设置更多数量的垫片区域20。如果这样的话，附加的垫片区域20可相对于所示的垫片区域22、24成角度。例如，附加的垫片区域20可相对于第一垫片区域22和第二垫片区域24成45°角度。如果在层压板或弯曲元件18上设置附加的垫片区域20，那么可设想附加的结构元件26、28将被设置在附加的垫片区域20上，与垫片区域22、24上的结构元件26、28的放置一致。

继续参考图3，应注意，第二结构元件28可包含啮合扣32和切口34，使得结构元件26、28可放置在层压板或弯曲元件18上而不彼此干涉。此外，啮合扣32和切口34允许将结构元件26、28放置在层压板或弯曲元件18上，使得元件在规定的工程公差内。

图5是层压板或弯曲元件32的透视图，提供了将复合板层的堆叠34施加至其的一个实例。虽然未示出，但是应注意，如本文进一步讨论的，板层的堆叠34可包含中间层。在具有或不具有中间层的复合材料板层堆叠34被附连到层压板或弯曲元件32的内表面36之后形成垫片区域20，其中堆叠34被用手(或手动地)施加到层压板或弯曲元件32。在此实施方案中，复合纤维板层堆叠34采用“+”形式。因此，堆叠34在层压板或弯曲元件32的纵向方向和横向方向上形成垫片区域20。

在图5中，参考堆叠34和层压板或弯曲元件32提供正交箭头38，以便于理解堆叠34在层压板或弯曲元件32上的取向。此外，在图示中提供箭头40，以示出将复合板层堆叠34施加到层压板或弯曲元件32的方向(即，施加方向40)。应注意，在若干个附图中提供了正交箭头38，以允许各个图相对于彼此的取向，并且由此有助于理解本发明的范围和广度。

对于构造复合结构的技术领域的技术人员来说显而易见的是，单独地或以堆叠34施加多个单板层来形成垫片区域20是常见的。本领域技术人员还应理解，单独板层各自具有特定的纤维取向，并且所得复合材料的强度取决于单板层内的纤维取向。因此，为了形成在多个方向上具有良好强度的复合结构，通常将单板层沉积到层压板或弯曲元件32上，使得纤维方向/取向在连续的单板层之间改变。

如将参照图6至图8更详细地解释的，根据本发明，复合部件的垫片区域由在相交区域处与多个第二垫片相交的多个第一垫片区域形成。如本文所使用的，术语“相交”可意味着第一垫片区域在相交区域处邻接第二垫片区域，或者第一垫片区域在相交区域处与第二垫片区域部分或全部地重叠。第一垫片区域和第二垫片区域中的每一个可通过AFP机来铺设，使得给定的垫片区域的纤维取向沿着所述垫片区域的长度延伸。以这种方式，由第一垫片区域和第二垫片区域形成单板层垫片区域，所述第一垫片区域和第二垫片区域具有在不同方向上延伸的纤维取向。如以下将更详细解释的，形成单板层垫片区域的第一垫片区域和第二垫片区域可具有位于其间的复合部件的中间层。

在一个设想的实施方案中，中间层包含复合材料。然而，在其他设想的实施方案中，中间层可包含碳纤维、强度材料、金属层、金属网材料、铜网材料、电镀腐蚀保护层、雷击保护层等的一层或多层。换句话说，在不脱离本发明的范围的情况下，可通过各种材料制造中间层。中间层可部分或全部地与层压板或弯曲元件32共同延伸。换句话说，中间层可仅覆盖层压板或弯曲表面32的一部分。可替代地，一些中间层可覆盖层压板或弯曲表面32的整个表面。

图6是根据本发明的飞机部件42的第一实施方案的透视图，示出包括将多个第一丝束44和多个第二丝束46沉积到层压板或弯曲元件50上的垫片区域48。多个第一丝束44被在层压板或弯曲元件50的第一方向(在所示实施方案中为纵向方向上定向，并且多个第二丝束46被沿着层压板或弯曲元件50的第二方向(在所示实施方案中为横向方向)定向。在此第一实施方案中，设想的是，如上所述使用AFP机来沉积垫片区域48。作为参考，图6中包括一对正交箭头52。

还如图6所示，多个第一丝束44并排地铺设以形成第一垫片区域54，并且多个第二丝束46并排地铺设到层压板或弯曲元件50上以形成第二垫片区域56。当第一多个丝束44和第二多个丝束46都铺设到层压板或弯曲表面50上时，它们形成单板层垫片区域48。然而，如上所述，应当理解，可存在位于第一垫片区域54与第二垫片区域56之间的中间层，使得单垫片板层的两个区域不位于相同层中。

对于图6所示的垫片区域48，应注意的是，第一垫片区域54在相交区域55中与第二垫片区域56相交。因此，第一垫片区域54可划分为第一区58和第二区60。第一区58位于第二垫片区域56的一侧上。第二区60位于第二垫片区域56的与第一区58相对的另一侧上。因此，虽然第一区58和第二区60与第二垫片区域56相交，但是第一区58和第二区60都不与第二垫片区域56重叠。因此，垫片区域48整体上具有一致的厚度，使得第一垫片区域54的第一多个丝束44和第二垫片区域56的第二多个丝束46两者形成同一垫片板层的部分。可替代地，并且如上所述，在第一垫片区域54与第二垫片区域56之间可存在中间层。中间层可覆盖层压板或弯曲表面50的一部分，或者可覆盖层压板或弯曲表面50的全部。

图7是本发明的第二实施方案的图形表示。此第二实施方案是图6所示的第一实施方案的变型。在此第二实施方案中，第一垫片区域54和第二垫片区域56被放置在层压板或弯曲元件50上，使得两个垫片区域54、56彼此重叠。在此设想的实施方案中，在第一垫片区域56与第二垫片区域54重叠的相交区域62处形成较厚的垫片区段。如图6所示的实施方案中，在不相交的区域中，第一垫片区域54的丝束44和第二垫片区域56的丝束46具有分别沿着垫片区域54、56的方向延伸的纤维方向。

图8是根据本发明的飞机部件82的第四实施方案的图解俯视图。飞机部件82包括设置在层压板(诸如，弯曲元件86)上的垫片区域84。垫片区域84包括沿着层压板或弯曲元件86的第一方向铺设的第一多个丝束88。垫片区域84还包括沿着层压板或弯曲元件86的第二方向设置的第二多个丝束90。与以上提供的命名一致，第一多个丝束88形成第一垫片区域，并且第二多个丝束90形成第二垫片区域。丝束88、90共同形成单垫片板层。

如图8所示，多个第二丝束90未不间断地跨层压板或弯曲元件86的宽度延伸。相反，第一多个丝束88和第二多个丝束90相对于彼此以阶梯状的邻接图案来铺设。在此第三实施方案中，第一多个丝束88或第二多个丝束90中没有一个不彼此重叠，从而避免在相交区域92内的复合材料的任何积聚。如前所述，在所示的实施方案的变型中，多个第一丝束88和多个第二丝束90可彼此重叠。再次地，提供正交箭头94以提供本文所述的其他实施方案的取向。

在图6至图8所示的实施方案中，将丝束或第一垫片区域和第二垫片区域铺设成使得它们的纤维方向沿着两个垫片区域的长度延伸。以这种方式，在(包括第一垫片区域和第二垫片区域的)单垫片板层内，存在相对于彼此以不同方向延伸、相对于彼此成预定角度(即30°、45°、60°和/或90°)的丝束。其中，这提供了在同一垫片板层内的两个方向的纤维强度的益处。此外，通过将丝束铺设成使得它们沿着垫片区域的长度延伸，可能够铺设(与整个垫片板层在相同方向上铺设丝束相比)更长的丝束条。纤维丝束的长度也增加了垫片区域的强度。

此外，可选择第一垫片区域和第二垫片区域的方向，使得第一垫片区域和第二垫片区域中的至少一个沿着部件的载荷路径延伸。以这种方式，垫片区域的纤维方向沿着载荷路径延伸，从而使纤维方向(以及因此纤维强度)与载荷路径对准。在非限制性实施方案中，第一垫片区域和第二垫片区域都沿着部件的载荷路径延伸，从而在同一垫片板层内的两个方向上都利用纤维强度。

图9是飞机部件96的分解透视图，示出彼此上下地铺设以形成垫片区域98的多个预浸渍材料板层的一种设想的布置。在形成垫片区域98的板层之间的是还形成飞机部件96的复合材料的中间层。

在图9中，十个垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118被铺设在飞机部件96的中间层的顶部上以及彼此的顶部上以形成堆叠。根据图9提供的图例来讨论垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118的纤维取向。0°取向平行于弯曲表面120的宽度(即，横向方向或第一纤维取向)。90°取向平行于弯曲表面20的纵向尺寸(即，纵向方向或第二纤维取向)。垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118中的若干个具有不同的形状和纤维取向，其细节在以下提供。

如图10所示，第一垫片区域100被设想为包括沿着垫片区域100的长度延伸的丝束122，所述长度沿着层压板或弯曲表面120的纵向尺寸。因此，丝束122具有90°的纤维取向124。如上所述，设想形成第一垫片区域100的丝束122将通过AFP机并排地铺设。设想第四垫片区域106、第七垫片区域112和第十垫片区域118共享与第一垫片区域100相同的构造和纤维取向。应当注意，在不脱离本发明的范围的情况下，垫片区域100、106、112、118可具有不同的纤维取向124。

如图11所示，第二垫片区域102被设想为包括沿着垫片区域102的长度延伸的丝束126，在示出的实施方案中，所述长度沿着层压板或弯曲表面120的横向尺寸。因此，丝束126具有0°的纤维取向128。如上所述，设想形成第二垫片区域102的丝束126将通过AFP机并排地铺设。设想第五垫片区域108、第六垫片区域110和第九垫片区域116共享与第二垫片区域102相同的结构和纤维取向。

如图12所示，第三垫片区域104是包含呈-45°角的丝束130的“加号”形垫片区域104。第三垫片区域104限定在纵向方向和横向方向上延伸的臂132、134、136、138。第三垫片区域104的丝束130被设想成具有平行于丝束130的方向的纤维取向140，并且因此相对于图9所示的弯曲元件120的轴线呈-45°角。

如图13所示，第八垫片区域114也是包含呈45°角的丝束142的“加号”形垫片区域114。除了相对于第三垫片区域104使取向旋转90°之外，此第八垫片区域114类似于第三垫片区域104。因此，第八垫片区域114的臂144、146、148、150在纵向方向和横向方向上延伸。第八垫片区域114的丝束142被设想成具有平行于丝束142的方向的纤维取向152，并且因此相对于图9所示的弯曲元件120的轴线呈45°角。

结合关于图9-13讨论的纤维取向124、128、140、152，应注意的是，针对堆叠中的不同垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118，使纤维取向124、128、140、152以45°的增量进行改变。然而，本发明并不设想为局限于此类构造：其中针对堆叠中的不同垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118，使纤维取向124、128、140、152以45°的增量进行改变。

在一个替代实施方案中，设想纤维取向124、128、140、152可以30°和/或60°的增量进行改变。因此，设想纤维取向124、128、140、152可分别设定为0°、30°、-30°、60°、-60°和90°等。

在另外设想的实施方案中，在不脱离本发明的范围的情况下，纤维取向124、128、140、152可以15°的增量进行改变。

如从上述应显而易见的，在不脱离本发明的范围的情况下，堆叠中的垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118之间的纤维取向124、128、140、152的变化角度可选择成任何特定值。然而，应注意，30°的增量是优选的以增强所得的复合结构的强度。

在其他设想的实施方案中，诸如在图10-13所示的实施方案中，纤维取向的改变可因垫片区域的不同而变化。换句话说，本发明设想但不要求纤维取向的改变遵循任何特定模式。

图14是根据本发明制造的飞机部件154的透视图。飞机部件154可以是喷气式飞机10的机身的一部分。具体地，飞机部件154可以是喷气式飞机10的机尾区段12的一部分。

飞机部件154被设想为包含多个垫片区域156。为了简单起见，垫片区域156包括第一垫片区域158和第二垫片区域160。第一垫片区域158被设想为沿着纵向方向162(即，第一纤维取向)延伸。第二垫片区域被设想为沿着飞机部件154的横向方向164(即，第二纤维取向)延伸。垫片区域158、160被设想为包含多个丝束，所述多个丝束被以上述方式中的一种或多种铺设到层压板或弯曲表面166上。

图15是图14所示的飞机部件154的视图。在此视图中，包括飞机部件154的纵向轴线168作为参考工具。应当注意，第一垫片区域158被示出为基本上平行于纵向轴线168。因此，第二垫片区域160被示出为与第一垫片区域158正交。应当注意，沿着纵向轴线设置的第一垫片区域158和与第一垫片区域158正交的第二垫片区域的取向的图示仅仅是说明性的。在不脱离本发明的范围的情况下，垫片区域158、160可具有相对于纵向轴线168的任何取向。

图16提供了图14和图15中所示的飞机部件154的一部分的放大细节。第一垫片区域158由AFP机铺设成多个第一丝束170。第二垫片区域160也由AFP机铺设成多个第二丝束172。丝束170、172在相交区域174处彼此交叉，相交区域174可包含或可不包含重叠的丝束170、172。第一多个丝束170被设置成与纵向轴线168成角度176。

继续参考图16，应注意的是，第一多个丝束170以角度176进行设置，因为飞机部件154具有三维的弯曲形状。此偏差角176应由本领域的技术人员理解为方向，在所述方向上“引导”丝束170以形成第一垫片区域158。

为了本发明的目的，“引导”是指AFP机在以偏离角176偏离参考轴线(在这种情况下是纵向轴线168)的方向上引导丝束170的能力。引导允许AFP机在第一垫片区域158的方向上形成变化，以适应飞机部件154的表面曲率的变化。

图17是图14-16所示的飞机部件154的内表面178的透视图。第一多个丝束170被示出为按照以上讨论的方式跨内表面178进行引导。

图18是根据本发明的飞机结构180的另一实施方案的顶视图。图19是图18所示的飞机结构180的透视图。从图18和图19的图示可显而易见，飞机结构180具有弯曲的结构，并且看起来有点像龟壳。飞机结构180被称为“受压壳体”，因为当喷气式飞机10处于飞行操作模式时，它有助于维持适当的舱室压力。飞机结构180被设想为包括垫片182、间隙区域184和穿过其中的开口186。

为了构造飞机结构180，设想的是，垫片区域的网格图案包括可以龟壳方式施加到部件的第一垫片区域188(其一部分在图18中示出)和第二垫片区域190(其一部分在图18中示出)，使得第一垫片区域188被设置为基本上同心的轮，并且第二垫片区域190被设置为与轮相交的轮辐。在将足够数量的丝束铺设在彼此的顶部上之后，产生飞机结构180的最终结构。

与其他实施方案一致，利用在相交区域192处相交的第一垫片区域188和第二垫片区域190来构造飞机结构180导致飞机部件180在结构的承载方向上具有合适的强度。应注意，飞机部件包括间隙区域184，其位于垫片区域188、190之间，如其他实施方案中所示。作为受压壳体，飞机部件180在垫片区域188、190的方向上设置有有益的强度特性。

至于如上所述的制成丝束的预浸渍复合材料，设想的是单个丝束具有约0.25英寸(或0.64cm)的宽度。虽然这种尺寸被设想应用到本文所述的所有实施方案，但是本发明不应理解为限于具有此宽度的丝束。对于本发明，丝束可具有例如0.5英寸(1.27cm)、0.75英寸(1.91cm)、1英寸(2.54cm)、2英寸(5.08cm)的宽度。本发明不被设想局限于具有任何特定宽度或其他物理特性的丝束。

如上所述，本发明被设想采用预浸渍有树脂的碳纤维材料。然而，本发明不应理解为限于这种材料。相反，本发明被设想发现对任何数量的不同复合材料的适用性。

此外，虽然本发明被设想将使用AFP机来形成结合图9-13讨论的垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118，但本发明不旨在局限于此。在不脱离本发明的范围的情况下，可采用其他类型的机器来构建垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118。

关于纤维取向124、128、140、152，设想的是它们将相对于由层压板建立的0°方向来定向。换句话说，垫片区域100、102、104、106、108、110、112、114、116、118的纤维取向124、128、140、152将根据由层压板建立的主要取向来设置。虽然对本发明的操作不是关键的，但是设想0°取向将与飞机的纵向轴线一致。

如上所述，并且如从与图16-17相关的引导丝束的讨论应显而易见，对“纵向”或“横向”方向的任何讨论不应理解为将本发明限制为平行于喷气式飞机10的纵向轴线或与其正交的任何其他轴线的取向。本文中已使用的术语“纵向”和“横向”用于帮助但不限于描述本发明。

关于本发明，如上所述，设想纤维取向在与相关联丝束的长度平行(或基本上平行)的方向上延伸。利用此纤维取向，丝束的大部分被在与利用所述丝束形成的垫片区域的行进方向平行的方向上进行铺设，并且因此沿着相应的垫片区域的长度延伸。因此，设想的是，垫片将根据需要或根据期望提供足够的执行强度。

如从上述应显而易见的是，通过采用丝束来形成垫片区域，这可能严格控制由此形成的飞机部件的最终重量。如可显而易见的，每个丝束对飞机部件增加了非常小的重量，但是大大强化了那同一个飞机部件。与由铝或铝合金制成的等效飞机部件相比，通过以逐层的方式铺设丝束可能形成具有相当强度性质的飞机部件，同时还减轻重量。这种重量节省有助于整个喷气式飞机10的整体重量节省。

此外，考虑到每个垫片板层包括具有相应的不同纤维方向的第一垫片区域和第二垫片区域，与在单垫片板层仅在单个纤维方向上包含纤维的情况相比，可使用更少的板层来构建垫片。设想的是，更少的板层包括但不限于使用较少的材料、使用较少的纤维材料和/或较少的丝束等的实施方案。更具体地，根据本发明的垫片板层提供先前需要两个单独的垫片板层才能达到的类似的纤维强度性质。因此，可使用较少的板层，从而节省重量。

此外，通过沿其相应的垫片区域的方向铺设丝束，设想AFP机本身将从增强的效率中受益。对于本领域技术人员来说显而易见的是，无论是否引导，AFP机非常适合于将丝束铺设成一行。因此，在可以长条而不是以短段来铺设丝束的情况下，效率会提高。AFP机在单一方向上横贯的距离越大，AFP机的操作效率越高。

关于上述第一垫片区域和第二垫片区域的定位，应注意的是，第二垫片区域被描述为相对于第一垫片区域正交设置或者基本上正交设置。第一垫片区域和第二垫片区域的正交取向被设想为建立增强飞机部件的强度特性的网格图案，第一垫片区域和第二垫片区域被设置在所述飞机部件上。对于本领域技术人员来说显而易见的是，通过将结构元件附接到垫片区域，飞机部件的整体强度特性被进一步增强。

应注意，第一垫片区域和第二垫片区域被设想为沿着飞机部件的载荷路径设置。更具体地，飞机部件的第一载荷路径被设想为沿着飞机部件的纵向轴线定位，所述飞机部件的纵向轴线可以或可以不与喷气式飞机10的纵向轴线对准。飞机部件的第二载荷路径被设想为与第一载荷路径正交地延伸。在前面的讨论中，这可与和飞机部件相关联的横向轴线或圆周方向一致。

应注意，第一载荷路径和第二载荷路径不旨在限制本发明。存在这种情况：尤其是在喷气式飞机10的机翼和控制元件的构造中，第一载荷路径和第二载荷路径彼此合并和/或不可区分。本发明旨在涵盖最大的广度，并且因此不限于本文讨论的第一载荷路径和第二载荷路径的示例性取向。

如上所述，第一垫片区域和第二垫片区域以重叠或不重叠的方式彼此相交以形成网格结构，这增强了飞机部件的强度性能。如上所述，第一垫片区域和第二垫片区域可在相交区域处彼此相交。第一垫片区域和第二垫片区域可彼此重叠或者彼此不重叠。无论第一垫片区域和第二垫片区域是否彼此重叠，第一垫片区域和第二垫片区域被设想用于单垫片板层，如所讨论的。如图9所示，多个垫片板层彼此上下堆叠。如至少结合图9所讨论的，差异板层被设想为以变化的角位移来包含丝束。

如以上指出的，本文所述的实施方案旨在为本发明的宽阔广度的示例性。所描述的实施方案的变型和等效物旨在被本发明涵盖，如本文所述的那样。

Claims (19)

1.一种用于交通工具的复合部件，其包括：

层压板，所述层压板由复合材料制成；

结构元件，所述结构元件附接到所述层压板；

位于所述层压板上的垫片区域，用于提供增强的强度，以支撑附接到所述层压板的结构元件；

位于所述层压板上并设置在所述垫片区域之间的间隙区域，所述间隙区域比所述垫片区域薄；

其中所述垫片区域包括：

第一垫片区域，所述第一垫片区域被施加到所述层压板，其中所述第一垫片区域包含并排布置的彼此相邻铺设的多个第一丝束，并且其中所述第一垫片区域限定第一纤维取向；以及

第二垫片区域，其中所述第二垫片区域包含并排布置的彼此相邻铺设的多个第二丝束，并且其中所述第二垫片区域限定第二纤维取向，所述第二纤维取向与所述第一纤维取向相差预定角度，

其中所述第一垫片区域和所述第二垫片区域在相交区域处相交，并且在所述层压板上共同形成第一垫片板层。

2.如权利要求1所述的复合部件，其中所述第一纤维取向是沿着所述复合部件的第一载荷路径。

3.如权利要求2所述的复合部件，其中所述第二纤维取向是沿着所述复合部件的第二载荷路径。

4.如权利要求1所述的复合部件，其中所述第一垫片区域和所述第二垫片区域的至少一部分位于相同层中。

5.如权利要求1所述的复合部件，其中至少一个中间层被定位在所述第一垫片区域与所述第二垫片区域之间。

6.如权利要求1所述的复合部件，其中所述第一垫片区域和所述第二垫片区域在所述相交区域处重叠。

7.如权利要求1所述的复合部件，其中所述第一垫片区域在所述相交区域处邻接所述第二垫片区域。

8.如权利要求1所述的复合部件，其中所述预定角度小于或等于约90°。

9.如权利要求1所述的复合部件，其中所述第一垫片板层被通过自动纤维铺放机而施加到所述层压板。

10.如权利要求1所述的复合纤维部件，其中所述第一垫片区域被通过自动纤维铺放机通过引导所述多个第一丝束而施加到所述层压板。

11.如权利要求1所述的复合纤维部件，其中所述第二垫片区域被通过自动纤维铺放机通过引导所述多个第二丝束而施加到所述层压板。

12.如权利要求9所述的复合部件，其中所述自动纤维铺放机在改变方向以便在所述部件上铺设多个第二垫片区域之前在所述部件上铺设多个第一垫片区域。

13.如权利要求1所述的复合部件，其中所述部件上的多个第一垫片区域和多个第二垫片区域提供了垫片区域的网格。

14.如权利要求1所述的复合部件，其中所述层压板、所述第一垫片区域和所述第二垫片区域包含预浸渍有树脂的碳纤维材料。

15.一种用于交通工具的复合部件，其包括：

层压板，所述层压板由复合材料制成；

结构元件，所述结构元件附接到所述层压板；

位于所述层压板上的、网格图案的垫片区域，用于提供增强的强度，以支撑附接到所述层压板的结构元件；以及

位于所述层压板上的间隙区域，所述间隙区域位于所述垫片区域之间，所述间隙区域比所述垫片区域薄；

其中所述网格图案的垫片区域至少包括第一垫片区域和与所述第一垫片区域相交的至少第二垫片区域，

其中所述第一垫片区域具有沿着所述第一垫片区域的第一长度延伸的第一纤维方向，并且所述第二垫片区域具有沿着所述第二垫片区域的第二长度延伸的第二纤维方向，并且

其中所述第一垫片区域和所述第二垫片区域以预定角度相交。

16.如权利要求15所述的复合部件，其中所述第一垫片区域和所述第二垫片区域在相交区域处重叠。

17.如权利要求15所述的复合部件，其中所述第一垫片区域在相交区域处邻接所述第二垫片区域。

18.如权利要求15所述的复合部件，其中至少一个中间层被定位在所述第一垫片区域与所述第二垫片区域之间。

19.如权利要求15所述的复合部件，其中所述第一垫片区域和所述第二垫片区域的至少一部分位于相同层中。