CN109866912A - 一种复合纤维飞机窗框及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合纤维飞机窗框及其成型方法，将碳纤维丝通过编织机缠绕到窗框3D支撑模型上，逐层编织出多个纤维层，每个纤维层可以预定编织角度，即按不同受力方向编织不同的角度，实现窗框的预制体成型；经多层编织到达厚度尺寸，通过不同层纤维的走向控制来应对受力方向，然后将预制件定型，满足后续树脂固化所需的尺寸要求和所有单纤维的连续性分布使产品受力强度达到最大要求。本发明通过多层编织不同的纤维方向优化受力，减少常规需要人工铺层和铺层叠合效果不良的问题。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型领域，特别涉及一种复合纤维飞机窗框及其成型方法。
背景技术
复合材料具有优异的力学性能和轻量化的明显优势，在飞机航空航天上具有明显的优势，在飞机制造乃至火箭、导弹等被大量使用。如波音787、空客350用量超过50%，以及中国大飞机项目929也将大量采用，用来制造飞机的机身、尾翼、翼樑、升降翼、机门、窗框等。
一般市场采用纤维布层，按不同的角度方向类叠成铺设，如0度，-45度，45度，90度等；或采用碳纤维束缝纫的方法，按不同的要求，环状单层缝纫，一定功能形状缝纫缝制出不同单层，然后多层叠合。然而这些方法对平面件或小曲率件或局部曲面来说不存在问题，但对于一定立体形状，有帽沿的的立体结构，就存在难点。就算采用铺丝机在一定特征上也是存在困难的，为此提出一个方法解决这类问题。
为了更好理解飞机窗框结构特点，以图1为例进行说明。
如图1所示，飞机窗框具有外凸缘1、内凸缘2、和垂直于上述两个凸缘之间的垂直凸缘3，其截面成L型拐角，其中至少一个凸缘能够与飞机结构相连，所示窗框材料由复合纤维成型，通过纤维增加树脂进行固化，所述窗框由多层纤维层组成，所述纤维层有单独或复合的纤维方向组成，所述的纤维层纤维方向沿载荷方向排列，通过上述方法来飞机窗框力比强度、比刚度和疲劳性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合纤维飞机窗框及其成型方法，使窗框具有高强度，单层纤维在整体方向上连续且实现各个方向力学的增强、满足窗框复杂环境的受力。
本发明的第一个技术方案是：一种复合纤维飞机窗框，其特征在于：该窗框包括编织成型的预制体，和将预制体固化的增强树脂；所述预制体由多层经编织形成的纤维层组成，纤维层由单层编织组成，层内纤维成正负编织角度，纤维上下交替编织形成整体环状结构；正负编织角度的纤维由两个方向的纤维组成，且从编织开始到结束为完整纤维。
优选地，不同纤维层之间可按不同的编织角度进行编织，满足纤维按载荷方向的要求。
优选地，所述预制体的多层纤维层之间通过胶黏和层间缝纫中的一种或两种方式来定型。
优选地，所述编织成型的预制体包括内凸缘和外凸缘，以及垂直于上述两个凸缘的垂直凸缘，且其中一个凸缘与飞机结构相连。
本发明的第二个技术方案是：一种复合纤维飞机窗框成型方法，将碳纤维丝通过编织机缠绕到窗框支撑模型上，逐层编织出多个纤维层，每个纤维层可以预定编织角度，即按不同受力方向编织不同的角度，实现窗框的预制体成型；经多层编织到达厚度尺寸，通过不同层纤维的走向控制来应对受力方向，然后将预制件定型，满足后续树脂固化所需的尺寸要求和所有单纤维的连续性分布使产品受力强度达到最大要求。
优选地，预制体为环形或环带状多层编织结构，各单层环形或环带通过编织一体成型，整体无断开、连接或叠合状态。
优选地，单层编织过程中碳纤维丝走向、分布一致，编织物中碳纤维丝按一定角度相互交叠，且每一根丝均为完整的纤维条。
优选地，所述碳纤维丝编织大角度为±30度~±90度，实现轴向受力要求编织；碳纤维丝编织小角度为±0度~±30度，实现周向受力要求编织；大角度编织层和小角度编织层进行交替编织。
优选地，所述编织后的预制体，通过3D缝纫定型和层间加强。
优选地，在窗框支撑模型上通过编织机进行3D编织，从窗框的小截面方向朝大截面方向编织，形成一定角度两两交叠，通过控制实现单根纤维按一定的编织角度形成编织体，即两个正负编织角度的编织物，使编织角度满足受力方向的要求，实现最大承载力；在编织第一层的基础上继续编织，编织多层后形成预制体，将预制体从窗框支撑模型上取下，预制体通过层间缝纫来定型，后续进行固化工艺。
由于是采用多层编织，纤维在整个工件头部到尾部纤维连续不断裂，窗框整个环状结构也是成整体，保证了整体环状受力情况，这些状况是铺层、干丝缝纫所不具备的特性，提高了整体稳定，以及编织过程可以按不同层不同角度改善了整体的各向异性的状况。
由于采用编织的方法，纤维之间为相互交叠，各纤维之间稳定了纤维之间的结构，实现纤维的连续性而发挥碳纤维的最大强度优势；层之间连续编织成型保持足够的层间贴合的优点且纤维之间密实可以提高体积分数，实现足够高体积分数，提供更高性能要求。
由于采用不同编织方向的层交替，大角度编织层使受力方向性能获得提升，此层在受力过程中即使有一定的形变趋向，纬向层受到力的作用，由于纬向层的编织成轴向缠绕成圆环状结构，限制了变形扩大，受到其外面层纬度方向的约束获得更高的稳定新。
单层编织时，从编织开始到结束为完整纤维，单根纤维是连续的且纤维方向可以受力的方向分布，通过多层编织不同的纤维方向优化受力，减少常规需要人工铺层和铺层叠合效果不良的一些问题，增加了纤维分布整齐和纤维密度分布基本一致的优点以及可实现自动化的优势。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为窗框结构示意图；
图2为窗框3D支撑模型图；
图3为窗框第一层三维编织局部示意图；
图4为窗框第二层三维编织局部示意图；
图5为窗框大角度层与小角度层关系示意图。
具体实施方式
参见附图。本实施例的复合纤维飞机窗框由多层编织成型的纤维层组成，由编织机（Brainding Machine）在窗框3D支撑模型的基础上进行3D编织，编织缠绕出多个纤维层，形成窗框的3D预制体，具体方法如下：
根据窗框模型分析制作得到窗框3D支撑模型4（如图2所示），在3D支撑模型的基础上，通过编织机由小端向大端方向进行编织，形成一定角度两两交叠，通过控制实现单根纤维按一定的螺旋升角形成编织体，即两个正负螺旋升角（后称编织角度）的编织物，使编织角度满足受力方向的要求，实现最大承载力。
为了实现多方向承载力的要求，在编织第一层的基础上继续编织第二层，第三层，第四层… …，碳纤维丝编织大角度为±30度~±90度，实现轴向受力要求编织；碳纤维丝编织小角度为±0度~±30度，实现周向受力要求编织；实际编织时，大角度编织层和小角度编织层进行交替编织。例如先编织第一层5，按±60度（如图3所示局部的编织情况），完成第一层编织后，在原有编织基础上继续编织第二层6，按±20度（如图4所示局部的编织情况），若是为了周向方向的承载力，可以尽量减小螺旋升角，实现周向受力要求；如此按大角度、小角度重复一层一层编织加厚，到达产品工艺要求厚度，多层编织既是为了多方向受力的需要，也是为了达到工件厚度的需要。
由于采用多层结构，如图5所示，分析单独2层结构，内层7为±60度的编织结构，外层8为±20度编织环状结构，当窗体发生变形情况是，假如内层7发生如图所示的受力F，使纤维会趋向于直线变形，驱使内层7向F1方向变形，由于受到外层8的±20度的环状结构环绕，F1方向加载到外层8阻碍内层7纤维变形，使机构得到稳定。
编织完成后，就形成了一定尺寸和纤维走向要求预制件，将预制体从窗框3D支撑模型上取下，为后续固化等工艺工序做好了准备。根据需要，从支撑结构上取下的编织件可以采用3D缝纫，进行预制件定型和层间加强。
Claims (10)
1.一种复合纤维飞机窗框，其特征在于：该窗框包括编织成型的预制体，和将预制体固化的增强树脂；所述预制体由多层经编织形成的纤维层组成，纤维层由单层编织组成，层内纤维成正负编织角度，纤维上下交替编织形成整体环状结构；正负编织角度的纤维由两个方向的纤维组成，且从编织开始到结束为完整纤维。
2.如权利要求1所述的一种复合纤维飞机窗框，其特征在于：不同纤维层之间可按不同的编织角度进行编织，满足纤维按载荷方向的要求。
3.如权利要求1所述的一种复合纤维飞机窗框，其特征在于：所述预制体的多层纤维层之间通过胶黏和层间缝纫中的一种或两种方式来定型。
4.如权利要求1所述的一种复合纤维飞机窗框，其特征在于：所述编织成型的预制体包括内凸缘和外凸缘，以及垂直于上述两个凸缘的垂直凸缘，且其中一个凸缘与飞机结构相连。
5.一种权利要求1所述飞机窗框的成型方法，将碳纤维丝通过编织机缠绕到窗框支撑模型上，逐层编织出多个纤维层，每个纤维层可以预定编织角度，即按不同受力方向编织不同的角度，实现窗框的预制体成型；经多层编织到达厚度尺寸，通过不同层纤维的走向控制来应对受力方向，然后将预制件定型，满足后续树脂固化所需的尺寸要求和所有单纤维的连续性分布使产品受力强度达到最大要求。
6.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：预制体为环形或环带状多层编织结构，各单层环形或环带通过编织一体成型，整体无断开、连接或叠合状态。
7.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：单层编织过程中碳纤维丝走向、分布一致，编织物中碳纤维丝按一定角度相互交叠，且每一根丝均为完整的纤维条。
8.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：所述碳纤维丝编织大角度为±30度~±90度，实现轴向受力要求编织；碳纤维丝编织小角度为±0度~±30度，实现周向受力要求编织；大角度编织层和小角度编织层进行交替编织。
9.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：所述编织后的预制体，通过3D缝纫定型和层间加强。
10.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：在窗框支撑模型上通过编织机进行3D编织，从窗框的小截面方向朝大截面方向编织，形成一定角度两两交叠，通过控制实现单根纤维按一定的编织角度形成编织体，即两个正负编织角度的编织物，使编织角度满足受力方向的要求，实现最大承载力；在编织第一层的基础上继续编织，编织多层后形成预制体，将预制体从窗框支撑模型上取下，预制体通过层间缝纫来定型，后续进行固化工艺。
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